Hydraulische Berechnung des Heizungssystems

Heute werden wir analysieren, wie eine hydraulische Berechnung des Heizungssystems durchgeführt wird. In der Tat verbreitet sich bis heute die Praxis, Heizsysteme aus einer Laune heraus zu entwerfen. Dies ist ein grundsätzlich falscher Ansatz: Ohne vorläufige Berechnung legen wir die Messlatte für den Materialverbrauch höher, provozieren abnormale Betriebsarten und verlieren die Möglichkeit, maximale Effizienz zu erreichen.

Ziele und Vorgaben der hydraulischen Berechnung

Aus technischer Sicht scheint ein Flüssigkeitsheizsystem ein ziemlich komplexer Komplex zu sein, der Geräte zur Erzeugung, zum Transport und zur Abgabe von Wärme in beheizten Räumen umfasst. Die ideale Betriebsart für ein hydraulisches Heizsystem ist eine, bei der das Kühlmittel maximale Wärme von der Quelle aufnimmt und diese ohne Verlust während der Bewegung an die Raumatmosphäre überträgt. Natürlich scheint eine solche Aufgabe völlig unerreichbar, aber ein durchdachterer Ansatz ermöglicht es Ihnen, das Verhalten des Systems unter verschiedenen Bedingungen vorherzusagen und den Benchmarks so nahe wie möglich zu kommen. Dies ist das Hauptziel bei der Auslegung von Heizsystemen, von denen der wichtigste Teil die hydraulische Berechnung ist..

Die praktischen Ziele der hydraulischen Auslegung sind:

1. Verstehen Sie, mit welcher Geschwindigkeit und in welchem ​​Volumen sich das Kühlmittel in jedem Knoten des Systems bewegt.
2. Bestimmen Sie, welche Auswirkungen eine Änderung der Betriebsart jedes Geräts auf den gesamten Komplex hat.
3. Stellen Sie fest, welche Kapazität und Betriebseigenschaften einzelner Einheiten und Geräte ausreichen, damit das Heizsystem seine Funktionen ohne wesentliche Kostensteigerung und Gewährleistung einer unangemessen hohen Sicherheitsmarge erfüllen kann.
4. Letztendlich – um eine streng dosierte Verteilung der Wärmeenergie in verschiedenen Heizzonen sicherzustellen und um sicherzustellen, dass diese Verteilung mit hoher Konstanz aufrechterhalten wird.

Wir können noch mehr sagen: Ohne zumindest grundlegende Berechnungen ist es unmöglich, eine akzeptable Stabilität und einen langfristigen Einsatz der Geräte zu erreichen. Die Modellierung des Betriebs eines Hydrauliksystems ist in der Tat die Grundlage für alle weiteren Konstruktionsentwicklungen..

Arten von Heizsystemen

Solche technischen Aufgaben werden durch die Vielzahl von Heizsystemen in Bezug auf Umfang und Konfiguration erschwert. Es gibt verschiedene Arten von Heizungsaustauschern, von denen jeder seine eigenen Gesetze hat:

1. Zweirohr-Sackgassena – die gebräuchlichste Version des Geräts, die sich gut zur Organisation von Zentral- und Einzelheizkreisen eignet.

Zweirohr-Sackgasse-Heizsystem

2. Einrohrsystem oder „Leningradka“gilt als der beste Weg, um zivile Heizkomplexe mit einer Wärmeleistung von bis zu 30-35 kW zu bauen.

Einrohrheizsystem mit Zwangsumlauf: 1 – Heizkessel; 2 – Sicherheitsgruppe; 3 – Heizkörper; 4 – Mayevsky Kran; 5 – Ausgleichsbehälter; 6 – Umwälzpumpe; 7 – abtropfen lassen

3. Doppelrohrsystem vom Durchgangstyp– die materialintensivste Art der Entkopplung von Heizkreisläufen, gekennzeichnet durch die höchste bekannte Betriebsstabilität und die Verteilungsqualität des Kühlmittels.

Zweirohr-Heizsystem (Tichelman-Schleife)

4. Balkenlayoutähnelt in vielerlei Hinsicht einer Zweirohrfahrt, gleichzeitig werden alle Systemsteuerungen an einem Punkt platziert – an der Verteilerbaugruppe.

Strahlungsheizkreis: 1 – Kessel; 2 – Ausgleichsbehälter; 3 – Verteiler; 4 – Heizkörper; 5 – Rücklaufverteiler; 6 – Umwälzpumpe

Bevor wir uns der angewandten Seite der Berechnungen zuwenden, müssen einige wichtige Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden. Zunächst müssen Sie lernen, dass der Schlüssel zu einer guten Berechnung darin besteht, die Prinzipien von Fluidsystemen auf einer intuitiven Ebene zu verstehen. Ohne dies wird die Betrachtung jeder einzelnen Lösung zu einer Verflechtung komplexer mathematischer Berechnungen. Das zweite ist die praktische Unmöglichkeit, mehr als grundlegende Konzepte in einer Übersicht darzustellen. Für detailliertere Erklärungen ist es besser, auf solche Literatur zur Berechnung von Heizsystemen zu verweisen:

• V. Pyrkov „Hydraulische Regelung von Heiz- und Kühlsystemen. Theorie und Praxis „2. Auflage, 2010.
• R. Jaushovets „Hydraulik – das Herz der Warmwasserbereitung“.
• Handbuch zur Kesselraumhydraulik von De Dietrich.
• A. Saveliev „Heizen zu Hause. Berechnung und Installation von Systemen „.

Bestimmung der Durchflussmenge und Bewegungsgeschwindigkeit des Kühlmittels

Die bekannteste Methode zur Berechnung von Hydrauliksystemen basiert auf den Daten der wärmetechnischen Berechnung, die die Wiederauffüllrate der Wärmeverluste in jedem Raum und dementsprechend die Wärmeleistung der in ihnen installierten Heizkörper bestimmt. Auf den ersten Blick ist alles einfach: Wir haben den Gesamtwert der Wärmeabgabe und dosieren dann die Versorgung jedes Heizgeräts mit dem Wärmeträger. Zur Vereinfachung ist eine axonometrische Skizze des Hydrauliksystems vorgefertigt, die mit den erforderlichen Leistungsindikatoren von Heizkörpern oder Schleifen eines wasserbeheizten Bodens versehen ist..

Axonometrisches Diagramm der Heizungsanlage

Der Übergang von der Wärmetechnik zur hydraulischen Berechnung erfolgt durch Einführung des Massenstromkonzepts, dh einer bestimmten Kühlmittelmasse, die jedem Abschnitt des Heizkreislaufs zugeführt wird. Der Massenstrom ist das Verhältnis der erforderlichen Wärmeleistung zum Produkt der spezifischen Wärmekapazität des Kühlmittels durch die Temperaturdifferenz in den Vor- und Rücklaufleitungen. So sind in der Skizze des Heizungssystems wichtige Punkte markiert, für die der Nennmassenstrom angegeben ist. Der Einfachheit halber wird der Volumenstrom parallel unter Berücksichtigung der Dichte des verwendeten Wärmeträgers bestimmt.

G = Q / (c (t)₂ – t₁))

• G – Kühlmitteldurchfluss, kg / s
• Q – erforderliche Wärmeleistung, W.
• c – spezifische Wärmekapazität des Kühlmittels für Wasser mit 4200 J / (kg ° C)
• ?T = (t₂ – t₁) – Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf, ° С

Die Logik hier ist einfach: Um dem Kühler die erforderliche Wärmemenge zuzuführen, müssen Sie zuerst das Volumen oder die Masse des Kühlmittels mit einer bestimmten Wärmekapazität bestimmen, die pro Zeiteinheit durch die Rohrleitung fließt. Dazu ist es erforderlich, die Bewegungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Kreislauf zu bestimmen, die gleich dem Verhältnis des Volumenstroms zur Querschnittsfläche des inneren Rohrdurchgangs ist. Wenn die Geschwindigkeit relativ zum Massenstrom berechnet wird, muss der Wert der Kühlmitteldichte zum Nenner addiert werden:

V = G / (& Dgr; F)

• V – Bewegungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, m / s
• G – Kühlmitteldurchfluss, kg / s
• ? – die Dichte des Kühlmittels, für Wasser können Sie 1000 kg / m nehmen³
• f – Querschnittsfläche des Rohres, ergibt sich aus der Formel ?­R.², Dabei ist r der Innendurchmesser des Rohrs geteilt durch zwei

Die Daten zu Durchfluss und Drehzahl sind erforderlich, um die Nenngröße der Entkopplungsrohre sowie den Durchfluss und die Förderhöhe der Umwälzpumpen zu bestimmen. Zwangsumwälzvorrichtungen müssen einen Überdruck erzeugen, um den hydrodynamischen Widerstand von Rohren und Absperr- und Steuerventilen zu überwinden. Die größte Schwierigkeit ist die hydraulische Berechnung von Systemen mit natürlicher (Gravitations-) Zirkulation, für die der erforderliche Überdruck anhand der Geschwindigkeit und des Volumenexpansionsgrades des erwärmten Kühlmittels berechnet wird.

Kopf- und Druckverluste

Die Berechnung der Parameter gemäß den oben beschriebenen Verhältnissen wäre für ideale Modelle ausreichend. Im wirklichen Leben unterscheiden sich sowohl der Volumenstrom als auch die Geschwindigkeit des Kühlmittels immer von den berechneten an verschiedenen Punkten des Systems. Der Grund dafür ist der hydrodynamische Widerstand gegen die Bewegung des Kühlmittels. Dies ist auf eine Reihe von Faktoren zurückzuführen:

1. Reibungskräfte des Kühlmittels gegen die Rohrwände.
2. Lokale Strömungswiderstände durch Armaturen, Hähne, Filter, Thermostatventile und andere Armaturen.
3. Das Vorhandensein von verzweigten Verbindungs- und Verzweigungstypen.
4. Turbulente Wirbel in Ecken, Verengungen, Ausdehnungen usw..

Das Problem, den Druckabfall und die Geschwindigkeit in verschiedenen Teilen des Systems zu ermitteln, wird zu Recht als das schwierigste angesehen, da es im Bereich der Berechnungen hydrodynamischer Medien liegt. Somit werden die Reibungskräfte des Fluids gegen die Innenflächen des Rohrs durch eine logarithmische Funktion beschrieben, die die Rauheit des Materials und die kinematische Viskosität berücksichtigt. Die Berechnung turbulenter Wirbel ist noch komplizierter: Die geringste Änderung des Profils und der Form des Kanals macht jede Situation einzigartig. Um die Berechnung zu erleichtern, werden zwei Referenzfaktoren eingeführt:

1. Kvs– Charakterisierung des Durchsatzes von Rohren, Heizkörpern, Abscheidern und anderen linearen Bereichen.
2. ZU_Frau– Bestimmung des lokalen Widerstands in verschiedenen Armaturen.

Diese Faktoren werden von den Herstellern von Rohren, Ventilen, Ventilen und Filtern für jedes einzelne Produkt angegeben. Es ist ziemlich einfach, die Koeffizienten zu verwenden: Um den Druckverlust zu bestimmen, wird Kms mit dem Verhältnis des Quadrats der Bewegungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zum doppelten Wert der Erdbeschleunigung multipliziert:

?h_Frau = K._Frau (V.²/ 2g)oder ?p_Frau = K._Frau (? V.²/ 2)

• ?h_Frau – Druckverlust an lokalen Widerständen, m
• ?p_Frau – Druckverlust an lokalen Widerständen, Pa
• ZU_Frau – lokaler Widerstandskoeffizient
• g – Erdbeschleunigung 9,8 m / s²
• ? – Dichte des Kühlmittels für Wasser 1000 kg / m³

Der Druckverlust in linearen Abschnitten ist das Verhältnis der Kanalkapazität zum bekannten Kapazitätsfaktor, und das Ergebnis der Division muss auf die zweite Potenz angehoben werden:

P = (G / Kvs)²

• P – Kopfverlust, Balken
• G – die tatsächliche Durchflussmenge des Kühlmittels, m³/Stunde
• Kvs – Durchsatz, m³/Stunde

System vorab ausgleichen

Das wichtigste Endziel der hydraulischen Berechnung des Heizungssystems ist die Berechnung solcher Durchsatzwerte, bei denen eine streng dosierte Menge Kühlmittel mit einer bestimmten Temperatur in jeden Teil jedes Heizkreislaufs gelangt, wodurch die normalisierte Wärmeabgabe an den Heizgeräten sichergestellt wird. Diese Aufgabe erscheint nur auf den ersten Blick schwierig. In der Realität erfolgt der Ausgleich durch strömungsbegrenzende Regelventile. Für jedes Ventilmodell werden sowohl der Kvs-Faktor für den vollständig geöffneten Zustand als auch die Kv-Faktor-Kurve für verschiedene Öffnungsgrade der Steuerspindel angegeben. Durch Änderung des Durchsatzes der Ventile, die in der Regel an den Anschlussstellen von Heizgeräten installiert sind, kann die gewünschte Verteilung des Kühlmittels und damit die von ihm übertragene Wärmemenge erreicht werden.

Es gibt jedoch eine kleine Nuance: Wenn sich der Durchsatz an einem Punkt im System ändert, ändert sich nicht nur die tatsächliche Durchflussrate in dem betrachteten Abschnitt. Aufgrund einer Abnahme oder Zunahme des Durchflusses ändert sich das Gleichgewicht in allen anderen Kreisläufen in gewissem Maße. Wenn wir zum Beispiel zwei Heizkörper mit unterschiedlicher Wärmeleistung nehmen, die parallel zur entgegengesetzten Bewegung des Kühlmittels geschaltet sind, erhält der zweite mit einer Erhöhung des Durchsatzes des Geräts, das das erste im Kreislauf ist, aufgrund eines Anstiegs des Unterschieds im hydrodynamischen Widerstand weniger Kühlmittel. Im Gegenteil, wenn die Durchflussmenge aufgrund des Steuerventils abnimmt, erhalten alle anderen Kühler weiter unten in der Kette automatisch ein größeres Volumen des Kühlmittels und müssen zusätzlich kalibriert werden. Jede Art der Verkabelung hat ihre eigenen Ausgleichsprinzipien.

Softwaresysteme für Berechnungen

Manuelle Berechnungen sind natürlich nur für kleine Heizsysteme mit maximal einem oder zwei Stromkreisen mit jeweils 4–5 Heizkörpern gerechtfertigt. Komplexere Heizsysteme mit einer Wärmeleistung von über 30 kW erfordern einen integrierten Ansatz zur Berechnung der Hydraulik, der die Palette der verwendeten Werkzeuge weit über einen Bleistift und ein Blatt Papier hinaus erweitert.

Danfoss C.O. 3.8

Heutzutage gibt es eine ziemlich große Anzahl von Software, die von den größten Herstellern von Heizgeräten wie Valtec, Danfoss oder Herz bereitgestellt wird. In solchen Softwarepaketen wird dieselbe Methode verwendet, um das Verhalten der Hydraulik zu berechnen, das in unserem Test beschrieben wurde. Zunächst wird im visuellen Editor eine exakte Kopie des projizierten Heizsystems modelliert, für die Daten zu Wärmeleistung, Art des Wärmeträgers, Länge und Höhe der Rohrtropfen, gebrauchten Armaturen, Heizkörpern und Fußbodenheizschlangen angegeben werden. Die Programmbibliothek enthält eine breite Palette an Hydraulikgeräten und Armaturen. Für jedes Produkt hat der Hersteller die Betriebsparameter und Basiskoeffizienten vorgegeben. Falls gewünscht, können Sie Gerätebeispiele von Drittanbietern hinzufügen, wenn die erforderliche Liste von Merkmalen für diese bekannt ist.

Am Ende der Arbeit ermöglicht das Programm die Bestimmung der geeigneten Nennrohrbohrung, die Auswahl des ausreichenden Durchflusses und Drucks der Umwälzpumpen. Die Berechnung wird durch Auswuchten des Systems abgeschlossen, während bei der Simulation des Betriebs der Hydraulik die Abhängigkeiten und die Auswirkung der Änderung des Durchsatzes einer Einheit des Systems auf alle anderen berücksichtigt werden. Die Praxis zeigt, dass sich das Beherrschen und Verwenden selbst kostenpflichtiger Softwareprodukte als billiger herausstellt, als wenn die Berechnungen Vertragsspezialisten anvertraut würden..

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