Cálculo hidráulico del sistema de calefacción.

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Hoy analizaremos cómo hacer un cálculo hidráulico del sistema de calefacción. De hecho, hasta el día de hoy, la práctica de diseñar sistemas de calefacción por capricho se está extendiendo. Este es un enfoque fundamentalmente incorrecto: sin un cálculo preliminar, subimos el listón del consumo de material, provocamos modos de funcionamiento anormales y perdemos la oportunidad de lograr la máxima eficiencia..

Cálculo hidráulico del sistema de calefacción.

Metas y objetivos del cálculo hidráulico

Desde el punto de vista de la ingeniería, un sistema de calentamiento de líquidos parece ser un complejo bastante complejo, que incluye dispositivos para generar calor, transportarlo y liberarlo en habitaciones con calefacción. El modo de funcionamiento ideal para un sistema de calefacción hidráulico es aquel en el que el refrigerante absorbe el máximo calor de la fuente y lo transfiere a la atmósfera de la habitación sin pérdida durante el movimiento. Por supuesto, tal tarea parece completamente inalcanzable, pero un enfoque más reflexivo le permite predecir el comportamiento del sistema en diversas condiciones y acercarse lo más posible a los puntos de referencia. Este es el principal objetivo del diseño de sistemas de calefacción, cuya parte más importante se considera el cálculo hidráulico..

Los objetivos prácticos del diseño hidráulico son:

  1. Comprender a qué velocidad y en qué volumen se mueve el refrigerante en cada nodo del sistema..
  2. Determinar qué efecto tiene un cambio en el modo de funcionamiento de cada dispositivo en todo el complejo en su conjunto.
  3. Establecer qué capacidad y características operativas de unidades y dispositivos individuales serán suficientes para que el sistema de calefacción realice sus funciones sin un aumento significativo en el costo y garantizando un margen de seguridad excesivamente alto.
  4. En última instancia, para garantizar una distribución estrictamente medida de la energía térmica en varias zonas de calefacción y para garantizar que esta distribución se mantenga con una alta constancia..

Instalación de radiadores de calefacción

Podemos decir más: sin al menos cálculos básicos, es imposible lograr una estabilidad aceptable y un uso a largo plazo del equipo. Modelar el funcionamiento de un sistema hidráulico, de hecho, es la base sobre la que se basa todo el desarrollo posterior del diseño..

Tipos de sistemas de calefacción

Las tareas de ingeniería de este tipo se ven complicadas por la gran variedad de sistemas de calefacción, tanto en términos de escala como de configuración. Hay varios tipos de intercambiadores de calefacción, cada uno de los cuales tiene sus propias leyes:

1. Sistemas de callejón sin salida de doble tuberíaa – la versión más común del dispositivo, muy adecuada para organizar circuitos de calefacción central e individual.

Sistema de calefacción sin salida de dos tubosSistema de calefacción sin salida de dos tubos

2. Sistema de una tubería o «Leningradka»se considera la mejor manera de construir complejos de calefacción civil con una potencia térmica de hasta 30-35 kW.

Sistema de calefacción de un tubo Sistema de calefacción monotubo con circulación forzada: 1 – caldera de calefacción; 2 – grupo de seguridad; 3 – radiadores de calefacción; 4 – Grúa Mayevsky; 5 – tanque de expansión; 6 – bomba de circulación; 7 – desagüe

3. Sistema de doble tubo de tipo pasante– el tipo de desacoplamiento de circuitos de calefacción más intensivo en material, caracterizado por la mayor estabilidad de funcionamiento conocida y la calidad de distribución del refrigerante.

Sistema de calefacción asociado de dos tubos (circuito Tichelman)Sistema de calefacción asociado de dos tubos (circuito Tichelman)

4. Disposición de la vigaes en muchos aspectos similar a un paseo de dos tubos, pero al mismo tiempo todos los controles del sistema se colocan en un punto: el conjunto del colector.

Circuito de calefacción radianteEsquema de calefacción por radiación: 1 – caldera; 2 – tanque de expansión; 3 – colector de alimentación; 4 – radiadores de calefacción; 5 – colector de retorno; 6 – bomba de circulación

Antes de pasar al lado aplicado de los cálculos, hay un par de advertencias importantes que hacer. En primer lugar, debe aprender que la clave para un buen cálculo radica en comprender los principios de los sistemas de fluidos a un nivel intuitivo. Sin esto, la consideración de cada solución individual se convierte en un entrelazamiento de cálculos matemáticos complejos. El segundo es la imposibilidad práctica de presentar más que conceptos básicos dentro de una revisión; para obtener explicaciones más detalladas, es mejor referirse a dicha literatura sobre el cálculo de sistemas de calefacción:

  • V. Pyrkov “Regulación hidráulica de sistemas de calefacción y refrigeración. Teoría y práctica «2ª edición, 2010.
  • R. Jaushovets «Hidráulica: el corazón del calentamiento del agua».
  • Manual de hidráulica de la sala de calderas de De Dietrich.
  • A. Saveliev “Calefacción en casa. Cálculo e instalación de sistemas «.

Determinación del caudal y la velocidad de movimiento del refrigerante.

El método más conocido para calcular sistemas hidráulicos se basa en datos de un cálculo de ingeniería térmica, que determina la tasa de reposición de las pérdidas de calor en cada habitación y, en consecuencia, la potencia térmica de los radiadores instalados en ellas. A primera vista, todo es simple: tenemos el valor total de la potencia térmica y luego dosificamos el flujo del portador de calor a cada dispositivo de calefacción. Para mayor comodidad, se construye previamente un boceto axonométrico del sistema hidráulico, que está anotado con los indicadores de potencia requeridos de los radiadores o bucles de un piso calentado por agua..

Diagrama axonométrico del sistema de calefacción.Diagrama axonométrico del sistema de calefacción.

La transición de la ingeniería térmica al cálculo hidráulico se realiza introduciendo el concepto de caudal másico, es decir, una determinada masa de refrigerante suministrada a cada sección del circuito de calefacción. El flujo másico es la relación entre la potencia térmica requerida y el producto de la capacidad calorífica específica del refrigerante por la diferencia de temperatura en las tuberías de suministro y retorno. Así, en el croquis del sistema de calefacción, se marcan los puntos clave para los que se indica el caudal másico nominal. Por conveniencia, el flujo volumétrico se determina en paralelo, teniendo en cuenta la densidad del portador de calor utilizado.

G = Q / (c (t2 – t1))

  • G – caudal de refrigerante, kg / s
  • Q – potencia térmica requerida, W
  • c – capacidad calorífica específica del refrigerante, para agua tomada como 4200 J / (kg ° C)
  • ?T = (t2 – t1) – diferencia de temperatura entre suministro y retorno, ° С

La lógica aquí es simple: para entregar la cantidad requerida de calor al radiador, primero debe determinar el volumen o la masa del refrigerante con una capacidad calorífica dada que pasa por la tubería por unidad de tiempo. Para hacer esto, se requiere determinar la velocidad de movimiento del refrigerante en el circuito, que es igual a la relación entre el flujo volumétrico y el área de la sección transversal del paso interno de la tubería. Si la velocidad se calcula en relación con el caudal másico, el valor de la densidad del refrigerante debe sumarse al denominador:

V = G / (? F)

  • V – velocidad de movimiento del refrigerante, m / s
  • G – caudal de refrigerante, kg / s
  • ? – la densidad del refrigerante, para el agua puede tomar 1000 kg / m3
  • f – el área de la sección transversal de la tubería, se encuentra mediante la fórmula ?­R2, donde r es el diámetro interior de la tubería dividido por dos

Los datos de caudal y velocidad son necesarios para determinar el tamaño nominal de las tuberías de desacoplamiento, así como el caudal y altura de las bombas de circulación. Los dispositivos de circulación forzada deben crear un exceso de presión para superar la resistencia hidrodinámica de las tuberías y las válvulas de cierre y control. La mayor dificultad es el cálculo hidráulico de sistemas con circulación natural (gravitacional), para lo cual la sobrepresión requerida se calcula de acuerdo con la velocidad y el grado de expansión volumétrica del refrigerante calentado..

Pérdidas de carga y presión

El cálculo de los parámetros según las relaciones descritas anteriormente sería suficiente para modelos ideales. En la vida real, tanto el flujo volumétrico como la velocidad del refrigerante siempre diferirán de los calculados en diferentes puntos del sistema. La razón de esto es la resistencia hidrodinámica al movimiento del refrigerante. Se debe a varios factores:

  1. Fuerzas de fricción del refrigerante contra las paredes de la tubería.
  2. Resistencias locales al flujo formadas por racores, grifos, filtros, válvulas termostáticas y otros racores.
  3. La presencia de ramificaciones de conexión y tipos de ramificación.
  4. Remolinos turbulentos en esquinas, constricciones, expansiones, etc..

Válvula mezcladora termostática

El problema de encontrar la caída de presión y la velocidad en diferentes partes del sistema se considera, con razón, el más difícil; se encuentra en el campo de los cálculos de medios hidrodinámicos. Así, las fuerzas de fricción del fluido contra las superficies internas de la tubería se describen mediante una función logarítmica que tiene en cuenta la rugosidad del material y la viscosidad cinemática. Los cálculos de los remolinos turbulentos son aún más complicados: el más mínimo cambio en el perfil y la forma del canal hace que cada situación sea única. Para facilitar los cálculos, se introducen dos factores de referencia:

  1. Kvs– caracterizar el rendimiento de tuberías, radiadores, separadores y otras áreas cercanas a lineales.
  2. Aem– determinación de la resistencia local en varios accesorios.

Estos factores están indicados por los fabricantes de tuberías, válvulas, válvulas, filtros para cada producto individual. Es bastante fácil usar los coeficientes: para determinar la pérdida de carga, Kms se multiplica por la relación entre el cuadrado de la velocidad de movimiento del refrigerante y el valor doble de la aceleración debida a la gravedad:

?hem = Kem (V2/ 2g)o ?pagsem = Kem (? V2/ 2)

  • ?hem – pérdida de presión en las resistencias locales, m
  • ?pagsem – pérdida de presión en las resistencias locales, Pa
  • Aem – coeficiente de resistencia local
  • g – aceleración de la gravedad, 9,8 m / s2
  • ? – la densidad del refrigerante, para agua 1000 kg / m3

La pérdida de carga en secciones lineales es la relación entre la capacidad del canal y el factor de capacidad conocido, y el resultado de la división debe elevarse a la segunda potencia:

P = (G / Kvs)2

  • P – pérdida de carga, barra
  • G – el caudal real del refrigerante, m3/hora
  • Kvs – rendimiento, m3/hora

Pre-equilibrio del sistema

El objetivo final más importante del cálculo hidráulico del sistema de calefacción es el cálculo de dichos valores de rendimiento en los que una cantidad estrictamente medida de refrigerante con una cierta temperatura ingresa a cada parte de cada circuito de calefacción, lo que garantiza la liberación de calor normalizada en los dispositivos de calefacción. Esta tarea parece difícil solo a primera vista. En realidad, el equilibrio se realiza mediante válvulas de control de restricción de flujo. Para cada modelo de válvula, se indican tanto el factor Kvs para la posición completamente abierta como la curva del factor Kv para diferentes grados de apertura del vástago de control. Al cambiar el rendimiento de las válvulas, que, por regla general, se instalan en los puntos de conexión de los dispositivos de calefacción, es posible lograr la distribución deseada del refrigerante y, por lo tanto, la cantidad de calor transferida por él..

Ajuste del área de flujo de la válvula

Sin embargo, hay un pequeño matiz: cuando el rendimiento cambia en un punto del sistema, no solo cambia el caudal real en la sección considerada. Debido a una disminución o aumento en el flujo, el equilibrio en todos los demás circuitos cambia hasta cierto punto. Si tomamos, por ejemplo, dos radiadores con diferente potencia térmica, conectados en paralelo con el movimiento de avance del refrigerante, entonces con un aumento en el rendimiento del dispositivo que es el primero en el circuito, el segundo recibirá menos refrigerante debido a un aumento en la diferencia en la resistencia hidrodinámica. Por el contrario, cuando la tasa de flujo disminuye debido a la válvula de control, todos los demás radiadores más abajo de la cadena recibirán un volumen mayor de refrigerante automáticamente y necesitarán una calibración adicional. Cada tipo de cableado tiene sus propios principios de equilibrio.

Sistemas de software para cálculos

Obviamente, los cálculos manuales solo están justificados para pequeños sistemas de calefacción con un máximo de uno o dos circuitos con 4-5 radiadores en cada uno. Los sistemas de calefacción más complejos con una potencia térmica de más de 30 kW requieren un enfoque integrado para el cálculo de la hidráulica, que amplía la gama de herramientas utilizadas mucho más allá de un lápiz y una hoja de papel..

Danfoss C.O. 3.8Danfoss C.O. 3.8

Hoy en día existe una gran cantidad de software proporcionado por los mayores fabricantes de equipos de calefacción, como Valtec, Danfoss o Herz. En dichos paquetes de software, se utiliza la misma metodología para calcular el comportamiento de la hidráulica, que se describió en nuestra revisión. Primero, se modela una copia exacta del sistema de calefacción proyectado en el editor visual, para lo cual se indican los datos sobre la potencia térmica, tipo de portador de calor, longitud y altura de las caídas de las tuberías, accesorios usados, radiadores y serpentines de calefacción por suelo radiante. La biblioteca de programas contiene una amplia gama de dispositivos y accesorios hidráulicos; para cada producto, el fabricante ha predeterminado los parámetros operativos y los factores básicos. Si lo desea, puede agregar muestras de dispositivos de terceros, si se conoce la lista requerida de características para ellos.

Cálculo hidráulico del sistema de calefacción en Danfoss C.O.

Al final del trabajo, el programa permite determinar el diámetro nominal apropiado de la tubería, seleccionar un caudal y una presión suficientes de las bombas de circulación. El cálculo se completa equilibrando el sistema, mientras que durante la simulación del funcionamiento de la hidráulica, se tienen en cuenta las dependencias y el efecto de cambiar el rendimiento de una unidad del sistema en todas las demás. La práctica muestra que el desarrollo y el uso de productos de software incluso de pago son más baratos que si los cálculos se confiaran a especialistas contratados..

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