Гидравлическое сопротивление контура теплых полов

Расчет гидравлического сопротивления в системе отопления.

Ниже будут реальные задачи.

Вы, конечно, можете воспользоваться специальными программами, для этого, но пользоваться программами весьма затруднительно, если вы не знаете основ гидравлики. Что касается некоторых программ, то в них не разжевываются формулы, по которым происходит гидравлический расчет. В некоторых программах не описываются некоторые особенности по разветвлению трубопроводов, и нахождению сопротивления в сложных схемах. И весьма затруднительно считать, это требует дополнительного образования и научно-технического подхода.

В этой статье я раскрываю для Вас абсолютный расчет (алгоритм) по нахождению гидравлического сопротивления.

Существуют местные гидравлические сопротивления, которые создают различные элементы систем, например: Шаровый кран, различные повороты, заужения или расширения, трайники и тому подобное. Казалось бы, с поворотами и сужениями понятно, а расширения в трубах тоже создают гидравлические сопротивления.

Протяженность прямой трубы тоже создает сопротивление движению. Вроде прямая труба без сужений, а все равно создает сопротивление движению. И чем длиннее труба, тем больше сопротивление в ней.

Эти сопротивления, хоть и отличаются, но для системы отопления они просто создают сопротивление движению, а вот формулы по нахождению этого сопротивления отличаются между собой.

Для системы отопления не важно, какое это сопротивление местное или по длине трубопровода. Это сопротивление одинаково действует на движение воды в трубопроводе.

Сопротивление будем измерять в метрах водяного столба. Также сопротивление можно обзывать как потеря напора в трубопроводе. Но только однозначно это сопротивление измеряется в метрах водяного столба, либо переводится в другие единицы измерения, например: Bar, атмосфера, Па (Паскаль) и тому подобное.

Что такое сопротивление в трубопроводе?

Чтобы понять это рассмотрим участок трубы.

Манометры, установленные на подающей и обратной ветке трубопроводов, показывают давление на подающей трубе и на обратной трубе. Разница между манометрами показывает перепад давления между двумя точками до насоса и после насоса.

Для примера предположим, что на подающем трубопроводе (справа) стрелка манометра указывает на 2,3 Bar, а на обратном трубопроводе (слева) стрелка манометра показывает 0,9 Bar. Это означает, что перепад давления составляет:

Величину Bar переводим в метры водяного столба, оно составляет 14 метров.

Очень важно понять, что перепад давления, напор насоса и сопротивление в трубе — это величины, которые измеряются давлением (Метрами водяного столба, Bar, Па и т.д.)

В данном случае, как указано на изображение с манометрами, разница на манометрах показывает не только перепад давления между двумя точками, но и напор насоса в данном конкретном времени, а также показывает сопротивление в трубопроводе со всеми элементами, встречающимися на пути трубопровода.

Другими словами, сопротивление системы отопления это и есть перепад давления в пути трубопровода. Насос создает этот перепад давления.

Устанавливая манометры на две разные точки, можно будет находить потери напора в разных точках трубопровода, на которые Вы установите манометры.

На стадии проектирования нет возможности создавать похожие развязки и устанавливать на них манометры, а если имеется такая возможность, то она очень затратная. Для точного расчета перепада давления манометры должны быть установлены на одинаковые трубопроводы, то есть исключить в них разность диаметров и исключить разность направление движения жидкости. Также манометры не должны быть на разных высотах от уровня горизонта.

Ученые приготовили для нас полезные формулы, которые помогают находить потери напора теоретическим способом, не прибегая к практическим проверкам.

Разберем сопротивление водяного теплого пола. Смотри изображение.

Труба металлопластиковая 16мм, внутренний диаметр 12мм.
длина трубы 40 м.
По условию обогрева, расход в контуре должен быть 1,6 л/мин
Поворотов 90 градусов соответствует: 30 шт.
Температура теплоносителя (воды): 40 градусов Цельсия.

Для решения данной задачи были использованы следующие материалы:

Первым делом находим скорость течения в трубе.

Q= 1,6 л/мин = 0,096 м 3 /ч = 0,000026666 м 3 /сек.

V = (4•0,000026666)/(3,14•0,012•0,012)=0,24 м/с

Находим число Рейнольдса

ν=0,65•10 -6 =0,00000065. Взято из таблицы. Для воды при температуре 40°С.

Δэ=0,01мм=0,00001м. Взято из таблицы, для металлопластиковой трубы.

Далее сверяемся по таблице, где находим формулу по нахождению коэффициента гидравлического трения.

У меня попадает на первую область при условии

4000 0,25 = 0,3164/4430 0,25 = 0,039

Далее завершаем формулой:

h=λ•(L•V 2 )/(D•2•g)= 0,039•(40•0,24•0,24)/(0,012•2•9,81)= 0,38 м.

Находим сопротивление на поворотах

h=ζ•(V 2 )/2•9,81=(0,31•0,24 2 )/( 2•9,81)= 0,00091 м.

Данное число умножаем на количество поворотов 90 градусов

В итоге полное сопротивление уложенной трубы составляет: 0,38+0,0273=0,4 м.

Теория о местном сопротивление

Хочу подметить процесс вычисления местных сопротивлений на поворотах и различных расширений и сужений в трубопроводе.

Потеря напора на местном сопротивление находится по этой формуле:

h-потеря напора здесь она измеряется в метрах.
ζ-Это коэффициент сопротивления, он будет находиться дополнительными формулами, о которых напишу ниже.
V — скорость потока жидкости. Измеряется [Метр/секунда].
g — ускорение свободного падения равен 9,81 м/с 2

В этой формуле меняется только коэффициент местного сопротивления, коэффициент местного сопротивления для каждого элемента свой.

Подробнее о нахождение коэффициента

Обычный отвод в 90 градусов.

Коэффициент местного сопротивления составляет примерно единице.

Формула для других углов:

Постепенный или плавный поворот трубы

Постепенный поворот трубы (отвод или закруглённое колено) значительно уменьшает гидравлическое сопротивление. Величина потерь существенно зависит от отношения R/d и угла α.

Коэффициент местного сопротивления для плавного поворота можно определить по экспериментальным формулам. Для поворота под углом 90° и R/d>1 он равен:

для угла поворота более 100°

Для угла поворота менее 70°

Для теплого пола, поворот трубы в 90° составляет: 0,31-0,51

где n степень сужения трубы.

ω1, ω2 — сечение внутреннего прохода трубы.

В формулу вставляется скорость течения в трубе с малым диаметром.

Также существуют и плавные расширения и сужения, но в них сопротивление потоку уже значительно ниже.

Внезапное расширение и сужение встречается очень часто, например, при входе в радиатор получается внезапное расширение, а при уходе жидкости из радиатора внезапное сужение. Также внезапное расширение и сужение наблюдается в гидрострелках и коллекторах.

Более детально о разветвлениях поговорим в других статьях.

Находим сопротивление для радиаторной системы отопления. Смотри изображение.

Труба металлопластиковая 16мм, внутренний диаметр 12мм.
Длина трубы 5 м.
По условию обогрева, расход в контуре радиатора должен быть 2 л/мин
Плавных поворотов 90 градусов соответствует: 2 шт.
Отводов 90 градусов: 2шт.
Внезапное расширение на входе в радиатор: 1шт.
Внезапное сужение на выходе из радиатора: 1шт.
Температура теплоносителя (воды): 60 градусов Цельсия.

Для начала посчитаем сопротивление по длине трубопровода.

Первым делом находим скорость течения в трубе.

Q= 2 л/мин = 0,096 м 3 /ч = 0,000033333 м 3 /сек.

V = (4•0,000033333)/(3,14•0,012•0,012)=0,29 м/с

Находим число Рейнольдса

ν=0,65•10 -6 =0,000000475. Взято из таблицы. Для воды при температуре 60°С.

Δэ=0,01мм=0,00001м. Взято из таблицы, для металлопластиковой трубы.

Далее сверяемся по таблице, где находим формулу по нахождению коэффициента гидравлического трения. У меня попадает на первую область при условии

4000 0,25 = 0,3164/7326 0,25 = 0,034

Далее завершаем формулой:

h=λ•(L•V 2 )/(D•2•g)= 0,034•(5•0,29•0,29)/(0,012•2•9,81)= 0,06 м.

Находим сопротивление на плавном повороте

h=ζ•(V 2 )/2•9,81=(0,31•0,292)/( 2•9,81)= 0,0013 м.

Данное число умножаем на количество поворотов 90 градусов

Находим сопротивление на коленном (прямом 90°) повороте

Там, где имеется сужение и расширение — это тоже будет являться гидравлическим сопротивлением. Я не стану считать сужение и расширение на металлопластиковых фитингах, так как далее мы все равно затронем эту тему. Потом сами посчитаете.

h=ζ•(V 2 )/2•9,81=(2•0,292)/( 2•9,81)= 0,0086 м.

Данное число умножаем на количество поворотов 90 градусов

Находим сопротивление на входе в радиатор.

Вход в радиатор — это ни что иное как расширение трубопровода, поэтому коэффициент местного сопротивления будем находить для трубы идущий на резкое расширение.

Минимальный диаметр примем за 15мм, а максимальный диаметр у радиатора примем за 25мм.

Находим площадь сечения двух разных диаметров:

ω₁ = π • D 2 /4 = 3.14 • 15 2 / 4 = 177 мм 2

ω₂ = π • D 2 /4 = 3.14 • 25 2 / 4 = 491 мм 2

h=ζ•(V 2 )/2•9,81=(0,41•0,19 2 )/( 2•9,81)= 0,00075 м.

Находим сопротивление на выходе из радиатора.

Выход из радиатора — это ни что иное как сужение трубопровода, поэтому коэффициент местного сопротивления будем находить для трубы идущий на резкое сужение.

Площади уже известны

ω₂ = π • D 2 /4 = 3.14 • 15 2 / 4 = 177 мм 2

ω₁ = π • D 2 /4 = 3.14 • 25 2 / 4 = 491 мм 2

h=ζ•(V 2 )/2•9,81=(0,32•0,19 2 )/( 2•9,81)= 0,00059 м.

Далее все потери складываются, если эти потери идут последовательно друг для друга.

Чтобы в ручную не считать всю математику я приготовил специальную программу:

Статья № 9.1 Как рассчитать гидравлическое сопротивление,каждой петли теплого пола.

Расчет водяного теплого пола с точки зрения систем укладки труб и с точки зрения расчета гидравлического сопротивления, соответственно балансировки всей системы водяного теплого пола.

Есть три основные типа укладки труб теплого пола -: Рис № 1 – улитка, Рис № 2 – змейка и Рис № 3 – двойная змейка. Какой из них лучше? Каждый имеет право на применение в зависимости от обстоятельств.

Красная часть трубы, половина длинны трубы, принимается за горячую.,

Синяя часть трубы, вторая половина длинны трубы, за холодную.

Главное требование с точки зрения работоспособности системы водяного «Теплого пола» это

потеря давления или гидравлическое потери одной петли не должно превышать 20 000 Па

( 20 Кпа, 0.2 Бар, 0.02 Мпа).

Максимальная длинна петли теплого пола не должна превышать для трубы 16х2 – 100 метров(желательно – 80 м ) для трубы 20х2 ― 140 метров (желательно 120 м).

При соблюдении этих правила не возникает опасности появления «запорной петли». Когда увеличение мощности насоса пропорционально увеличивает гидравлические потери, которые требуют большей мощности насоса и т.д.

Без : формул, но достаточно точно +/- 10 %, можно посчитать гидравлические потери в каждой петле «Теплого пола». Весь расчет строиться:

1. На скорости теплоносителя внутри трубы (при его температуре 30 гр. С) – примем ее максимальную для трубы 16 х 2 – 0.35 м/сек. и для трубы 20 х 2 – 0.2 м/сек. , т.е. при этих скоростях расход воды ( кг/ сек. )у этих труб будет примерно одинаковым. Эту скорость можно контролировать по расходомерам, установленным на гребенке «Теплого пола», на каждой петле.

2. На гидравлических потерях , при этой скорости и температуре теплоносителя, 1 метра прямого участка трубы: для трубы 16х2 –160 Па, для трубы 20х2 ― 50 Па.

3. На гидравлических потерях, при этой скорости и температуре теплоносителя, на каждом повороте трубы составит :

На поворот 90 гр. для трубы 16х2 – 35 Па, 20х2 ― 20 Па.

..На поворот на 180 гр. для трубы 16х2 ― 70 Па, для трубы 20 х 3 -40 Па.

Теперь каждый может посчитать, какие гидравлические потери будут в каждой петле теплого пола..

Приведу пример расчета Рис № 1. Условие ― труба 16х2 , длинна петли 80 метров. Шаг ( расстояние между трубами в петле теплого пола) не влияет на расчёты, но выше приведенные условия рассчитаны для среднего шага 150 мм. .

1. Определяем гидравлические потери в трубе, разложенной по прямой линии 80 метров х 160 Па = 16 000Па.

2. Считаем количество углов по 90 гр и по 180 гр. в нашей схеме Рис № 1 получается 18 углов по 90 гр. и 2 угла по 180 гр.

3. Определяем гидравлические потери на углах 90 гр. 18 углов х 35 Па = 630 Па. и 2 угла по 180 гр. – 2 угла х 70 Па.= 140 Па.

4. Суммируем все потери 16 000 Па + 630 Па + 140 Па = 16 770 Па

основные условия для этой петли выполнены: меньше 20 000 Па. и меньше 100 метров длинна петли

Эти расчеты важны для балансировки петель «Теплого пола» , подключенных к одной гребенке, для его нормальной работы , т. к . для одной гребенки т надо стараться сделать так, чтобы гидравлические потери самой длинной петли и самой короткой петли отличались примерно не более чем на 25- 30 % и чем меньше отличие тем лучше .

И теперь вернемся к вопросу схем укладки трубы представленных на рис 1,2,3.

Схема укладки Рис № 2 «двойной змейки» имеет примерно на !0 % большее гидравлические потери, при одних и тех же условиях работы, чем схема на Рис № 1-« улитка». Значит, петлю с меньшей длиной лучше уложить « двойной змейкой», чтобы увеличить гидравлические потери петли и приблизить их к гидравлическим потерям самой длинной петли, а самую длинную петлю возможно лучше уложить трубой 20 х 2 ,чтобы снизить гидравлические потери в этой петле и приблизить их к самой короткой. Так манипулируя схемами укладки и диаметром труб можно уменьшить разброс гидравлических потерь в петлях Теплого пола, подключенных к одной гребенке.

Правильно рассчитанный водяной теплый пол это полови условия длительной нормальной его работы .

Второе и самое важное условие это выбрать правильный тип труб для изготовления и качество этих труб должно соответствовать Европейским стандартам :

Вы открыли сайт компании ООО «Стандарт полимер». производителя металлопластиковых труб для отопления, водоснабжения и теплого пола в РБ . Запрос, «водяной теплый пол», по которому Вы зашли на наш сайт предполагает, что Вы находитесь, как нам кажется, в стадии принятия решения ― создания на Своем объекте водяного теплого пола

Ниже представленную информацию Вам представляет директор компании ― ООО «Стандарт полимер» ― Амельченко Валентин Павлович. Компания, в г. Минске, производит металлопластиковые трубы и пресс фитинги для них. Автор этой публикации внес дополнения и изменения в СТБ 1908 -2008 с изменением №1.

Автор этой публикации так же хорошо знаком с теории полимерных материалов , физико – химических свойствах этих материалов, особенно такого полимерного материала , как полиэтилен. На основании этого считаю, что могу дать компетентную информацию посетителю нашего сайта.

. Главным элемент ом водяного теплого пола является труба, которую Вы примените для его создания. От этого элемента (трубы) зависит, сколько лет этот водяной теплый пол, без проблем, будет работать ― .5 или 50 лет. 50 лет работы водяного теплого пола могут обеспечить только два типа труб:

1. Мягкая (отожженная) медная труба. .В виду высокой стоимости медной трубы, Мы ее рассматривать не будем.

2. Металлопластиковая труба.

Если в первом варианте ― медная труба, приобрести не качественную медную трубу практически исключается, то с металлопластиковыми трубами все с точностью наоборот. Металлопластиковые трубы, представленные на рынке РБ, которые действительно проработают минимум 50 лет, в системе водяного теплого пола, представлены крайне не достаточно и причин этого крайне много. Перечисление всех их, в данной статье, займет много времени. Кого из наших читателей интересуют более подробная информация по этой проблеме, смотрите на нашем сайте в разделе «Новые статьи» статью 2.2 и другие статьи с индексом 2,3 и 4.

Остановлюсь только на основном требовании к металлопластиковой трубе, которое гарантирует работу этой трубы во внутренних системах отопления, водоснабжения и теплый пол для зданий и сооружений. Эту гарантию дают только полимерные материалы, которые применяются производителем металлопластиковых труб, для их производства. Требования к этим материалам должно соответствовать Европейским стандартам ISO на этот вид изделий:

Приведу только один пример – полимерные материалы, для металлопластиковой трубы с аббревиатурой PE — RT / AL / PE — RT и гарантией работы 50 лет делает, пока, только один производитель в мире это Corp . «DOW Chemical» USA ( крупнейший мировой химический концерн -70 000 работающих) изготавливающая « термостойкий полиэтилен PE-RT» под маркой Dowlex 2344 или 2388. Эта компания придумала этот материал и запатентовала его. Соответственно, МП трубы с аббревиатурой PE-RT/AL/ PE-RT соответствующая стандарту ISO 22391 должна быть изготовлена только из этого материала Dowlex 2344 или 2388. Комментарий к таблице:

К примеру ― металлопластиковая труба с аббревиатурой PE-RT/AL/ PE-RT, размер 1 6 х 2 , при постоянной работе с температурой теплоносителя протекающего внутри трубы равного 110 гр. С и постоянным давлением в трубе 6.5 Бар,. изготовленной из полимерного материала Dowlex 2344 прослужит 1.55 года, из Dowlex 2388 прослужит 1.47 года . Требование , Европейского стандарта ISO 22391( » Ke factor «) к выше приведенным параметрам работы трубы составит 1 год.

В тоже время, эта металлопластиковая труба, но с температурой теплоносителя 70 гр. С и давлением 6.5 Бар, из полимерного материала Dowlex 2344 прослужит- 77.29 года, из Dowlex 2388 -73.29 года . Требование , Европейского стандарта ISO 22391( » Ke factor «) к этим условиям работы трубы должен составлять 50 лет.

Колонка » Ke factor » это требование Европейского стандарта ISO 22391 в годах. к сроку службы трубы из PE-RT

Все производители металлопластиковых труб, как очень известные, так и никому не известные, изготавливающие свои трубы с аббревиатурой PE-RT/AL/ PE-RT из выше названного полимерного материала будут однозначно работать минимум 50 лет. Наш читатель, конечно понимает, что любой качественный продукт стоит не дешево. Соответственно, металлопластиковые трубы, сделанные из этих полимерных материалов, стоят не дешево. Приведу пример, проверенных нами на качество, металлопластиковых труб немецкого производителя компании « Oventrop », его труба достаточно широко представлена на рынке РБ. Цена на их трубы очень высокая и конкурировать по цене на рынке РБ ей крайне сложно, а вот по качеству своей продукции она на первых местах на этом рынке. Ведь цену видит каждый покупатель, а качество металлопластиковых трубы. по внешнему виду не видно, они все примерно одинаковы. Доказывать покупателю, что цена на продукцию соответствует ее качеству, всегда крайне сложно, ведь проверить качество труб покупатель сможет в процессе их эксплуатации, а. гарантия на этот тип продукции в РБ составляет 3 года.

Компания ООО «Стандарт полимер» с полной уверенностью маркирует свою металлопластиковую трубу сроком гарантии работы трубы 50 лет и более, т.к это гарантирует производитель полимерного материала из которого изготавливается труба.

Компания ООО «Стандарт полимер» с полной уверенностью маркирует свою металлопластиковую трубу сроком гарантии работы трубы 50 лет и более.