Расчет сечения трубы для отопления: Диаметр труб системы отопления: расчет, формула, подбор

Диаметр трубы для отопления частного дома: расчет

Любому профессионалу не составит большого труда определить величину необходимого сечения трубопровода. Для этого существуют специальные таблицы, по которым опытный специалист быстро найдет верный ответ. Намного сложнее обычному владельцу жилья. Он не обладает профессиональными знаниями, а вот желание самостоятельно создать отопительный контур всегда существует. Эта статья поможет правильно определить диаметр трубы для отопления частного дома.

Содержание

• 1 Как сечение трубы влияет на отопительную систему и ее КПД
• 2 Как грамотно подобрать диаметр труб для монтажа трубопровода в собственном коттедже
• 3 Какие параметры необходимо знать, чтобы сделать правильный расчет диаметра
• 4 Расчет сечения трубы
• 5 Практические советы

Как сечение трубы влияет на отопительную систему и ее КПД

Высокая эффективность отопительной системы зависит от грамотно разработанного проекта трубопровода. При планировании прокладки труб очень важно правильно рассчитать возможные теплопотери. Нужно стремиться к их максимальному уменьшению. Если этого не сделать, то даже огромные энергетические затраты не помогут нормально функционировать отопительной системе.

Покупая трубы, нужно учитывать некоторые свойства материала изделия:

• физико-химические показатели;
• длину;
• диаметр.

Учет всех этих параметров поможет создать высокоэкономичную отопительную систему, отличающуюся высоким показателем КПД.

Какой диаметр трубы лучше всего использовать для отопления вашего частного дома? От сечения трубы зависят гидродинамические свойства трубопровода. Отсюда следует, что подбор должен осуществляться тщательно, соблюдая все требуемые нормативы.

Существует мнение, что если увеличить диаметр труб для отопления, повысится эффективность отапливающей системы. Однако такое утверждение ошибочно. Когда диаметр неоправданно большой, происходит понижение давления отопительной системы, оно падает до минимальных значений.

В результате дом остается вообще без отопления.

Как грамотно подобрать диаметр труб для монтажа трубопровода в собственном коттедже

Выбор диаметра труб для отопления начинается с определения того, как будет происходить подача теплоносителя. Если она осуществляется от централизованной магистрали, проводить расчет нужно аналогично подаче тепла в жилую квартиру.

Если коттедж имеет установленную автономную отопительную систему, то расчет диаметра будет зависеть от вида материала трубы и существующей схемы отопления. 

Например, если осуществляется естественная циркуляция воды, необходимо монтировать трубы с определённым диаметром, а если подключен дополнительный насос, то эта цифра будет совсем другой.

Какие параметры необходимо знать, чтобы сделать правильный расчет диаметра

Очень важным считается значение тепловой мощности. От нее зависит то, насколько эффективно будет обогреваться помещение. Обычно этот параметр определяется на стадии проектирования котельной установки. Если этого не сделано, то приблизительное количество теплоты рассчитывается в зависимости от объема комнаты.

Кубометр помещения будет нормально обогреваться за счет 40 Вт. Следовательно, для определения расхода тепла нужно существующий объем помещения умножить на 40. Результат должен получиться в Ваттах.

Затем определяется вид системы отопления. Он может быть:

• однотрубным;
• двухтрубным.

Второй тип отопительной системы частного дома намного лучше. Он остается самым востребованным и популярным. Однотрубные схемы никто не отменял. Они также применяются в отопительных системах.

Жидкость движется в этих системах по одним и тем же законам, поэтому при определении диаметра трубопровода вид отопления не имеет решающего значения. Намного важнее способ движения теплоносителя. Он может быть нескольких видов:

• конвекционный, или самотечный;
• принудительный: движение осуществляется с помощью циркуляционного насоса.

Эти способы отличаются между собой только движением теплоносителя. При конвекционном методе жидкость перемещается по трубопроводу очень медленно. При принудительном − насос заставляет ее двигаться намного быстрее.

Именно скорость продвижения теплоносителя считается самым важным параметром для расчета такой величины, как диаметр труб отопления. От ее значения зависит пропускная способность магистрали. Рекомендуемая скорость находится в диапазоне 0,3 − 0,7 м/с.

При использовании принудительной системы скорость составляет 0,7 м/с, для конвекционного способа − это 0,3 м/с.

Если скорость жидкости меньше указанного значения, начнется образование воздушных пузырьков. Если диаметр трубопровода будет очень большим, это вызовет значительные затраты.

При высокой скорости трубопровод начнет сильно шуметь, увеличится гидравлическое сопротивление сети, обычный циркуляционный насос с такими условиями может просто не справиться.

Расчет сечения трубы

Чтобы понять методику расчета и познакомиться с таблицей диаметров труб, возьмем типовой расчет монтажа трубопровода комнаты, общей площадью 20 кв.

м:

• вычисляется тепловая мощность. Если стены в квартире имеют утепление, высота потолка менее 3 м, то берется 1 кВт на 10 кв. м площади;
• у нас площадь равна 20 кв. м, а это значит, что потребуется 2 кВт мощности;
• к этому значению прибавляются запасные 20 %. В результате получается 2,4 кВт. Следовательно, чтобы в квартире было тепло и уютно, необходимо чтобы отопление имело тепловую мощность не ниже 2,4 кВт;
• если в комнате есть окна, необходимо установить радиаторы отопления. Их количество должно соответствовать числу окон. Например, если имеется 2 окна, требуется установить 2 батареи, мощность каждой из них должна быть не менее 1,2 кВт. Радиаторы устанавливаются под подоконниками. Возможны и другие места в соответствии с дизайном проекта;
• значение мощности отопительных радиаторов разрешается увеличивать, но не уменьшать;
• в таблице в графе внутренних диаметров, необходимо найти величину мощности, равную 2,4 кВт. После этого находится верхний параметр теплового потока. Голубой участок таблицы, показывает оптимальную скорость, с которой движется жидкость;
• такая таблица предназначена для определения необходимых значений двухтрубной отопительной системы. В данном случае учитывается разница между температурой теплоносителя при входе и на его выходе из трубопровода.

После операций с таблицей мы получили следующие значения: чтобы нормально обогреть помещение в 20 кв. м, необходимо чтобы труба имела диаметр 8 мм. Движение теплоносителя будет совершаться со скоростью около 0,6 м/с. При этом расход составит 105 кг/ч, значение тепловой мощности не будет превышать 2453 Вт. Разрешается использовать трубы с сечением 10 мм. Тогда скорость достигнет 0,4 м/с. Расход составит 110 кг/ч. Мощность созданного теплового потока = 2555 Вт.

Теперь вы знаете, какой диаметр трубы выбрать для отопления.

Практические советы

Если неправильно подобрать диаметр трубопровода, возможно появление очень многих проблем:

• протечки;
• высокий расход топлива;
• большие затраты электроэнергии.

Поэтому монтаж такой отопительной системы должен выполняться с учетом всех технологических правил. Для контура из сочетания разнородных труб необходимо сделать специальные расчеты. Отдельно считается пластиковая труба, отдельно металл. Такую задачу должен выполнять только специалист. Самостоятельно рассчитывать диаметр не нужно, ошибка может достигнуть большой величины. Стоимость услуг профессионала намного меньше, чем переделка всех коммуникаций во время отопительного сезона. Все приборы должны подключаться только трубами одинакового сечения.

Похожие статьи:

Правильный выбор диаметра труб для систем отопления

При выборе труб для монтажа системы отопления специалисты учитывают не только их физические и химические характеристики, но также длина и диаметр полезного сечения, от размера которого зависит гидродинамика системы отопления в целом.

Расчет диаметра труб отопления

При планировке отопительных трубопроводов мастера ориентируются на инженерные расчеты, благодаря которым в руках специалистов имеются обоснованные показатели допустимых размеров труб, в зависимости от разных норм рабочего давления. Однако в большинстве случаев размер сечения будет оптимальным, если его значение находится в пределах от 30 мм до 40 мм.

Инженеры получают расчетные величины в процессе решения задач по гидравлике, поэтому показатель диаметра отопительной трубы основывается на теоретических разработках и реальном опыте. При исчислении значений, в качестве первичных данных используется множество параметров. Полученные результаты зависят от скорости движения теплоносителя в системе, его температуры, уровня давления, суммарной длины всех трубопроводов, а также других факторов, влияющих на гидродинамику и эффективность работы. Неверный выбор диаметра трубы отопления может повлечь за собой серьезные последствия в виде течи или прорывов, сбоя системы отопления, неправильной работы всего оборудования.

Например, труба с диаметром, превышающим в два раза требуемый по всем техническим нормам показатель, будет способствовать низкому уровню давления в системе многоквартирного дома, что приведет к нарушению циркуляции теплоносителя. Возможно, к катастрофическим последствиям это и не приведет, но в жилых помещениях температурный режим поддерживать будет сложно. Кроме того, установленные по всем правилам трубы нужного диаметра будут обладать энергоэффективностью, экономичностью, и позволят оптимизировать работу ТЭЦ, снизив нагрузку.

Сечение труб отопления

Владельцы частных домов чаще всего имеют свободу выбора в отношении применяемых систем отопления. В некоторых случаях бывает возможно подключение и к центральной тепломагистрали. Автономный способ обогрева дома подразумевает установку котельного оборудования, но в обоих случаях имеет большое значение размер диаметра труб отопления, из которых смонтирована система.

Следует учитывать принципиальное отличие показателей сечения трубопроводов, используемых для принудительной или естественной циркуляции теплоносителя. При естественном способе нет потребности рассчитывать баланс и соотношение между размером диаметра трубы и мощностью насоса. Однако такая система имеет недостаток: радиус ее действия ограничен, а затраты на материалы и монтаж довольно высоки.

Еще один немаловажный факт, который следует учитывать – размер гильзы, используемой при прокладке системы трубопроводов. С ее помощью труба размещается в толще стены, при этом гильза должна иметь внутренний размер немного больший, чем внешний диаметр трубы. Следовательно, при покупке необходимых материалов для монтажа трубопровода нужно учитывать их размеры.

Информация взята с сайта http://udobnovdome.ru/

Уравнение теплопередачи

Уравнение теплопередачи

Уравнение теплопередачи

Этот физический интерфейс решает уравнение энергетического баланса для одномерных труб, используя в качестве входных данных скорость потока.

Уравнение теплового баланса

Уравнение энергии для несжимаемой жидкости, текущей в трубе (ссылка 24):

(3-1)

, где ρ — плотность жидкости (единица СИ: кг/м3), A — площадь поперечного сечения трубы (единица СИ: м2), доступная для потока, Cp (единица СИ: Дж/(кг·К)) — теплоемкость при постоянном давлении T (единица СИ: K) — это температура. u — поле скоростей. Для получения информации о тангенциальной скорости потока в трубе см. раздел Теория интерфейса потока в трубе. Кроме того, k (единица СИ: Вт/(м·K)) представляет собой теплопроводность. Второй член в правой части соответствует теплоте трения, рассеиваемой за счет вязкого сдвига. Q (единица СИ: Вт/м) представляет собой общий источник тепла, а Qwall (единица СИ: Вт/м) представляет внешний теплообмен через стенку трубы. Обратите внимание, что термин Qwall подробно описан ниже.

В правую часть уравнения можно добавить дополнительный член Qp, установив флажок Работа под давлением:

(3-2)

Этот термин является необязательным и может использоваться, если ожидается значительное падение давления и жидкость сжимаема. Вклад следует той же теории, что и работа под давлением, описанная в разделе «Уравнения неизотермического потока и сопряженного теплообмена» в Руководстве пользователя модуля теплопередачи.

Теплообмен через стену

Радиальная теплопередача из окружающей среды в трубу определяется выражением

(3-3) (Вт/м)

В уравнении 3-3 (hZ)eff – эффективное значение коэффициента теплопередачи h (единица СИ: Вт/(м2·К)) умноженное на периметр стенки Z (единица СИ: м) трубы. Текст (единица СИ: K) внешняя температура снаружи трубы. См. Рисунок 3-5. Qwall появляется как исходный член в уравнении теплопередачи трубы, уравнение 3-1.

Для функции теплопередачи стены требуется внешняя температура и, по крайней мере, добавленный к ней подузел сопротивления внутренней пленки. Отдельные вклады коэффициентов теплопередачи могут быть добавлены подузлами к функции «Теплопередача стены». Подузлы:

•	Сопротивление внутренней пленки

•	Настенный слой

•	Внешнее пленочное сопротивление

Текст в уравнении 3-3 может быть константой, параметром, выражением или заданным полем температуры, вычисленным другим физическим интерфейсом, обычно интерфейсом 3D Heat Transfer. h автоматически рассчитывается через сопротивления пленки и слои стен, которые добавляются как подузлы; см. уравнение 3-17 и далее.

Если в качестве поля температуры, вычисляемого другим интерфейсом 3D-теплообмена, задано значение Text, выполняется автоматическая связь теплопередачи со стороной 3D-физики в качестве источника линии. Температурная связь между трубой и окружающей областью реализована в виде линейного источника тепла в трехмерной области. Сила источника пропорциональна разности температур (уравнение 3-3) между жидкостью трубы и окружающей областью.

Общий коэффициент теплопередачи, включая внутреннее сопротивление пленки, сопротивление стенки и внешнее сопротивление пленки, можно вывести следующим образом со ссылкой на Рисунок 3-5.

Рис. 3-5: Распределение температуры по стенке трубы.

•	rn (единица СИ: м) — внешний радиус стены n

•	w = r − r0 (единица СИ: м) координата стены, начиная с внутреннего радиуса r0

•	Δwn = rn − rn−1 (единица СИ: м) толщина стенки n

•	Zn (единица СИ: м) — внешний периметр стены n .

•	hint и hext — коэффициенты пленочного теплообмена внутри и снаружи трубы соответственно (единица СИ: Вт/(м2·K)).

•	кн – теплопроводность (единица СИ: Вт/(м·К)) стены n

Раковина весов

На рис. 3-5 рассмотрим короткий отрезок ΔL трубы, перпендикулярный плоскости рисунка. Тепло, уходящее из внутренней жидкости этого сегмента в стенку, равно

.

(3-4)(Ш)

Здесь AQ =  ΔL2πr0 (единица СИ: м2) — площадь, доступная для теплового потока в стену. Для стационарных условий такое же количество тепла должно пройти через любую цилиндрическую оболочку радиусом r в стене 1 (или любой стене).

(3-5)

Переставить и интегрировать от r0 до r1.

(3-6)

Выполнить интеграцию

(3-7)

и переставить

(3-8).

Для примера двух слоев стенки тепловой поток через любую оболочку одинаков от внутренней объемной жидкости к окружающей среде, и мы можем установить все .

(3-9)

Замена

(3-10),

и составление линейной комбинации уравнений Уравнение 3-9 дает

(3-11)

, где (hAQ)eff — эффективная проводимость:

(3-12)

Для общего случая с N слоями стенки это выглядит как

.

(3-13)

Теперь пусть

(3-14),

, где Z (единица СИ: м) — средний периметр (окружность) трубы, взятый по толщине стенок трубы. Объедините уравнение 3-10 и уравнение 3-14 так, чтобы

и вставить в уравнение 3-13:

(3-15)

Для круглых поперечных сечений трубы это эффективное значение hZ in теперь можно использовать в уравнении 3-3. Обратите внимание на обратный знак, так как Qwall — это тепло, добавляемое к трубе из окружающей среды. Допущение в приведенном выше вычете составляет

.

•	одинаковая температура по окружности

•	теплопередача через стенку квазистатическая. Последнее означает, что предполагается, что стена сразу принимает равновесное распределение температуры, соответствующее T и Text. Если бы это предположение не было сделано, потребовалось бы вспомогательное УЧП по координате стены.

Для труб квадратной и прямоугольной формы средняя проводимость может быть аппроксимирована более простой суммой сопротивлений на плоской стенке, которую можно найти, например, (ссылка 13):

(3-16)

Сопротивление пленки можно рассчитать по

(3-17)

, где k — коэффициент теплопроводности материала, а Nu — число Нуссельта. dh — гидравлический диаметр, определяемый как

(3-18).

•	Коэффициенты внутренней и внешней пленки оцениваются как (T + T0)/2 и (TN + Text)/2 соответственно.

•	Коэффициент теплопроводности kn может зависеть от температуры и оценивается как (Tn + Tn−1)/2.

•

Чтобы вычислить dh в уравнении 3-18, локальный периметр рассчитывается как Z = f(w) и площадь поперечного сечения как A = f(w). Автоматические расчеты для круглых труб выполняются физическим интерфейсом, как Z = 2πr и A = πr2. Для прямоугольных труб это Z = 2 (ширина + высота), а A = ширина · высота. Для определяемых пользователем форм труб пользователь может вводить произвольные выражения.

Локальные температуры в каждом радиальном положении стенки трубы (см. Рисунок 3-5) рассчитываются с учетом того факта, что уравнение 3-3 также может применяться для каждого отдельного слоя стенки:

(3-19)

Комбинация уравнения 3-3, уравнения 3-19 и уравнения 3-15 или уравнения 3-16 (в зависимости от формы трубы) для каждого слоя стенки дает явное значение Tn.

Сопротивление внутренней пленки

Для внутренней ламинарной вынужденной конвекции при полностью развитом потоке в трубе число Нуссельта является константой, зависящей от поперечного сечения трубы. Значения перечислены в таблице ниже (ссылка 1). Интерфейс Pipe Flow выполняет интерполяцию, чтобы найти значения отношения ширины/высоты, не указанные в списке. Настройки по умолчанию для расчета коэффициента пленки — «Автоматически», что означает, что ламинарная и турбулентная корреляции применяются в соответствии с числом Re.

Таблица 3-1: Числа Нуссельта для внутреннего ламинарного течения в трубе

Сечение	ширина/высота	Ню
циркуляр	—	3,66
квадрат	1	2,98
прямоугольный	1,43	3,08
прямоугольный	2	3,39
прямоугольный	3	3,96
прямоугольный	4	4,44
прямоугольный	8	5,60
параллельные пластины	бесконечность	7,54

Для поперечных сечений, определяемых пользователем, по умолчанию предлагается значение Nu 3,66.

Для внутренней турбулентной вынужденной конвекции (3000 < Re <  6·106, 0,5 < Pr <  2000) применяется уравнение Гнелинского (ссылка 18):

(3-20)

Где Pr — число Прандтля:

(3-21)

Сопротивление пленки внутреннему потоку можно рассчитать, используя свойства материала, определенные в функции «Теплопередача», и рассчитанный коэффициент трения. Свойства материала оцениваются при средней внутренней температуре пленки (T + T0)/2 (см. Выражения для коэффициента трения Дарси).

Использование гидравлического диаметра делает уравнения применимыми к некруглым поперечным сечениям труб.

Внешнее пленочное сопротивление

Свойства используемого материала должны соответствовать свойствам внешней жидкости. Не устанавливайте материал на Материал области, если у вас есть разные жидкости внутри и снаружи. Обычно для оценки функций материала требуются температура и давление. Внешняя скорость жидкости требуется для параметра «Принудительная конвекция» и является определяемым пользователем входом.

Для внешней вынужденной конвекции вокруг трубы, справедливой для всех Re и для Pr > 0,2, Черчилля и Бернштейна (ссылка 19) используется соотношение:

(3-22).

Для внешней естественной конвекции вокруг трубы используется корреляция Черчилля и Чу (ссылка 20), которая рекомендуется для Ra < 1012:

(3-23)

, где число Рэлея задается как:

(3-24)

и номер Грасгофа:

(3-25)

Выше d — внешний диаметр трубы, а β — коэффициент объемного теплового расширения жидкости:

(3-26)

Свойства материала оцениваются как (TN + Text)/2.

Стабилизация уравнения теплопередачи

Уравнение переноса в интерфейсе «Теплообмен в трубах» численно стабилизировано.

Численная стабилизация в справочном руководстве COMSOL Multiphysics

Расчет толщины изоляции для труб – The Piping Engineering World

Когда жидкость проходит по трубе, она отдает свое тепло окружающей атмосфере, если ее температура выше температуры окружающего воздуха. Если температура трубы ниже температуры окружающего воздуха, она получает от него тепло. Поскольку трубы, как правило, изготавливаются из металлов, таких как сталь, медь и т. д., которые являются очень хорошими проводниками тепла, потери тепла будут значительными и очень дорогостоящими. Поэтому важно обеспечить покрытие материалом, который очень плохо проводит тепло, таким как минеральная вата, пенька и т. д.

[pipingapplinkimage]

Общая теплопередача (Q) от трубы через такой изоляционный материал зависит от следующих факторов:

1. N  : Длина трубы.
2. Tp : Рабочая температура жидкости внутри трубы.
3. Ti : Максимально допустимая температура на внешней поверхности изоляции. Обычно 50°С.
4. Rp : Радиус трубы.
5. Ri : Радиус изоляции.
6. k  : Теплопроводность изоляционного материала.

Формула для стационарной теплопередачи через изоляционный материал, обернутый вокруг трубы, выглядит следующим образом:

Вышеупомянутое уравнение получено из уравнения Фурье для теплопроводности, для стационарной теплопередачи для радиальной теплопроводности через полый цилиндр.

Пример Расчет

Предположим, у нас есть труба  Диаметром 12″, по которой течет горячее масло с температурой 200°C. Максимально допустимая температура изоляции на наружной стене 50°C. Допустимые потери тепла на метр трубы 80 Вт/м. В качестве теплоизоляции используется минеральная вата из стекловолокна с теплопроводностью для этого температурного диапазона 0,035 Вт/м. К. Теперь нам нужно узнать необходимую толщину изоляции.

Теплопроводность выражается в ваттах на метр на кельвин (Вт/м·К), что по существу совпадает с ваттами на метр на градус Цельсия (Вт/м·К) (Множитель для преобразования значений Кельвина в градусы отсутствует. соответствует инкрементальному изменению в градусах Цельсия.)

В приведенной выше формуле Q — это общие потери тепла, а N — длина трубы. Таким образом, Q/N становится нашими допустимыми потерями тепла на метр трубы, что составляет 80 Вт/м.

Q/N = 80 Вт/м.

Диаметр трубы 12 дюймов, следовательно, радиус 6 дюймов.

Радиус в метрах: (6″ X 25,4)/1000 = 0,1524 метра.

Итак:

80 = 2π × 0,035 × (200-50) ÷ ln(Ri/0,1524)

ln(Ri/0,1524) = 2π × 0,035 × (908-50)

Следовательно, RI = RP × E ^0,4123

RI = 0,1524 × 1,5103 = 0,2302 M

Следовательно, толщина изоляции = RI — RP = 0,2302 — 0,1524 = 0,0777

Изоляция = 77.