Calcul hydraulique d'un système de chauffage monotube et bitube avec formules, tableaux et exemples
La rentabilité du confort thermique dans la maison est assurée par le calcul de l'hydraulique, son installation de haute qualité et son bon fonctionnement. Les principaux composants du système de chauffage sont une source de chaleur (chaudière), une conduite de chaleur (tuyaux) et des dispositifs de transfert de chaleur (radiateurs). Pour un apport de chaleur efficace, il est nécessaire de maintenir les paramètres initiaux du système à n'importe quelle charge, quelle que soit la saison.
Avant de commencer les calculs hydrauliques, effectuez :
- Collecte et traitement d'informations sur l'objet afin de :
- déterminer la quantité de chaleur requise;
- choix du régime de chauffage.
- Calcul thermique du système de chauffage avec justification :
- volumes d'énergie thermique;
- charges;
- perte de chaleur.
Si le chauffage de l'eau est reconnu comme la meilleure option, un calcul hydraulique est effectué.
Pour calculer l'hydraulique à l'aide de programmes, une connaissance de la théorie et des lois de résistance est nécessaire. Si les formules ci-dessous vous semblent difficiles à comprendre, vous pouvez choisir les options que nous proposons dans chacun des programmes.
Les calculs ont été effectués dans le programme Excel. Le résultat final peut être vu à la fin des instructions.
Détermination du nombre de points de contrôle des gaz de fracturation hydraulique
Les points de contrôle du gaz sont conçus pour réduire la pression du gaz et la maintenir à un niveau donné, quel que soit le débit.
Avec une consommation estimée connue de combustible gazeux, la commune détermine le nombre de fracturations hydrauliques, en fonction de la performance optimale de fracturation hydraulique (V=1500-2000 m3/heure) selon la formule :
n = , (27)
où n est le nombre de fracturations hydrauliques, pcs. ;
VR — consommation de gaz estimée par le quartier de la ville, m3/heure ;
Vde gros — productivité optimale de la fracturation hydraulique, m3/heure ;
n=586.751/1950=3.008 pièces.
Après avoir déterminé le nombre de stations de fracturation hydraulique, leur emplacement est prévu sur le plan général du quartier de la ville, en les installant au centre de la zone gazéifiée sur le territoire des quartiers.
Aperçu du programme
Pour la commodité des calculs, des programmes de calcul hydraulique amateur et professionnel sont utilisés.
Le plus populaire est Excel.
Vous pouvez utiliser le calcul en ligne dans Excel Online, CombiMix 1.0 ou le calculateur hydraulique en ligne. Le programme stationnaire est sélectionné en tenant compte des exigences du projet.
La principale difficulté à travailler avec de tels programmes est l'ignorance des bases de l'hydraulique. Dans certains d'entre eux, il n'y a pas de décodage des formules, les caractéristiques de branchement des pipelines et le calcul des résistances dans les circuits complexes ne sont pas pris en compte.
- HERZ C.O. 3.5 - effectue un calcul selon la méthode des pertes de charge linéaires spécifiques.
- DanfossCO et OvertopCO peuvent compter les systèmes de circulation naturelle.
- "Flow" (Flow) - vous permet d'appliquer la méthode de calcul avec une différence de température variable (glissante) le long des colonnes montantes.
Vous devez spécifier les paramètres d'entrée de données pour la température - Kelvin / Celsius.
Qu'est-ce que le calcul hydraulique
Il s'agit de la troisième étape du processus de création d'un réseau de chaleur. C'est un système de calculs qui permet de déterminer :
- diamètre et débit des tuyaux ;
- les pertes de charge locales dans les zones ;
- exigences d'équilibrage hydraulique ;
- les pertes de pression à l'échelle du système ;
- débit d'eau optimal.
Selon les données obtenues, la sélection des pompes est effectuée.
Pour les logements saisonniers, en l'absence d'électricité, un système de chauffage avec circulation naturelle du liquide de refroidissement convient (lien vers la revue).
L'objectif principal du calcul hydraulique est de s'assurer que les coûts calculés pour les éléments du circuit coïncident avec les coûts réels (d'exploitation). La quantité de liquide de refroidissement entrant dans les radiateurs doit créer un bilan thermique à l'intérieur de la maison, en tenant compte des températures extérieures et de celles fixées par l'utilisateur pour chaque pièce en fonction de sa destination fonctionnelle (sous-sol +5, chambre +18, etc.).
Tâches complexes - minimisation des coûts :
- capital - installation de tuyaux de diamètre et de qualité optimaux;
- opérationnel:
- dépendance de la consommation d'énergie à la résistance hydraulique du système ;
- stabilité et fiabilité;
- silence.
Le remplacement du mode d'apport de chaleur centralisé par un mode individuel simplifie la méthode de calcul
Pour le mode autonome, 4 méthodes de calcul hydraulique du système de chauffage sont applicables :
- par des pertes spécifiques (calcul standard du diamètre du tuyau) ;
- par des longueurs réduites à un équivalent ;
- selon les caractéristiques de conductivité et de résistance ;
- comparaison des pressions dynamiques.
Les deux premières méthodes sont utilisées avec une chute de température constante dans le réseau.
Les deux derniers permettront de distribuer l'eau chaude aux couronnes du système si la baisse de température dans le réseau ne correspond plus à la baisse des colonnes montantes/branches.
Vue d'ensemble des programmes de calculs hydrauliques
Exemple de programme pour le calcul du chauffage
En fait, tout calcul hydraulique des systèmes de chauffage de l'eau est une tâche d'ingénierie complexe. Pour le résoudre, un certain nombre de progiciels ont été développés qui simplifient la mise en œuvre de cette procédure.
Vous pouvez essayer de faire un calcul hydraulique du système de chauffage dans le shell Excel, en utilisant des formules toutes faites. Cependant, les problèmes suivants peuvent survenir :
- Grosse erreur. Dans la plupart des cas, les schémas monotubes ou bitubes sont pris comme exemple de calcul hydraulique d'un système de chauffage. Trouver de tels calculs pour le collecteur est problématique;
- Pour tenir compte correctement de la résistance hydraulique du pipeline, des données de référence sont nécessaires, qui ne sont pas disponibles dans le formulaire. Ils doivent être recherchés et saisis en plus.
Compte tenu de ces facteurs, les experts recommandent d'utiliser des programmes pour le calcul. La plupart d'entre eux sont payants, mais certains ont une version de démonstration avec des fonctionnalités limitées.
Oventrop CO
Programme de calcul hydraulique
Le programme le plus simple et le plus compréhensible pour le calcul hydraulique du système d'alimentation en chaleur. Une interface intuitive et des paramètres flexibles vous aideront à gérer rapidement les nuances de la saisie de données. Des problèmes mineurs peuvent survenir lors de la configuration initiale du complexe. Il sera nécessaire de saisir tous les paramètres du système, en commençant par le matériau du tuyau et en terminant par l'emplacement des éléments chauffants.
Il se caractérise par la flexibilité des réglages, la possibilité d'effectuer un calcul hydraulique simplifié du chauffage à la fois pour un nouveau système d'alimentation en chaleur et pour la mise à niveau d'un ancien. Diffère des analogues dans une interface graphique pratique.
Instal-Therm HCR
Le progiciel est conçu pour la résistance hydraulique professionnelle du système d'alimentation en chaleur. La version gratuite a de nombreuses limitations. Portée - conception du chauffage dans les grands bâtiments publics et industriels.
En pratique, pour l'alimentation en chaleur autonome des maisons et appartements privés, le calcul hydraulique n'est pas toujours effectué. Cependant, cela peut entraîner une détérioration du fonctionnement du système de chauffage et la défaillance rapide de ses éléments - radiateurs, tuyaux et chaudière. Pour éviter cela, il est nécessaire de calculer les paramètres du système en temps opportun et de les comparer avec les paramètres réels afin d'optimiser davantage le fonctionnement du chauffage.
Un exemple de calcul hydraulique d'un système de chauffage :
Calcul hydraulique de vérification de la branche du gazoduc
But du calcul : Vérification de la pression à l'entrée de la station de distribution de gaz.
Donnée initiale:
tableau
|
Débit, qday, millions de m3/jour |
8,4 |
|
Pression initiale de la section du gazoduc, Рn , MPa |
2,0 |
|
Pression finale de la section du gazoduc, Рк , MPa |
1,68 |
|
Longueur du tronçon de gazoduc, L, km |
5,3 |
|
Diamètre de la section du gazoduc, dn x, mm |
530 × 11 |
|
Température annuelle moyenne du sol à la profondeur du gazoduc, tgr, 0C |
11 |
|
Température du gaz au début de la section du gazoduc, tn, 0C |
21 |
|
Coefficient de transfert de chaleur du gaz au sol, k, W / (m20С) |
1,5 |
|
Capacité calorifique du gaz, cf, kcal/(kg°С) |
0,6 |
|
Composition du gaz |
Tableau 1 — Composition et principaux paramètres des composants gazeux du champ d'Orenbourg
|
Composant |
Formule chimique |
Concentration en fractions d'unité |
Masse molaire, kg/kmol |
Température critique, K |
Pression critique, MPa |
Viscosité dynamique, kgf s/m2x10-7 |
|
Méthane |
CH4 |
0,927 |
16,043 |
190,5 |
4,49 |
10,3 |
|
Éthane |
C2H6 |
0,022 |
30,070 |
306 |
4,77 |
8,6 |
|
Propane |
С3Н8 |
0,008 |
44,097 |
369 |
4,26 |
7,5 |
|
Butane |
С4Н10 |
0,022 |
58,124 |
425 |
3,5 |
6,9 |
|
Pentane |
C5H12 |
0,021 |
72,151 |
470,2 |
3,24 |
6,2 |
Pour effectuer un calcul hydraulique, on calcule d'abord les principaux paramètres du mélange gazeux.
Déterminer le poids moléculaire du mélange gazeux, M cm, kg / kmol
où а1, а2, аn — concentration volumétrique, fractions d'unités, ;
M1, M2, Mn sont les masses molaires des composants, kg/kmol, .
Mcm = 0,927 16,043 + 0,022 30,070 + 0,008 44,097 + 0,022 58,124 +
+ 0,021 72,151 = 18,68 kg/kmol
Nous déterminons la densité du mélange de gaz, s, kg / m3,
où M cm est le poids moléculaire, kg/mol ;
22,414 est le volume de 1 kilomole (nombre d'Avogadro), m3/kmol.
Nous déterminons la densité du mélange gazeux dans l'air, D,
où est la densité du gaz, kg/m3 ;
1,293 est la masse volumique de l'air sec, kg/m3.
Déterminer la viscosité dynamique du mélange gazeux, cm, kgf s/m2
où 1, 2, n, est la viscosité dynamique des composants du mélange gazeux, kgf s/m2, ;
Nous déterminons les paramètres critiques du mélange gazeux, Tcr.cm. , À
où Тcr1, Тcr2, Тcrn — température critique des composants du mélange gazeux, K, ;
où Pcr1, Pcr2, Pcrn sont la pression critique des composants du mélange, MPa, ;
Nous déterminons la pression de gaz moyenne dans la section du gazoduc, Рav, MPa
où Рн est la pression initiale dans la section du gazoduc, MPa ;
Pk est la pression finale dans la section du gazoduc, MPa.
Nous déterminons la température moyenne du gaz sur la longueur de la section calculée du gazoduc, tav, ° С,
où tn est la température du gaz au début de la section de calcul, °C ;
dn est le diamètre extérieur de la section du gazoduc, en mm;
l est la longueur du tronçon de gazoduc, km;
qday est la capacité de débit du tronçon de gazoduc, en millions de m3/jour ;
est la densité relative du gaz dans l'air;
Cp est la capacité calorifique du gaz, kcal/(kg°C) ;
k- coefficient de transfert de chaleur du gaz au sol, kcal/(m2h°С);
e est la base du logarithme naturel, e = 2,718.
On détermine la température et la pression réduites du gaz, Tpr et Rpr,
où Rsr. et Tsr. sont la pression et la température moyennes du gaz, MPa et K, respectivement ;
Rcr.cm et Tcr.cm. sont la pression critique et la température du gaz, MPa et K, respectivement.
Nous déterminons le coefficient de compressibilité du gaz selon le nomogramme en fonction de Ppr et Tpr.
Z=0.9
Pour déterminer la capacité de débit d'un gazoduc ou de sa section en régime permanent de transport de gaz, sans tenir compte du relief du parcours, utilisez la formule, q, million de m3 / jour,
où din est le diamètre interne du gazoduc, mm;
Рн et Рк - pressions initiale et finale de la section de gazoduc, respectivement, kgf/cm2 ;
l est le coefficient de résistance hydraulique (tenant compte des résistances locales le long du tracé du gazoduc : frottements, piquages, transitions, etc.). Il est permis de prendre 5% de plus que ltr;
D est la densité relative du gaz dans l'air ;
Тav est la température moyenne du gaz, K;
? — longueur de la section du gazoduc, km ;
W est le facteur de compressibilité du gaz ;
A partir de la formule (4.13) on exprime Рк, , kgf/cm2,
Le calcul hydraulique est effectué dans l'ordre suivant. Déterminer le nombre de Reynolds, Re,
où qday est la capacité journalière de débit du tronçon de gazoduc, en millions de m3/jour ;
din est le diamètre interne du gazoduc, mm;
est la densité relative du gaz;
— viscosité dynamique du gaz naturel ; kgf s/m2 ;
Depuis Re >> 4000, le mode de déplacement du gaz à travers le gazoduc est turbulent, zone quadratique.
Le coefficient de résistance au frottement pour tous les régimes d'écoulement de gaz est déterminé par la formule, ltr ,
où EC est la rugosité équivalente (hauteur des saillies qui créent une résistance au mouvement des gaz), EC = 0,06 mm
Nous déterminons le coefficient de résistance hydraulique de la section de gazoduc, en tenant compte de ses résistances locales moyennes, l,
où E est le coefficient de rendement hydraulique, E = 0,95.
Selon la formule (4.14), nous déterminons la pression à la fin de la section de gazoduc.
Conclusion : La valeur de pression obtenue correspond à la valeur opérationnelle à la dernière section du gazoduc.
Calcul de l'hydraulique du système de chauffage
Nous avons besoin des données du calcul thermique des locaux et du schéma axonométrique.
Étape 1 : compter le diamètre du tuyau
Comme données initiales, des résultats de calcul thermique économiquement justifiés sont utilisés :
1a. La différence optimale entre le liquide de refroidissement chaud (tg) et refroidi (to) pour un système à deux tuyaux est de 20º
1b. Débit de liquide de refroidissement G, kg/heure — pour un système monotube.
2. La vitesse optimale du liquide de refroidissement est de ν 0,3-0,7 m/s.
Plus le diamètre intérieur des tuyaux est petit, plus la vitesse est élevée. Atteignant 0,6 m/s, le mouvement de l'eau commence à s'accompagner de bruit dans le système.
3. Débit calorifique calculé - Q, W.
Exprime la quantité de chaleur (W, J) transférée par seconde (unité de temps τ) :
Formule de calcul du débit de chaleur
4. Densité estimée de l'eau : ρ = 971,8 kg/m3 à tav = 80 °С
5. Paramètres du tracé :
- consommation d'énergie - 1 kW par 30 m³
- réserve de puissance thermique - 20%
- volume de la chambre : 18 * 2,7 = 48,6 m³
- consommation électrique : 48,6 / 30 = 1,62 kW
- marge de gel : 1,62 * 20 % = 0,324 kW
- puissance totale : 1,62 + 0,324 = 1,944 kW
Nous trouvons la valeur Q la plus proche dans le tableau :
Nous obtenons l'intervalle du diamètre intérieur : 8-10 mm. Terrain : 3-4. Longueur du terrain : 2,8 mètres.
Etape 2 : calcul des résistances locales
Pour déterminer le matériau du tuyau, il est nécessaire de comparer les indicateurs de leur résistance hydraulique dans toutes les parties du système de chauffage.
Facteurs de résistance :
Tuyaux de chauffage
- dans le tuyau lui-même :
- rugosité;
- lieu de rétrécissement / expansion du diamètre;
- tour;
- longueur.
- dans les connexions :
- tee;
- robinet à tournant sphérique ;
- dispositifs d'équilibrage.
La section calculée est un tuyau de diamètre constant avec un débit d'eau constant correspondant au bilan thermique de conception de la pièce.
Pour déterminer les pertes, des données sont prises en tenant compte de la résistance dans les vannes de régulation :
- longueur du tuyau dans la section de conception / l, m;
- diamètre du tuyau de la section calculée / d, mm;
- vitesse supposée du liquide de refroidissement/u, m/s ;
- données de la vanne de régulation du fabricant ;
- donnée de référence:
- coefficient de frottement/λ ;
- pertes par frottement/∆Рl, Pa ;
- densité liquide calculée/ρ = 971,8 kg/m3 ;
- Spécifications du produit:
- rugosité équivalente du tube/ke mm ;
- épaisseur de paroi du tuyau/dн×δ, mm.
Pour les matériaux ayant des valeurs de ke similaires, les fabricants fournissent la valeur de la perte de charge spécifique R, Pa/m pour toute la gamme de tuyaux.
Pour déterminer indépendamment les pertes par frottement spécifiques / R, Pa / m, il suffit de connaître le d extérieur du tuyau, l'épaisseur de paroi / dn × δ, mm et le débit d'alimentation en eau / W, m / s (ou débit d'eau / G , kg/h).
Pour rechercher la résistance hydraulique / ΔP dans une section du réseau, nous substituons les données dans la formule de Darcy-Weisbach :
Étape 3 : équilibrage hydraulique
Pour équilibrer les pertes de charge, vous aurez besoin de vannes d'arrêt et de régulation.
- charge de conception (débit massique du liquide de refroidissement - eau ou liquide à faible congélation pour les systèmes de chauffage);
- données des fabricants de tuyaux sur la résistance dynamique spécifique / A, Pa / (kg / h) ² ;
- caractéristiques techniques des raccords.
- le nombre de résistances locales dans la région.
Tâche. égaliser les pertes hydrauliques dans le réseau.
Dans le calcul hydraulique de chaque vanne, les caractéristiques d'installation (montage, perte de charge, débit) sont précisées. En fonction des caractéristiques de résistance, les coefficients de fuite dans chaque colonne montante puis dans chaque appareil sont déterminés.
Fragment des caractéristiques d'usine de la vanne papillon
Choisissons pour les calculs la méthode des caractéristiques de résistance S,Pa/(kg/h)².
Les pertes de charge / ∆P, Pa sont directement proportionnelles au carré du débit d'eau dans la zone / G, kg / h :
- ξpr est le coefficient réduit pour les résistances locales de section ;
- A est la pression spécifique dynamique, Pa/(kg/h)².
La pression spécifique est la pression dynamique qui se produit à un débit massique de 1 kg/h de liquide de refroidissement dans une conduite d'un diamètre donné (les informations sont fournies par le fabricant).
Σξ est le terme des coefficients des résistances locales dans la section.
Coefficient réduit :
Étape 4 : Détermination des pertes
La résistance hydraulique dans la boucle de circulation principale est représentée par la somme des pertes de ses éléments :
- circuit primaire/ΔPIk ;
- systèmes locaux/ΔPm ;
- générateur de chaleur/ΔPtg ;
- échangeur de chaleur/ΔPto.
La somme des valeurs nous donne la résistance hydraulique du système / ΔPco :
Calcul hydraulique du gazoduc intershop
La capacité de débit des gazoducs doit être déduite des conditions de création, à la perte de charge de gaz maximale admissible, du système le plus économique et le plus fiable en fonctionnement, garantissant la stabilité du fonctionnement des unités de fracturation hydraulique et de contrôle du gaz (GRU), comme ainsi que le fonctionnement des brûleurs consommateurs dans des plages de pression de gaz acceptables.
Les diamètres internes estimés des gazoducs sont déterminés en fonction de la condition d'assurer un approvisionnement en gaz ininterrompu à tous les consommateurs pendant les heures de consommation maximale de gaz.
Les valeurs de la perte de pression de gaz calculée lors de la conception de gazoducs de toutes pressions pour les entreprises industrielles sont prises en fonction de la pression de gaz au point de raccordement, en tenant compte des caractéristiques techniques de l'équipement à gaz accepté pour l'installation, des dispositifs d'automatisation de la sécurité et contrôle automatique du régime technologique des unités thermiques.
La perte de charge pour les réseaux moyenne et haute pression est déterminée par la formule
où Pn est la pression absolue au début du gazoduc, MPa;
Рк – pression absolue à la fin du gazoduc, MPa;
Р0 = 0,101325 MPa ;
l est le coefficient de frottement hydraulique ;
l est la longueur estimée d'un gazoduc de diamètre constant, m;
d est le diamètre interne du gazoduc, cm;
r0 – densité du gaz dans des conditions normales, kg/m3 ;
Q0 – consommation de gaz, m3/h, dans des conditions normales ;
Pour les gazoducs externes hors sol et internes, la longueur estimée des gazoducs est déterminée par la formule
où l1 est la longueur réelle du gazoduc, m;
Sx est la somme des coefficients des résistances locales de la section du gazoduc ;
Lors d'un calcul hydraulique de gazoducs, le diamètre interne calculé du gazoduc doit être préalablement déterminé par la formule
où dp est le diamètre calculé, cm;
A, B, t, t1 - coefficients déterminés en fonction de la catégorie du réseau (par pression) et du matériau du gazoduc;
Q0 est le débit de gaz calculé, m3/h, dans des conditions normales ;
DPr - perte de pression spécifique, MPa / m, déterminée par la formule
où DPdop – perte de charge admissible, MPa/m ;
L est la distance jusqu'au point le plus éloigné, m.
où Р0 = 0,101325 MPa ;
Pt - pression de gaz moyenne (absolue) dans le réseau, MPa.
où Pn, Pk sont respectivement la pression initiale et finale dans le réseau, MPa.
Nous acceptons un système d'approvisionnement en gaz sans issue. Nous réalisons le traçage du gazoduc haute pression inter-ateliers. Nous divisons le réseau en sections distinctes. Le schéma de conception du gazoduc inter-ateliers est illustré à la figure 1.1.
Nous déterminons les pertes de charge spécifiques pour les gazoducs inter-ateliers :
Nous déterminons au préalable le diamètre interne calculé dans les sections de réseau :
Dispositifs d'échange de chaleur
L'utilisation efficace de la chaleur dans les fours rotatifs n'est possible que lors de l'installation d'un système d'échangeurs de chaleur dans le four et le four. Échangeurs de chaleur intra-four.
système de façade
Afin de donner au bâtiment reconstruit un aspect architectural moderne et d'augmenter radicalement le niveau de protection thermique des murs extérieurs, le système de « veines.
maison techno
Ce style, qui est apparu dans les années 80 du siècle dernier, comme une sorte de réponse ironique aux brillantes perspectives d'industrialisation et à la domination du progrès technologique, proclamé à ses débuts.
Comment travailler dans EXCEL
L'utilisation de tableaux Excel est très pratique, car les résultats du calcul hydraulique sont toujours réduits à une forme tabulaire. Il suffit de déterminer la séquence d'actions et de préparer les formules exactes.
Saisie des données initiales
Une cellule est sélectionnée et une valeur est saisie. Toutes les autres informations sont simplement prises en compte.
- la valeur de D15 est recalculée en litres, il est donc plus facile de percevoir le débit ;
- cellule D16 - ajouter une mise en forme en fonction de la condition : "Si v ne se situe pas dans la plage de 0,25 ... 1,5 m / s, l'arrière-plan de la cellule est rouge / la police est blanche."
Pour les canalisations avec une différence de hauteur entre l'entrée et la sortie, la pression statique est ajoutée aux résultats : 1 kg/cm2 par 10 m.
Enregistrement des résultats
La palette de couleurs de l'auteur porte une charge fonctionnelle :
- Les cellules turquoise clair contiennent les données d'origine - elles peuvent être modifiées.
- Les cellules vert pâle sont des constantes d'entrée ou des données qui sont peu susceptibles de changer.
- Les cellules jaunes sont des calculs préliminaires auxiliaires.
- Les cellules jaune clair sont les résultats des calculs.
- Polices :
- bleu - données initiales ;
- noir - résultats intermédiaires/non principaux ;
- rouge - les résultats principaux et finaux du calcul hydraulique.
Résultats dans une feuille de calcul Excel
Exemple d'Alexandre Vorobyov
Un exemple de calcul hydraulique simple dans Excel pour une section de canalisation horizontale.
- longueur de tuyau 100 mètres;
- ø108mm;
- épaisseur de paroi 4 mm.
Tableau des résultats de calcul des résistances locales
En compliquant les calculs étape par étape dans Excel, vous maîtrisez mieux la théorie et économisez partiellement sur le travail de conception. Grâce à une approche compétente, votre système de chauffage deviendra optimal en termes de coûts et de transfert de chaleur.
