Cálculo hidráulico de redes de calor: conceito, definição, método de cálculo com exemplos, tarefas e projeto

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 10:38

No cálculo hidráulico das redes de calor, é definido o caudal total da água quente principal para aquecimento, ar condicionado, ventilação e água quente. Com base nesse cálculo, são determinados os parâmetros necessários de equipamentos de bombeamento, trocadores de calor e diâmetros de tubos da rede principal.

Um pouco sobre teoria e problemas

A principal tarefa do cálculo hidráulico das redes de calor é a seleção dos parâmetros geométricos da tubulação e os tamanhos padrão dos elementos de controle para fornecer:

• distribuição qualitativo-quantitativa do refrigerante para dispositivos de aquecimento individuais;
• confiabilidade termohidráulica e viabilidade econômica de um sistema térmico fechado;
• otimização de investimentos e custos operacionais da organização de fornecimento de calor.

O cálculo hidráulico das redes de calor cria as condições para que os dispositivos de aquecimento e água quente atinjam a potência necessária a uma determinada diferença de temperatura. Por exemplo, com um gráfico T de 150-70 ^oS, será igual a 80 ^{oS. Isso é obtido criando a pressão de água ou pressão do líquido refrigerante necessária em cada ponto de aquecimento.}

Tal pré-requisito para a operação do sistema térmico é implementado através da configuração competente do equipamento de rede de acordo com as condições do projeto, instalando o equipamento com base nos resultados do cálculo hidráulico das redes térmicas.

Etapas da hidráulica da rede:

1. Cálculo de pré-lançamento.
2. Regulamento operacional.

Hidráulica da rede inicial em andamento:

• através de cálculos;
• método de medição.

Na Federação Russa, o método de cálculo é predominante, determina todos os parâmetros dos elementos do sistema de fornecimento de calor em uma única área de assentamento (casa, bairro, cidade). Sem isso, a rede será desregulada e o refrigerante não será fornecido aos andares superiores dos edifícios de vários andares. É por isso que o início da construção de qualquer instalação de fornecimento de calor, mesmo a menor, começa com um cálculo hidráulico das redes de calor.

Elaboração de um diagrama de redes de calor

Antes dos cálculos hidráulicos, é realizado um esquema preliminar da linha principal indicando o comprimento L em metros e D das condutas de engenharia em mm e os volumes estimados de água da rede para as seções de projeto do esquema. As perdas de carga em sistemas de fornecimento de calor são divididas em lineares, surgindo em conexão comatrito de meios contra paredes de tubos e perdas em seções causadas por resistência estrutural local devido à presença de tês, curvas, compensadores, curvas e outros dispositivos.

Exemplo de cálculo de cálculo hidráulico de redes de calor:

1. Primeiro, um cálculo ampliado é realizado para determinar o desempenho máximo da rede que pode fornecer aos moradores serviços de aquecimento.
2. Ao término, são estabelecidos os indicadores qualitativos e quantitativos das redes principal e intra-trimestre, incluindo a pressão e temperatura final do transportador nos nós de entrada dos consumidores de calor, levando em consideração as perdas de calor.
3. Faça um cálculo hidráulico de teste do sistema de aquecimento e abastecimento de água quente.
4. Eles estabelecem os custos reais nas seções do esquema e nas entradas das instalações residenciais, a quantidade de calor recebida pelos assinantes ao calcular a temperatura do refrigerante na tubulação de abastecimento de água dos sistemas de aquecimento e a pressão disponível no coletor de saída, a justificativa para regimes hidrotérmicos, a temperatura prevista dentro de instalações residenciais.
5. Determinar a temperatura desejada de fornecimento de calor de saída.
6. Defina o tamanho máximo T de água aquecida na saída da sala das caldeiras ou outra fonte de calor, obtido com base no cálculo hidráulico da rede de calor. Deve garantir os padrões de higiene interna.

Aplicando o método normativo

A hidráulica das redes é realizada com base em tabelas de cargas horárias máximas de calor e um esquema de fornecimento de calor para uma cidade ou distrito indicando fontes, localização das principais,sistemas de engenharia intra-trimestre e intra-casa, com a designação dos limites da propriedade do balanço dos proprietários das redes. O cálculo hidráulico das tubulações das redes de aquecimento de cada seção até o esquema acima é realizado separadamente.

Este método de cálculo é usado não apenas para redes de aquecimento, mas também para todas as tubulações que transportam meios líquidos, incluindo condensado de gás e outros meios líquidos químicos. Para sistemas de fornecimento de calor de tubulação, as alterações devem ser feitas para levar em consideração a viscosidade cinemática e a densidade do transportador. Isso se deve ao fato de que essas características afetam a perda de carga específica nas tubulações e a velocidade do fluxo está relacionada à densidade do meio de trânsito.

Parâmetros do cálculo hidráulico da rede de aquecimento de água

O consumo de calor Q e a quantidade de refrigerante G para os gráficos são indicados na tabela de indicadores máximos de consumo de calor horário para as estações de inverno e verão separadamente e corresponde à soma do consumo de calor para os trimestres incluídos no esquema.

Um exemplo de cálculo hidráulico de uma rede de calor é apresentado abaixo.

Como os cálculos dependem de muitos indicadores, eles são realizados com base em inúmeras tabelas, diagramas, gráficos, nomogramas, o valor final do consumo de calor Q para sistemas de aquecimento interno é obtido por interpolação.

A quantidade de fluido que circula na rede de aquecimento m3/hora, ao calcular o modo hidráulico da rede de aquecimento, é determinada pela fórmula:

G=(D2 /4) x V, Onde:

• G - consumo da operadora, m3/hora;
• D – diâmetro da tubulação, mm;
• V - velocidade do fluxo, m/s.

As quedas de pressão lineares no cálculo hidráulico das redes de calor são retiradas de tabelas especiais. Durante a instalação dos sistemas de aquecimento, neles são instalados dezenas e centenas de elementos auxiliares: válvulas, conexões, saídas de ar, curvas e outros, criando resistência ao meio de trânsito.

As razões para a queda de pressão nas tubulações também podem incluir o estado interno dos materiais da tubulação e a presença de depósitos de sal sobre eles. Os valores dos coeficientes usados nos cálculos técnicos são fornecidos nas tabelas.

Metodologia padrão e etapas do processo

De acordo com o método de cálculo hidráulico das redes de calor, é realizado em duas etapas:

1. Construção de um esquema de rede de aquecimento, no qual as seções são numeradas, primeiro na área da rodovia central - uma linha de rede mais longa e volumosa em termos de carga do ponto de conexão para um mais instalação de consumo remoto.
2. Cálculo da perda de carga de cada seção de tubulação, esquema. É realizado por meio de tabelas e nomogramas, indicados pelos requisitos das normas e padrões estaduais.

Primeiro, os cálculos para a rodovia principal são realizados de acordo com os custos definidos de acordo com o esquema. Ao mesmo tempo, são usados dados de referência de perdas de pressão específicas em redes.

Além disso, tendo calculado os diâmetros dos tubos, eles calculam:

1. Número de compensadores de acordo com o esquema.
2. Resistências em elementos realmente instaladosredes de aquecimento.

A perda de carga é calculada por fórmulas e nomogramas. Então, tendo esses dados em toda a rede, o regime hidromecânico de seções individuais é calculado a partir do local de divisão do fluxo até o usuário final.

Os cálculos estão ligados à escolha dos diâmetros dos tubos de derivação. A discrepância não é superior a 10%. O excesso de pressão no sistema de aquecimento é extinguido nos nós elevadores, bicos aceleradores ou auto-reguladores nos pontos executivos da casa.

Com a pressão disponível do sistema de aquecimento principal e ramais, primeiro defina a resistência específica aproximada Rm, Pa/m.

Os cálculos utilizam tabelas, nomogramas para cálculo hidráulico de dutos de redes de calor e outras literaturas de referência, obrigatórias para todas as etapas, são fáceis de encontrar na Internet e literatura especial.

Transporte de água quente

O algoritmo do esquema de cálculo é estabelecido por documentação regulatória e técnica, normas estaduais e sanitárias e é realizado em estrita conformidade com o procedimento estabelecido.

O artigo fornece um exemplo de cálculo do cálculo hidráulico do sistema de aquecimento. O procedimento é realizado na seguinte sequência:

1. No esquema de fornecimento de calor aprovado da cidade e do distrito, os pontos nodais de cálculo, a fonte de calor, o rastreamento de sistemas de engenharia são marcados com uma indicação de todos os ramos, objetos de consumo conectados.
2. Esclareça os limites da propriedade do balanço patrimonial das redes de consumidores.
3. Atribui números ao gráfico de acordo com o esquema, iniciando a numeraçãoda fonte ao usuário final.

O sistema de numeração deve separar claramente os tipos de redes: principal intra-quarto, inter-casa do poço térmico até os limites do balanço, enquanto o local é definido como um segmento da rede, delimitado por dois ramos.

O diagrama indica todos os parâmetros do cálculo hidráulico da rede de aquecimento principal da central de aquecimento:

• Q - GJ/hora;
• G m3/hora;
• D - mm;
• V - m/s;
• L - comprimento da seção, m.

O cálculo do diâmetro é definido pela fórmula.

Redes de aquecimento a vapor

Esta rede de aquecimento é projetada para um sistema de fornecimento de calor usando um transportador de calor na forma de vapor.

As diferenças deste esquema em relação ao anterior são causadas por indicadores de temperatura e pressão do meio. Estruturalmente, essas redes são mais curtas; nas grandes cidades, geralmente incluem apenas as principais, ou seja, desde a fonte até o ponto de aquecimento central. Não são utilizadas como redes intradistritais e intradomiciliárias, excepto para pequenas instalações industriais.

O diagrama do circuito é executado na mesma ordem do líquido refrigerante. Todos os parâmetros de rede para cada filial são indicados nas seções, os dados são retirados da tabela de resumo do consumo de calor horário marginal, com um somatório passo a passo dos indicadores de consumo desde o consumidor final até a fonte.

Dimensões geométricasas tubulações são instaladas com base nos resultados de um cálculo hidráulico, que é realizado de acordo com as normas e regras estaduais e, em particular, o SNiP. O valor determinante é a perda de pressão do meio condensado de gás da fonte de fornecimento de calor para o consumidor. Com uma perda de pressão maior e uma distância menor entre eles, a velocidade de movimento será grande e o diâmetro da tubulação de vapor precisará ser menor. A escolha do diâmetro é realizada de acordo com tabelas especiais, com base nos parâmetros do refrigerante. Depois disso, os dados são inseridos em tabelas dinâmicas.

Transportador de calor para rede de condensado

O cálculo para tal rede de calor difere significativamente dos anteriores, pois o condensado está simultaneamente em dois estados - em vapor e em água. Essa proporção muda à medida que se aproxima do consumidor, ou seja, o vapor fica cada vez mais úmido e acaba se transformando completamente em líquido. Portanto, os cálculos para os tubos de cada um desses meios possuem diferenças e já são levados em consideração por outros padrões, em especial o SNiP 2.04.02-84.

Procedimento para cálculo de tubulações de condensado:

1. As tabelas definem a rugosidade equivalente interna dos tubos.
2. Indicadores de perda de pressão em tubulações na seção da rede, desde a saída do refrigerante das bombas de fornecimento de calor até o consumidor, são aceitos de acordo com o SNiP 2.04.02-84.
3. O cálculo destas redes não leva em consideração o consumo de calor Q, mas apenas o consumo de vapor.

As características de projeto deste tipo de rede afetam significativamente a qualidade das medições, uma vez que as tubulações para estatipos de refrigerante são feitos de aço preto, as seções da rede após as bombas da rede devido a vazamentos de ar corroem rapidamente pelo excesso de oxigênio, após o que se forma condensado de baixa qualidade com óxidos de ferro, o que causa corrosão do metal. Portanto, é recomendável instalar tubulações de aço inoxidável nesta seção. Embora a escolha final seja feita após a conclusão do estudo de viabilidade da rede de aquecimento.

Programas de design

As perdas de energia devido a válvulas, conexões e curvas são causadas por distúrbios localizados de fluxo. A perda de energia ocorre em uma seção finita e não necessariamente curta da tubulação, porém, para cálculos hidráulicos, assume-se que todo o volume dessa perda é levado em consideração no local do dispositivo. Para sistemas de tubulação com tubos relativamente longos, muitas vezes as perdas resultantes serão insignificantes em relação à perda de pressão total no tubo.

A perda da tubulação é medida usando dados experimentais reais e, em seguida, analisada para determinar um fator de perda local que pode ser usado para calcular a perda de encaixe conforme ela varia com a vazão do fluido através deste dispositivo.

Pipe Flow Software facilita a determinação de perdas de encaixe e outras perdas em cálculos de pressão diferencial porque eles vêm pré-carregados com um banco de dados de válvulas que contém muitos fatores padrão para válvulas eacessórios de vários tamanhos. Uma bomba é frequentemente usada dentro de um sistema de tubulação para adicionar pressão extra para superar perdas por atrito e outras perdas de resistência.

O desempenho da bomba é determinado pela curva. A altura manométrica produzida pela bomba varia com a vazão, encontrar o ponto de operação na curva de desempenho da bomba nem sempre é uma tarefa fácil.

Se você usar o programa de cálculo hidráulico Pipe Flow Expert, é muito fácil encontrar o ponto de operação exato na curva da bomba, garantindo que os fluxos e as pressões sejam equilibrados em todo o sistema, a fim de tomar uma decisão de projeto precisa tubulações.

O cálculo online é feito para selecionar o diâmetro ideal que forneça os melhores parâmetros operacionais, baixa perda de carga e alta velocidade de movimentação do meio, o que garantirá bons indicadores técnicos e econômicos das redes de aquecimento como um todo.

Minimiza o esforço e oferece maior precisão. Inclui todas as tabelas de referência e nomogramas necessários. Assim, as perdas por metro de tubos são tomadas no valor de 81 - 251 Pa / m (8,1 - 25,1 mm de coluna d'água), o que depende do material dos tubos. A velocidade da água no sistema depende do diâmetro dos tubos instalados e é selecionada em uma faixa específica. A maior velocidade da água para redes de aquecimento é de 1,5 m/s. O cálculo sugere os valores limite da velocidade da água em tubulações com diâmetro interno:

1. 15,0mm-0,3m/s;
2. 20,0mm-0,65m/s;
3. 25, 0 mm - 0,8 m/s;
4. 32,0mm-1,0m/s.
5. Para outros diâmetros não superiores a 1,5 m/s.
6. Para tubulações de sistemas de combate a incêndio, é permitida velocidade média de até 5,0 m/s.

Sistema de geoinformação instrumental

GIS Zulu - programa de geoinformação para cálculo hidráulico de redes de calor. A empresa é especializada no estudo de aplicações GIS que requerem a visualização de geodados 3D em versões vetoriais e raster, estudo topológico e sua relação com bancos de dados semânticos. Zulu permite que você crie diferentes planos e fluxos de trabalho, incluindo redes de calor e vapor usando topologia, pode trabalhar com rasters e adquirir dados de diferentes bancos de dados, como BDE ou ADO.

Os cálculos são realizados em estreita integração com o sistema de geoinformação, são executados na versão do módulo estendido. A rede é elementar e vividamente inserida no GIS com o mouse ou de acordo com as coordenadas fornecidas. Depois disso, um esquema de cálculo é criado imediatamente. Depois disso, os parâmetros dos circuitos são definidos e o início do processo é confirmado. Os cálculos são aplicados a sistemas de aquecimento sem saída e em anel, incluindo unidades de bombeamento de rede e dispositivos de estrangulamento, alimentados por uma ou mais fontes. O cálculo do aquecimento pode ser realizado levando em consideração as fugas das redes de distribuição e as perdas de calor nas tubulações de aquecimento.

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Estrutura das etapas de definição:

1. Definição de comutação.
2. Verificação do cálculo hidromecânico da rede de aquecimento.
3. Cálculo termo-hidráulico de comissionamento das tubulações principais e intraquarto.
4. Seleção de projeto de equipamentos de rede de aquecimento.
5. Cálculo do gráfico piezométrico.

Microsoft Excel Developer Tool

Microsoft Excel para cálculo hidráulico em redes térmicas é a ferramenta mais acessível para os usuários. Seu editor de planilhas abrangente pode resolver muitos problemas computacionais. No entanto, ao realizar cálculos de sistemas térmicos, requisitos especiais devem ser atendidos. Estes podem ser listados:

• encontrando a seção anterior na direção do meio;
• cálculo do diâmetro do tubo de acordo com este indicador condicional e cálculo reverso;
• definindo o fator de correção para o tamanho da perda de carga específica de acordo com os dados e a rugosidade equivalente do material do tubo;
• cálculo da densidade de um meio a partir de sua temperatura.

Claro, o uso do Microsoft Excel para cálculo hidráulico em redes de calor não permite simplificar absolutamente o curso dos cálculos, o que inicialmente cria custos de mão de obra relativamente grandes.

Software para cálculo hidromecânico de redes ou pacote GRTS - um aplicativo de computador que realiza cálculos hidromecânicos de redes multipipe, incluindo uma configuração sem saída. A plataforma GRTS contém a funcionalidade de linguagem de fórmulas, que permiteestabelecer as características necessárias do cálculo e selecionar fórmulas para a precisão de sua determinação. Devido ao uso desta funcionalidade, a calculadora tem a capacidade de encontrar independentemente a tecnologia de cálculo e definir a complexidade necessária.

Existem duas versões do aplicativo GRTS: 1.0 e 1.1. Ao final, o usuário receberá os seguintes resultados:

• cálculo, que descreve cuidadosamente a metodologia de cálculo;
• relatório em forma de tabela;
• transferência de bancos de dados computacionais para o Microsoft Excel;
• gráfico piezométrico;
• gráfico de temperatura do transportador de calor.

O aplicativo GRTS 1.1 é considerado a modificação mais moderna e suporta os padrões mais recentes:

1. Cálculo de diâmetros de tubos com base em determinadas pressões nos pontos finais do diagrama térmico.
2. Plataforma de ajuda atualizada. Equipe "?" abre a área de ajuda do aplicativo na tela do monitor.

Cálculo hidráulico de redes de calor

Um exemplo do cálculo é mostrado abaixo.

Parâmetros básicos mínimos necessários para projetar um sistema de tubulação incluem:

1. Características e propriedades físicas do líquido.
2. Fluxo de massa (ou volume) necessário do meio de trânsito a ser transportado.
3. Pressão, temperatura no ponto de partida.
4. Pressão, temperatura e altitude no ponto final.
5. Distância entre dois pontos e comprimento equivalente (perda de pressão) das válvulas e conexões instaladas.

Esses parâmetros básicos são necessários para o projeto do sistema de tubulação. Assumindo fluxo constante, há várias equações baseadas na equação geral de energia que podem ser usadas para projetar um sistema de tubulação.

Variáveis associadas ao fluxo de líquido, vapor ou condensado bifásico afetam o resultado do cálculo. Isso leva à derivação e desenvolvimento de equações aplicáveis a um determinado fluido. Embora os sistemas de tubulação e seu projeto possam se tornar complexos, a grande maioria dos problemas de projeto enfrentados por um engenheiro pode ser resolvido por equações de fluxo de Bernoulli padrão.

A equação básica desenvolvida para representar o fluxo de fluido estacionário é a equação de Bernoulli, que assume que a energia mecânica total é conservada para um fluxo isotérmico incompressível, estável e sem transferência de calor. Essas condições limitantes podem de fato ser representativas de muitos sistemas físicos.

As perdas de carga associadas a válvulas e conexões também podem ser calculadas levando em consideração os "comprimentos" equivalentes das seções de tubo para cada válvula e conexão. Em outras palavras, a perda de carga calculada causada pelo fluido que passa pela válvula é expressa como um comprimento de tubo adicional que é adicionado ao comprimento real do tubo ao calcular a queda de pressão.

Todos os comprimentos equivalentes causados por válvulas e conexões no segmentoos tubos serão somados para calcular a queda de pressão para o segmento de tubo calculado.

Resumindo, podemos dizer que o objetivo do cálculo hidráulico da rede de calor no ponto final é uma distribuição justa das cargas de calor entre os assinantes dos sistemas térmicos. Um princípio simples se aplica aqui: cada radiador - conforme necessário, ou seja, um radiador maior, projetado para fornecer um volume maior de aquecimento ambiente, deve receber um fluxo maior de refrigerante. O cálculo de rede realizado corretamente pode garantir esse princípio.