Dimensionarea conductelor instalatiilor monotubulare, cu circulatie fortata, pentru consumatorii individuali

Dimensionarea conductelor instalatiilor monotubulare, cu circulatie fortata, pentru consumatorii individuali

Fata de variantele instalatiilor monotubulare propuse in figura 4.2.5., sunt retinute ca foarte importante urmatoarele combinatii de variante:

distributie orizontala racordata direct la coloana;

distributie orizontala racordata la coloana prin butelie de egalizare a presiunii (BEP);

Pentru fiecare varianta de racordare sunt retinute racordarile corpurilor de incalzire prin intermediul armaturilor cu racordare unica (ARU), care la randul lor permit alimentare sus-jos (v. figura 4.2.21.b) sau jos-jos (v. figura 4.2.21.cupru).

In cadrul metodologiei de calcul si a aplicatiei ce urmeaza, s-a admis ca reteaua de conducte, poate fi realizata din otel, cupru sau polymutan, conditii in care se are in vedere schema de calcul prezentata in figura 4.2.29.

Se considera ca toate circuitele orizontale se pot dimensiona pentru aceeasi pierdere de sarcina totala, echilibrul hidraulic al acestora in raport cu pozitia sa fata de coloana, putand fi asigurat prin organele de reglare cu care se doteaza modulul termohidraulic (MTH).

Armaturile pentru racordarea corpurilor de incalzire la retelele orizontale (ARU), prin constructia lor particulara primesc in ambele variante de alimentare (jos - jos sau sus - jos) intregul debit de fluid (G_T), pe care il imparte intre consumator (G_CX) si tranzit (G_TRX). Aceasta particularitate a sistemului de racordare, face ca intre racordarile jos-jos si sus-jos, diferentele din punct de vedere hidraulic sa fie determinate de pierderile de sarcina pe circuitul corpului de incalzire de la si pana la ARU, iar din punct de vedere termic, prin campul de temperaturi diferit, cu efecte asupra suprafetelor de incalzire, influente alocate prin coeficientul de racord 'c_r'. Fata de aceste considerente, se poate admite ca cele doua variante de racordare monotub (v. figura 4.2.29.a si b) pot beneficia de acelasi model de calcul.

A. Etapele de calcul

Se alcatuieste schema de calcul pentru retelele orizontale (v. fig. 4.2.29.a si b) si veticale (v. fig. 4.2.29.c), pe care se inscriu datele termice si geometrice necesare calculului hidraulic, prin care se urmareste stabilirea diametrelor si a pierderilor de sarcina totale.

Se stabilesc diametrele tronsoanelor de pe circuitul orizontal, utilizand tabele de calcul, in care se opereaza cu expresii de dependenta a parametrilor, de forma:

conducte din otel, tabelul 4.2.50.;

dx = f(Q_x; v_x)

in care:

Q_x - reprezinta debitul de agent termic al tronsonului exprimat in kW;

v_x - viteza economica a fluidului, exprimata in m/s, aleasa in acord cu recomadarile din tabelul 4.2.6.

Pierderile locale de sarcina (v. tabelul 4.2.51.) se evalueaza in concordanta cu geometria retelei, utilizand coeficientii de rezistenta locala recomandati in tabelul 4.2.4., la care se asocieaza expresia de corelare Z = z*, ce o permite tabelul 4.2.3.

conducte din cupru, tabelul 4.2.52.;

dx = f(G_x; v_x)

in care: G_x - reprezinta debitul masic de agent termic exprimat in kg/h;

v_x - viteza economica a fluidului, aleasa in acord cu recomandarile din tabelul 4.2.6., in m/s;

Pierderile locale de sarcina (v. tabelul 4.2.53.) se evalueaza in concordanta cu geometria retelei, utilizand valorile coeficientilor de rezistenta locala specifici (v. tabelul 4.2.7.) si a lungimii echivalente l_ech = f(v_x; d_x) (v. tabelul 4.2.9.)

Pentru acest caz particular pierderea totala de sarcina se calculeaza astfel:

Rl + Z = R(l + l_ech) = Rl (4.2.80.)

conducte de tip polymutan, tabelul 4.2.55.

dx = f(G_x; v_x)

in care:

G_x - reprezinta debitul masic de fluid, in l/s;

v_x - viteza economica, in m/s, conform tabelul 4.2.6.

Pierderile locale de sarcina (v. tabelul 4.2.55.) se evalueaza in concordanta cu geometria retelei, utilizand coeficientii de rezistenta locala recomandati in tabelul 4.2.8., si relatia de calcul

in care: _m = (_d + _r)/2, reprezinta masa specifica medie a agentului termic, stabilita pe baza valorilor date in tabelul 4.2.2.

Dimensionarea retelei verticale de alimentare cu agent termic, se face in acord cu schema de calcul (v. figura 4.2.29.c), luand in considerare posibilitatea de racordare directa sau prin BEP. In ambele cazuri de racordare se urmareste ca presiunea la baza coloanei 'H_DC' sa mentina raportul optim intre presiunea data de pompa 'H_p' si presiunea termica medie 'H_Tm'. Cum pentru toate exemplele de calcul a fost adoptata aceeasi geometrie de coloana si MTH, metodologia de calcul de dimensionare prezentata la paragraful 4.2.8.5.4. ramane valabila iar pentru acest caz se fac precizarile urmatoare:

pentru retelele orizontale racordate direct la coloane, conditia ce trebuieste indeplinita este data de expresia:

_DC^max Rl +Z)_CV + (Rl +Z)_CO H_DC^min (4.2.82.)

in care:

Rl +Z)_CV - reprezinta suma pierderilor de sarcina totale aferente coloanei, (v. tabelul 4.2.21B - pentru conducte din otel; 4.2.23.B - pentru conducte din cupru; 4.2.25.B - pentru conducte de tip polymutan);

Rl +Z)_CO - reprezinta suma pierderilor de sarcina totale aferente retelei monotubulare orizontale (v. tabelul 4.2.50. - pentru conducte din otel; 4.2.52. - pentru conducte din cupru; 4.2.54. - pentru conducte de tip polymutan)

H_DC^max si H_DC^min - reprezinta presiunea disponibila maxima si minima de la baza coloanei, calculata la paragraful 4.2.8.4. (v. tabelul 4.2.56.)

pentru retelele orizontale racordate prin BEP, conditia de racord optim intre presiunea data de pompa si presiunea termica se aplica numai coloanei de alimentare, care formeaza circuitul primar al BEP, caz in care este valabila conditia:

_DC^max Rl +Z)_CV H_DC^min (4.2.83.)

in care:

Rl +Z)_CV - reprezinta suma pierderilor de sarcina totale aferente circuitului vertical (v. tabelul 4.2.21.c pentru conducte din otel; 4.2.23.c - pentru conducte din cupru; 4.2.25.c - pentru conducte din polymutan). In acest caz, circuitul orizontal format din reteaua monotubulara de nivel, constitue circuitul secundar al BEP ale carei pierderi totale de sarcina Rl +Z)_CO (v. tabelul 4.2.51, 4.2.53. si 4.2.55.) vor fi acoperite de catre o pompa de etaj, aleasa pe baza caracteristicilor specifice:

H_POO = 10^-4 Rl +Z)_CO; mCA 

; m³/h 

in care: Q_T = Q_C1 + Q_C2 + Q_C3 + Q_C4 , in kW, restul marimilor avand semnificatiile cunoscute.

Circuitele secundare, care asigura racordarea corpurilor de incalzire la reteaua orizontala, pentru cazul particular al armaturilor de racordare unica 'ARU', nu se dimensioneaza, diametrele nominale ale acestora se stabilesc functie de puterea termica totala a corpului de incalzire.

Echilibrarea hidraulica a circuitelor corpurilor de incalzire in raport cu nodurile de racordare, se face prin utilizarea dispozitivelor locale de reglare, cu care sunt prevazute ARU. Pentru cazul particular al retelelor monotubulare racordate cu ARU in sistem de alimentare jos-jos sau sus-jos, pierderea de sarcina a circuitului secundar poate fi considerata ca este formata numai din pierderi de sarcina locale, induse de catre circuitele ARU si corpul de incalzire in cazul racordarii jos-jos, si suplimentar de robinetul cu dublu reglaj (cu sau fara termostat) in cazul racordarii sus-jos.

Evaluarea pierderilor de sarcina locale aferente circuitelor secundare se poate face luand in consideratie expresia pierderilor de sarcina, scrisa sub forma:

de unde cu notatiile din figura 4.2.30. rezulta:

in care: Z_CX - reprezinta pierderile de sarcina locale pe circuitul corpului de incalzire, in Pa;

Figura 4.2.30.

Z_TRX - reprezinta pierderile de sarcina locale pe circuitul debitului de tranzit 'G_TRX', care nu traverseaza corpul de incalzire si care urmeaza a fi preluate prin reglajul specific al ARU.

G_CX - debitul masic de fluid ce traverseaza circuitul corpului de incalzire si care se stabileste dupa cum urmeaza:

; kg/h 

in care: Q_CX - reprezinta debitul de agent termic al consumatorului, in kW;

t_x = t_in - t_ie - diferenta de temperatura a agentului termic, intre intrarea si iesirea din corpul de incalzire, care intr-o prima iteratie se poate considera t_x = 10grd, urmand corectarea sa functie de conditiile particulare ale aplicatiei.

G_trx = G_T - G_cx; kg/h 

in care: kg/h 

Cu aceste date, circuitele secundare ale corpurilor de incalzire vor putea fi echipate in raport cu circuitul in tranzit, alegand treapta de reglaj a fiecarei armaturi de reglare unica (ARU).

TR_ARU = f(Z_tr; G_tr) (4.2.91.)

Suprafetele de incalzire aferente corpurilor de incalzire vor fi calculate functie de temperaturile medii ale agentului termic, prin recalcularea coeficientului de temperatura 'c_t' cu relatia:

in care: , cu t_d/t_r - temperaturile nominale ale agentului termic la intrare si iesire din reteaua orizontala, iar t_i - temperatura adoptata pentru spatiul incalzit.

t = t_in - t_ie cu t_in/t_ie - temperaturile locale la intrarea si iesirea din corpul de incalzire, determinate prin recurenta cu expresia:

care particularizata pentru cazul particular din figura 4.2.30. conduce la:

t₄ = t_D; t₄^* = t₄ - t_C4

t₃^* = t₃ - t_C3 (4.2.95.)

t₂^* = t₂ - t_C2 (4.2.96.)

t₁^* = t₁ - t_C1 t_r (4.2.97.)

Cele doua sisteme de racordare (jos-jos si sus-jos) sunt diferentiate din punct de vedere al suprafetei de incalzire, prin coeficientul de racord 'c_r', care este indicat de catre STAS 1797

B. Exemplul de calcul are la baza schema de calcul prezentata in figura 4.2.29. si 4.2.30., in care sunt mentinute elementele geometrice si termice ale cladirii pentru care au fost analizate variantele anterioare de instalatii de incalzire. Parcurgand succesiv etapele de calcul pentru fiecare categorie de conducte si tip de racord, se deduc particularitatile acestor categorii de instalatii.

Diametrele tronsoanelor si evaluarea pierderilor totale de sarcina, centralizate in tabele, au fost stabilite functie de debitul de agent termic si viteza economica, pentru fiecare categorie de material folosit la realizarea conductelor (otel, cupru sau polymutan) precum si a celor doua variante de racordare orizontale la coloana (retea verticala)

pentru conductele din otel (v. tabelul 4.2.50.), diametrele sunt alese functie de debitul de agent termic si viteza economica, utilizand tabelul de calcul 4.2.3. pentru R si 4.2.4. pentru coeficientii de rezistenta locala, ceea ce a permis evaluarea pierderilor de sarcina totale pentru care exista doua valori:

Rl +Z) = 1679,53 Pa si (Rl +Z) = 2815,35 Pa

Valoarea mai mica a pierderilor de sarcina, obtinuta prin marirea diametrului tronsonului 1, este destinata cazului de racordare directa a retelei orizontale la coloana. Optiunea pentru aceasta valoare se poate valida prin conditia de raport optim intre presiunea data de pompa si cea termica, pusa in evidenta prin conditia:

H_DC^max = 3191 Pa (Rl +Z)_CO+CV = 2617 Pa H_DC^min = 2393 Pa

pentru care valorile sunt prezentate in tabelul 4.2.56.

Daca se ia in consideratie o presiune disponibila medie H_DC^max = 3000 Pa, rezulta ca la nivelul modulului termohidraulic pot fi admise pierderi de sarcina locale RF - MTH 382 Pa, care pot fi acoperite prin rezistenta hidraulica a componentelor cu care este echipat MTH sau prin dispozitive de reglare.

Valoarea mai mare a pierderilor de sarcina, obtinute prin micsorarea diametrului tronsonului 1, este destinata cazului de racordare prin intermediul BEP. In aceasta varianta se formeaza doua circuite:

- circuitul primar, format intre baza coloanei si BEP, pentru care pierderea totala de sarcina trebuie sa satisfaca conditia de raport optim intre presiunea data de pompa si cea termica. Pierderile de sarcina totale pentru acest circuit, prezentate in tabelul 4.2.21.c sunt Rl +Z)_CV = 2383,30 Pa. Conditia de validare a calcului de dimensionare pusa in evidenta prin sirul de inegalitati

H_DC^min = 2273 Pa  Rl+Z)_CV = 2383,30 Pa H_DC^max = 3031 Pa

arata ca raportul optim este asigurat pentru H_p/H_Tm = 0,5

- circuitul secundar al BEP, format de reteaua secundara are o pierdere de sarcina totala (Rl+Z)_CO = 2815,53 Pa, care va fi asigurata integral de catre o pompa de circulatie ai carei parametri de alegere sunt:

m³/h

H_P-CO = 10^-4 Rl+Z)_CO = 10^-4 2815,35 = 0,281 mCA

pentru conductele din cupru (v. tabelul 4.2.52.) diametrele tronsoanelor retelei orizontale sunt stabilite functie de debitul masic de fluid si viteza economica, pe baza tabelului de calcul 4.2.9. Pierderile de sarcina locale sunt evaluate functie de coeficientii de rezistenta locala , stabiliti in concordanta cu geometria retelei si datele furnizate de tabelul 4.2.10. si lungimea echivalenta pentru  = 1, indicata in tabelul 4.2.12. Valorile mai mici ale pierderilor de sarcina, obtinute pentru o retea cu diametre mai mari, pentru care (Rl+Z)_CO = 1382,46 Pa reprezinta ca si in cazul precedent, optiunea pentru cazul racordarii directe la coloana, caz in care validarea calculelor de dimensionare se obtine prin satisfacerea inegalitatilor:

H_DC^min = 2393 Pa  Rl+Z)_CO+CV = 2894,38 Pa H_DC^max = 3191 Pa

Daca se admite, si in acest caz, o presiune disponibila medie H_DC^med = 3000 Pa, rezulta ca la nivelul MTH se poate consuma inca 105 Pa, fara a iesii din domeniul de validare (tabelul 4.2.56.).

Valorile mai mari ale pierderilor de sarcina, obtinute pentru o retea cu diametre mai mici, reprezinta optiunea de dimensionare valabila in cazul racordarii prin intermediul BEP, cand se formeaza cele doua circuite:

- circuitul primar pentru care urmeaza sa fie satisfacuta inegalitatea:

H_DC^min = 2273 Pa  Rl+Z)_CV = 2236,21 Pa H_DC^max = 3031Pa

de unde rezulta satisfacerea conditiei de optim H_p/H_Tm;

- circuitul secundar pentru care pierderile de sarcina (Rl+Z)_CO = 2434,03 Pa, vor fi acoperite de catre o pompa de circulatie ai carei parametrii de alegere sunt:

m³/h

H_P-CO = 10^-4 Rl+Z)_CV = 10^-4 2434,03 = 0,243 mCA

pentru conducte de tip polymutan (v. tabelul 4.2.54.) diametrele tronsoanelor orizontale sunt stabilite functie de debitul masic de fluid si viteza economica, pe baza tabelului de calcul 4.2.7., iar pierderile de sarcina locala functie de coeficientii de rezistenta locala stabiliti in raport cu datele din tabelul 4.2.8.

Valorile mici ale pierderilor de sarcina totale, Rl+Z)_min = 1594,62 Pa, reprezinta optiunea de dimensionare pentru cazul racordarii directe la coloana. In acest caz pierderile de sarcina ale conductelor verticale, Rl+Z)_CV = 1272,17 Pa, stabilite in tabelul 4.2.2.5.8., se sumeaza cu cele obtinute pe circuitul orizontal, trebuind sa satisfaca inegalitatea:

H_DC^min = 2393 Pa  Rl+Z)_CO+CV = 2866,79 Pa H_DC^max = 3191Pa

prin care se asigura mentinerea raportului optim H_p/H_Tm (v. tabelul 4.2.56.).

Valorile mari ale pierderilor de sarcina totale, pe circuitul orizontal, Rl+Z)_CO-max = 2640,41 Pa, corespunde optiunii pentru varianta de racordare prin intermediul BEP, in raport cu care apar doua circuite:

- circuitul primar pentru care pierderile de sarcina totale (v. tabelul 4.2.25.c)(Rl+Z)_CV = 2572,73 Pa, urmeaza sa satisfaca inegalitatea:

H_DC^min = 2273 Pa  Rl+Z)_CV = 2572,73 Pa H_DC^max = 3031Pa

conditie care impune respectarea raportului optim intre H_p si H_Tm, care valideaza rezultatele obtinute. Eventualele pierderi de sarcina suplimentare, RF - MTH) = 227,27 Pa, ce pot sa apara la nivelul BEP, (prin racorduri si BEP) nu modifica acest raport optim.

- circuitul secundar pentru care pierderile de sarcina (Rl+Z)_CO = 2640,41 Pa urmeaza a fi acoperite de catre o pompa de circulatie ai carei parametrii sunt:

m³/h

H_P-CO = 10^-4 Rl+Z)_CO = 10^-4 2640,41 = 0,264 mCA

- conditiile de echilibru hidraulic al retelelor orizontale la coloana, (v. figura 4.2.29.c) pentru retelele orizontale situate sub ultimul nivel, prezentate in tabelul 4.2.57., respecta sirul de inegalitati corespunzatoare pozitiei de racord la coloana:

etajul 3

etajul 2

etajul 1

(4.2.98)

parter

Din tabelul 4.2.57. rezulta ca pentru toate punctele de racord, conditiile de mai sus sunt indeplinite, disponibilul de presiune ce trebuie disipat prin componentele cu care este echipat MTH, (Z_MTH) are volori mici si care pot fi preluate de componentele sale.

Pentru alegerea treptelor de reglare a organelor de echilibrare care pot echipa MTH - urile, pe ultima linie a tabelului 4.2.58. sunt calculate debitele volumice de fluid, cu care poate rezulta:

Trx = f(Z_MTH^*; G_RF^*)

Asigurarea echilibrului hidraulic al circuitelor secundare al retelei orizontale, se poate stabili, punand conditia ca pierderile de sarcina ale circuitului primar, care trece prin corpul de incalzire sa fie aceleasi cu cele ale circuitului secundar care este traversat de debitul masic in tranzit prin armatura cu racordare unica. In acord cu schema de calcul prezentata in figura 4.2.30., aceasta conditie poate fi scrisa sub forma:

Z_trx = (G_trx/G_cx Z_cx    (4.2.100.)

Pentru stabilirea debitelor masice ale consumatorilor 'G_cx' si a celor in tranzit prin ARU 'G_tr' se efectueaza calculul succesiv dupa modelul de mai jos:

- debitul masic total de fluid al instalatiei orizontale:

- debitul masic de fluid al consumatorilor 'G_cx', intr-o prima iteratie, se stabiliste considerand o diferenta de temperatura t = t_in - t_ie = 10^oC = t_c4 = t_c3 =t_c2 =t_c1

kg/h

kg/h

kg/h

kg/h

- temperaturile agentului termic la intrarea si iesirea in si din corpul de incalzire scrise in acord cu notatiile din figura 4.2.30. sunt urmatoarele:

t₄ = t_d = 95^oC

t₄^* = t₄ - t_c4 = 95 - 10 = 85^oC

^oC

G_tr4 = G_T - G_c4 = 387 - 198,086 = 189,47 kg/h

t₃^* = t₃ - t_c3 = 89,88 - 10 = 79,88^oC

^oC

G_tr3 = G_T - G_c3 = 387 - 180,86 = 206,70 kg/h

t₂^* = t₂ - t_c2 = 85,21 - 10 = 75,21^oC

^oC

G_tr2 = G_T - G_c2 = 387 - 180,86 = 206,70 kg/h

t₁^* = t₁ - t_c1 = 80,54 - 10 = 70,54^oC << 75^oC, care este conditia de retur a agentului termic. In acest caz se impune ca debitul total al retelei sa tranziteze circuitul primar al corpului de incalzire 1, conditie cu care se obtine:

- pierderile de sarcina locale pentru circuitele primare (cele ce traverseaza consumatorul), in care cele doua variante de racordare (jos-jos si sus-jos), sunt evaluate, considerand valori globale asimilate pentru fiecare tip de armatura, 'Z_cx' pe circuitul fiecarui consumator. In cazul, de fata, acestea au fost stabilite luand in considerare valori medii probabile 'v_m' prin fiecare circuit cu care a rezultat:

- alegerea treptei de reglaj a circuitului de tranzit 'T_RTx' se poate stabilii ca functie de marimile cunoscute din tabelul 4.2.58. astfel:

T_RTx = f(G_trx; Z_trx)

Din tabelul 4.2.59., se observa ca pentru consumatorul 1 care este tranzitat de intreg debitul de fluid, Z_tr = 0, deci circuitul secundar este inchis complet.

Recalcularea suprafetelor corpurilor de incalzire, se va face luand in consideratie, temperaturiile medii la intrarea si iesirea din corpul de incalzire, care determina valoarea 'c_t', iar pentru cele doua variante de racordare se va alege coeficientul de racordare 'c_r' corespunzator.