Cálculo hidráulico de redes de calor: concepto, definición, método de cálculo con ejemplos, tareas y diseño

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 10:24

En el cálculo hidráulico de las redes de calor, se establece el caudal total del agua caliente principal para calefacción, aire acondicionado, ventilación y agua caliente. Sobre la base de dicho cálculo, se determinan los parámetros necesarios del equipo de bombeo, los intercambiadores de calor y los diámetros de las tuberías de la red principal.

Un poco de teoría y problemas

La tarea principal del cálculo hidráulico de redes de calor es la selección de los parámetros geométricos de la tubería y los tamaños estándar de los elementos de control para proporcionar:

• distribución cualitativa-cuantitativa del refrigerante a los dispositivos de calefacción individuales;
• fiabilidad termohidráulica y viabilidad económica de un sistema térmico cerrado;
• optimización de los costes de inversión y explotación de la organización del suministro de calor.

El cálculo hidráulico de las redes de calor crea las condiciones previas para que los dispositivos de calefacción y agua caliente alcancen la potencia requerida a una diferencia de temperatura determinada. Por ejemplo, con un gráfico T de 150-70 ^oS, será igual a 80 ^{oS. Esto se logra creando la presión de agua o la presión de refrigerante requerida en cada punto de calentamiento.}

Tal requisito previo para el funcionamiento del sistema térmico se implementa configurando de manera competente el equipo de la red de acuerdo con las condiciones de diseño, instalando equipos basados en los resultados del cálculo hidráulico de las redes térmicas.

Etapas de la hidráulica de red:

1. Cálculo previo al lanzamiento.
2. Reglamento operativo.

Hidráulica de red inicial en curso:

• mediante cálculos;
• método de medición.

En la Federación Rusa, el método de cálculo es predominante, determina todos los parámetros de los elementos del sistema de suministro de calor en un área de asentamiento único (casa, barrio, ciudad). Sin esto, la red se desregulará y el refrigerante no se suministrará a los pisos superiores de los edificios de varios pisos. Es por eso que el comienzo de la construcción de cualquier instalación de suministro de calor, incluso la más pequeña, comienza con un cálculo hidráulico de las redes de calor.

Dibujando un diagrama de redes de calor

Antes de los cálculos hidráulicos, se realiza un esquema preliminar de la línea principal indicando la longitud L en metros y D de los conductos de ingeniería en mm y los volúmenes estimados de agua de red para los tramos de diseño del esquema. Las pérdidas de carga en los sistemas de suministro de calor se dividen en lineales, que surgen en relación conrozamiento del medio contra las paredes de la tubería, y pérdidas en las secciones provocadas por la resistencia estructural local debido a la presencia de tes, codos, compensadores, codos y otros dispositivos.

Ejemplo de cálculo de cálculo hidráulico de redes de calor:

1. Primero, se realiza un cálculo ampliado para determinar el rendimiento máximo de la red que puede proporcionar servicios de calefacción a los residentes.
2. Al finalizar, se establecen los indicadores cualitativos y cuantitativos de las redes principal e intratrimestral, incluidas la presión y la temperatura finales del portador en los nodos de entrada de los consumidores de calor, teniendo en cuenta las pérdidas de calor.
3. Realice un cálculo hidráulico de prueba del sistema de calefacción y el suministro de agua caliente.
4. Establecen los costos reales en las secciones del esquema y en las entradas a las instalaciones residenciales, la cantidad de calor recibida por los suscriptores al calcular la temperatura del refrigerante en la tubería de suministro de agua de los sistemas de calefacción y la presión disponible en el colector de salida, la justificación de los regímenes hidrotermales, la temperatura prevista dentro de los locales residenciales.
5. Determine la temperatura deseada del suministro de calor de salida.
6. Establezca el tamaño máximo T de agua calentada en la salida de la sala de calderas u otra fuente de calor, obtenido sobre la base del cálculo hidráulico de la red de calor. Debe garantizar los estándares de higiene interior.

Aplicando el método normativo

La hidráulica de las redes se realiza sobre la base de tablas de cargas máximas de calor por hora y un esquema de suministro de calor para una ciudad o distrito que indica las fuentes, la ubicación de las principales,sistemas de ingeniería intra-trimestre e intra-casa, con la designación de los límites de la propiedad del balance de los propietarios de las redes. El cálculo hidráulico de las tuberías de las redes de calefacción de cada sección hasta el esquema anterior se realiza por separado.

Este método de cálculo se utiliza no solo para redes de calefacción, sino también para todas las tuberías que transportan medios líquidos, incluidos los condensados de gas y otros medios líquidos químicos. Para los sistemas de suministro de calor por tubería, se deben realizar cambios para tener en cuenta la viscosidad cinemática y la densidad del portador. Esto se debe a que estas características afectan la pérdida de carga específica en las tuberías y la velocidad del flujo está relacionada con la densidad del medio de tránsito.

Parámetros del cálculo hidráulico de la red de calentamiento de agua

El consumo de calor Q y la cantidad de refrigerante G para las parcelas se indican en la tabla de indicadores máximos de consumo de calor por hora para las temporadas de invierno y verano por separado y corresponde a la suma del consumo de calor para los trimestres incluidos en el esquema.

A continuación se presenta un ejemplo de cálculo hidráulico de una red de calefacción.

Dado que los cálculos dependen de muchos indicadores, se realizan utilizando numerosas tablas, diagramas, gráficos, nomogramas, el valor final del consumo de calor Q para los sistemas de calefacción internos se obtiene por interpolación.

La cantidad de fluido que circula en la red de calefacción m3/hora, al calcular el modo hidráulico de la red de calefacción, se determina mediante la fórmula:

G=(D2 /4) x V, Dónde:

• G - consumo del operador, m3/hora;
• D – diámetro de la tubería, mm;
• V - velocidad de flujo, m/s.

Las caídas de presión lineales en el cálculo hidráulico de las redes de calor se toman de tablas especiales. Durante la instalación de los sistemas de calefacción, se instalan en ellos decenas y cientos de elementos auxiliares: válvulas, accesorios, salidas de aire, codos y otros, creando resistencia al medio de tránsito.

Las razones de la caída de presión en las tuberías también pueden incluir el estado interno de los materiales de la tubería y la presencia de depósitos de sal en ellos. Los valores de los coeficientes utilizados en los cálculos técnicos se dan en las tablas.

Metodología estándar y pasos del proceso

Según el método de cálculo hidráulico de redes de calor, se lleva a cabo en dos etapas:

1. Construcción de un esquema de red de calefacción, en el que se numeran las secciones, primero en el área de la carretera central: una línea de red más larga y voluminosa en términos de carga desde el punto de conexión hasta un punto más instalación de consumo remoto.
2. Cálculo de pérdida de carga de cada tramo de tubería, esquema. Se lleva a cabo utilizando tablas y nomogramas, que están indicados por los requisitos de las normas y estándares estatales.

Primero, los cálculos para la carretera principal se realizan de acuerdo con los costos establecidos según el esquema. Al mismo tiempo, se utilizan datos de referencia de pérdidas de presión específicas en las redes.

Además, habiendo calculado los diámetros de las tuberías, calculan:

1. Número de compensadores según esquema.
2. Resistencias en elementos realmente instaladosredes de calefacción.

La pérdida de carga se calcula mediante fórmulas y nomogramas. Luego, teniendo estos datos en toda la red, se calcula el régimen hidromecánico de los tramos individuales desde el lugar de desdoblamiento del caudal hasta el usuario final.

Los cálculos están vinculados a la elección de los diámetros de los ramales. La discrepancia no es más del 10%. El exceso de presión en el sistema de calefacción se extingue en los nodos de ascensores, boquillas de estrangulación o autorreguladores en los puntos ejecutivos de la casa.

Con la presión disponible del sistema de calefacción principal y las derivaciones, configure primero la resistencia específica aproximada Rm, Pa/m.

Los cálculos usan tablas, nomogramas para el cálculo hidráulico de tuberías de redes de calor y otra literatura de referencia, obligatoria para todas las etapas, es fácil de encontrar en Internet y literatura especial.

Transporte de agua caliente

El algoritmo del esquema de cálculo está establecido por la documentación reglamentaria y técnica, las normas estatales y sanitarias y se lleva a cabo en estricta conformidad con el procedimiento establecido.

El artículo proporciona un ejemplo del cálculo del cálculo hidráulico del sistema de calefacción. El procedimiento se realiza en la siguiente secuencia:

1. En el esquema de suministro de calor aprobado de la ciudad y el distrito, los puntos nodales de cálculo, la fuente de calor, el trazado de los sistemas de ingeniería están marcados con una indicación de todas las ramas, objetos de consumo conectados.
2. Aclarar los límites de la propiedad del balance de las redes de consumidores.
3. Asignar números a la trama según el esquema, comenzando la numeracióndesde la fuente hasta el usuario final.

El sistema de numeración debe separar claramente los tipos de redes: principal dentro del trimestre, entre casas desde el pozo térmico hasta los límites del balance general, mientras que el sitio se establece como un segmento de la red, encerrado por dos ramas.

El diagrama indica todos los parámetros del cálculo hidráulico de la red de calor principal desde la estación de calefacción central:

• Q - GJ/hora;
• G m3/hora;
• D - mm;
• V - m/s;
• L - longitud de la sección, m.

El cálculo del diámetro se establece mediante la fórmula.

Redes de calefacción a vapor

Esta red de calefacción está diseñada para un sistema de suministro de calor que utiliza un portador de calor en forma de vapor.

Las diferencias de este esquema con el anterior se deben a los indicadores de temperatura y presión del medio. Estructuralmente, estas redes son de menor longitud, en las grandes ciudades suelen incluir solo las principales, es decir, desde la fuente hasta el punto central de calefacción. No se utilizan como redes intradistritales e intradomiciliarias, excepto en pequeños sitios industriales.

El diagrama del circuito se realiza en el mismo orden que con el agua refrigerante. Todos los parámetros de red para cada sucursal se indican en las secciones, los datos se toman de la tabla resumen de consumo de calor marginal por hora, con una suma paso a paso de los indicadores de consumo desde el consumidor final hasta la fuente.

Dimensiones geométricaslas tuberías se instalan en función de los resultados de un cálculo hidráulico, que se lleva a cabo de acuerdo con las normas y reglas estatales, y en particular SNiP. El valor determinante es la pérdida de presión del medio de condensado de gas desde la fuente de suministro de calor hasta el consumidor. Con una mayor pérdida de presión y una menor distancia entre ellos, la velocidad de movimiento será grande y el diámetro de la tubería de vapor deberá ser menor. La elección del diámetro se realiza de acuerdo con tablas especiales, en función de los parámetros del refrigerante. Después de eso, los datos se ingresan en tablas dinámicas.

Transportador de calor para red de condensado

El cálculo para una red de calor de este tipo difiere significativamente de los anteriores, ya que el condensado se encuentra simultáneamente en dos estados: en vapor y en agua. Esta proporción cambia a medida que avanza hacia el consumidor, es decir, el vapor se vuelve cada vez más húmedo y finalmente se convierte completamente en líquido. Por lo tanto, los cálculos para las tuberías de cada uno de estos medios tienen diferencias y otros estándares ya los tienen en cuenta, en particular SNiP 2.04.02-84.

Procedimiento para calcular tuberías de condensado:

1. Las tablas establecen la rugosidad interna equivalente de las tuberías.
2. Los indicadores de pérdida de presión en las tuberías en la sección de la red, desde la salida de refrigerante de las bombas de suministro de calor hasta el consumidor, se aceptan de acuerdo con SNiP 2.04.02-84.
3. El cálculo de estas redes no tiene en cuenta el consumo de calor Q, sino solo el consumo de vapor.

Las características de diseño de este tipo de red afectan significativamente la calidad de las mediciones, ya que las tuberías para estelos tipos de refrigerante están hechos de acero negro, las secciones de la red después de las bombas de la red debido a las fugas de aire se corroen rápidamente por el exceso de oxígeno, después de lo cual se forma un condensado de baja calidad con óxidos de hierro, lo que provoca la corrosión del metal. Por ello, se recomienda instalar tuberías de acero inoxidable en este tramo. Aunque la elección final se hará después de la finalización del estudio de viabilidad de la red de calefacción.

Programas de diseño

Las pérdidas de energía debidas a válvulas, accesorios y codos son causadas por perturbaciones de flujo localizadas. La pérdida de energía ocurre en una sección finita y no necesariamente corta de la tubería; sin embargo, para los cálculos hidráulicos, se supone que el volumen total de esta pérdida se tiene en cuenta en la ubicación del dispositivo. Para sistemas de tuberías con tuberías relativamente largas, a menudo sucede que las pérdidas resultantes serán insignificantes en relación con la pérdida de presión total en la tubería.

La pérdida de la tubería se mide utilizando datos experimentales reales y luego se analiza para determinar un factor de pérdida local que se puede usar para calcular la pérdida de conexión, ya que varía con el caudal de fluido a través de este dispositivo.

Pipe Flow Software facilita la determinación de pérdidas de accesorios y otras pérdidas en los cálculos de presión diferencial porque vienen precargados con una base de datos de válvulas que contiene muchos factores estándar para válvulas yaccesorios de varios tamaños. A menudo se utiliza una bomba dentro de un sistema de tuberías para agregar presión adicional para superar las pérdidas por fricción y otras pérdidas de resistencia.

El rendimiento de la bomba está determinado por la curva. La cabeza producida por la bomba varía con el caudal, por lo que encontrar el punto de trabajo en la curva de rendimiento de la bomba no siempre es una tarea fácil.

Si utiliza el programa de cálculo hidráulico Pipe Flow Expert, es bastante fácil encontrar el punto de operación exacto en la curva de la bomba, lo que garantiza que los flujos y las presiones estén equilibrados en todo el sistema, a fin de tomar una decisión de diseño precisa tuberías.

El cálculo en línea se realiza para seleccionar el diámetro óptimo que proporcione los mejores parámetros de funcionamiento, baja pérdida de carga y altas velocidades de movimiento del medio, lo que garantizará buenos indicadores técnicos y económicos de las redes de calefacción en su conjunto.

Minimiza el esfuerzo y brinda mayor precisión. Incluye todas las tablas de referencia y nomogramas necesarios. Por lo tanto, las pérdidas por metro de tubería se toman en la cantidad de 81 - 251 Pa / m (8,1 - 25,1 mm de columna de agua), que depende del material de las tuberías. La velocidad del agua en el sistema depende del diámetro de las tuberías instaladas y se selecciona en un rango específico. La velocidad máxima del agua para las redes de calefacción es de 1,5 m/s. El cálculo sugiere los valores límite de la velocidad del agua en tuberías con un diámetro interno:

1. 15,0 mm-0,3 m/s;
2. 20,0 mm-0,65 m/s;
3. 25, 0 mm - 0,8 m/s;
4. 32.0mm-1.0m/s.
5. Para otros diámetros no más de 1,5 m/s.
6. Para tuberías de sistemas contra incendios, se permite una velocidad media de hasta 5,0 m/s.

Sistema de geoinformación instrumental

GIS Zulu - programa de geoinformación para el cálculo hidráulico de redes de calor. La empresa se especializa en el estudio de aplicaciones GIS que requieran la visualización de geodatos 3D en versiones vector y raster, estudio topológico y su relación con bases de datos semánticas. Zulu le permite crear diferentes planes y flujos de trabajo, incluidas redes de calor y vapor mediante topología, puede trabajar con rásteres y adquirir datos de diferentes bases de datos, como BDE o ADO.

Los cálculos se realizan en estrecha integración con el sistema de geoinformación, se ejecutan en la versión del módulo extendido. La red es elemental y se ingresa vívidamente en el SIG con el mouse o según las coordenadas dadas. Después de eso, se crea inmediatamente un esquema de cálculo. Después de eso, se establecen los parámetros de los circuitos y se confirma el inicio del proceso. Los cálculos se aplican a los sistemas de calefacción de anillo y sin salida, incluidas las unidades de bombeo de la red y los dispositivos de estrangulamiento, alimentados desde una o más fuentes. El cálculo de la calefacción se puede realizar teniendo en cuenta las fugas de las redes de distribución y las pérdidas de calor en las tuberías de calefacción.

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Estructura de los pasos de definición:

1. Definición de conmutación.
2. Comprobación del cálculo hidromecánico de la red de calefacción.
3. Cálculo termo-hidráulico de puesta en marcha de tuberías principales e intracuartos.
4. Selección de diseño de equipos de red de calefacción.
5. Cálculo del gráfico piezométrico.

Herramienta de desarrollo de Microsoft Excel

Microsoft Excel para cálculo hidráulico en redes térmicas es la herramienta más accesible para los usuarios. Su completo editor de hojas de cálculo puede resolver muchos problemas computacionales. Sin embargo, al realizar cálculos de sistemas térmicos, se deben cumplir requisitos especiales. Estos se pueden enumerar:

• encontrar la sección anterior en la dirección del medio;
• cálculo del diámetro de la tubería según este indicador condicional y cálculo inverso;
• establecimiento del factor de corrección para el tamaño de la pérdida de carga específica según los datos y la rugosidad equivalente del material de la tubería;
• cálculo de la densidad de un medio a partir de su temperatura.

Por supuesto, el uso de Microsoft Excel para el cálculo hidráulico en redes de calor no permite simplificar absolutamente el curso de los cálculos, lo que inicialmente genera costos de mano de obra relativamente altos.

Software para el cálculo hidromecánico de redes o paquete GRTS: una aplicación informática que realiza cálculos hidromecánicos de redes multitubería, incluida una configuración sin salida. La plataforma GRTS contiene la funcionalidad de lenguaje de fórmulas, que permiteestablecer las características necesarias del cálculo y seleccionar fórmulas para la exactitud de su determinación. Debido al uso de esta funcionalidad, la calculadora tiene la capacidad de encontrar de forma independiente la tecnología de cálculo y establecer la complejidad requerida.

Hay dos versiones de la aplicación GRTS: 1.0 y 1.1. Al final, el usuario recibirá los siguientes resultados:

• cálculo, que describe cuidadosamente la metodología de cálculo;
• informe en forma tabular;
• transferencia de bases de datos computacionales a Microsoft Excel;
• gráfico piezométrico;
• gráfico de temperatura del portador de calor.

La aplicación GRTS 1.1 se considera la modificación más moderna y es compatible con los últimos estándares:

1. Cálculo de diámetros de tubería en base a presiones dadas en los puntos finales del diagrama térmico.
2. Plataforma de ayuda actualizada. Equipo "?" abre el área de ayuda de la aplicación en la pantalla del monitor.

Cálculo hidráulico de redes de calor

A continuación se muestra un ejemplo del cálculo.

Los parámetros básicos mínimos necesarios para diseñar un sistema de tuberías incluyen:

1. Características y propiedades físicas del líquido.
2. Flujo másico (o volumen) requerido del medio de tránsito a transportar.
3. Presión, temperatura en el punto de partida.
4. Presión, temperatura y altitud en el punto final.
5. Distancia entre dos puntos y longitud equivalente (pérdida de presión) de las válvulas y accesorios instalados.

Estos parámetros básicos son necesarios para el diseño del sistema de tuberías. Suponiendo un flujo constante, existe una serie de ecuaciones basadas en la ecuación general de energía que se pueden usar para diseñar un sistema de tuberías.

Las variables asociadas con el flujo de líquido, vapor o condensado bifásico afectan el resultado del cálculo. Esto conduce a la derivación y desarrollo de ecuaciones aplicables a un fluido en particular. Aunque los sistemas de tuberías y su diseño pueden volverse complejos, la gran mayoría de los problemas de diseño a los que se enfrenta un ingeniero se pueden resolver mediante ecuaciones de flujo estándar de Bernoulli.

La ecuación básica desarrollada para representar el flujo de un fluido estacionario es la ecuación de Bernoulli, que asume que la energía mecánica total se conserva para un flujo isotérmico estable, incompresible, no viscoso y sin transferencia de calor. Estas condiciones limitantes pueden ser representativas de muchos sistemas físicos.

Las pérdidas de carga asociadas con válvulas y accesorios también se pueden calcular teniendo en cuenta las "longitudes" equivalentes de secciones de tubería para cada válvula y accesorio. En otras palabras, la pérdida de carga calculada causada por el fluido que pasa a través de la válvula se expresa como una longitud de tubería adicional que se suma a la longitud real de la tubería al calcular la caída de presión.

Todas las longitudes equivalentes causadas por válvulas y accesorios en el segmentolas tuberías se sumarán para calcular la caída de presión para el segmento de tubería calculado.

Resumiendo, podemos decir que el objetivo del cálculo hidráulico de la red de calor en el punto final es una distribución justa de las cargas de calor entre los suscriptores de los sistemas térmicos. Aquí se aplica un principio simple: cada radiador, según sea necesario, es decir, un radiador más grande, que está diseñado para proporcionar un mayor volumen de calefacción, debe recibir un mayor flujo de refrigerante. El cálculo de la red realizado correctamente puede garantizar este principio.