Calcul hydraulique du système de chauffage

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Aujourd’hui, nous analyserons comment effectuer un calcul hydraulique du système de chauffage. En effet, à ce jour, la pratique de concevoir des systèmes de chauffage sur un coup de tête se répand. C’est une approche fondamentalement erronée: sans calcul préalable, nous élevons la barre de la consommation de matière, provoquons des modes de fonctionnement anormaux et perdons l’opportunité d’atteindre une efficacité maximale.

Calcul hydraulique du système de chauffage

Buts et objectifs du calcul hydraulique

D’un point de vue technique, un système de chauffage liquide semble être un complexe assez complexe, comprenant des dispositifs pour générer de la chaleur, la transporter et la libérer dans des pièces chauffées. Le mode de fonctionnement idéal pour un système de chauffage hydraulique est celui dans lequel le liquide de refroidissement absorbe le maximum de chaleur de la source et la transfère à l’atmosphère ambiante sans perte pendant le mouvement. Bien sûr, une telle tâche semble totalement inaccessible, mais une approche plus réfléchie permet de prédire le comportement du système dans diverses conditions et de se rapprocher le plus possible des benchmarks. C’est l’objectif principal de la conception des systèmes de chauffage, dont la partie la plus importante est considérée comme le calcul hydraulique..

Les objectifs pratiques de la conception hydraulique sont:

  1. Comprendre à quelle vitesse et dans quel volume le liquide de refroidissement se déplace dans chaque nœud du système.
  2. Déterminer quel effet un changement de mode de fonctionnement de chaque appareil a sur l’ensemble du complexe dans son ensemble.
  3. Établir la capacité et les caractéristiques de fonctionnement des unités et des appareils individuels qui seront suffisantes pour que le système de chauffage remplisse ses fonctions sans augmentation significative des coûts et en garantissant une marge de sécurité déraisonnablement élevée.
  4. En fin de compte – assurer une distribution strictement mesurée de l’énergie thermique dans différentes zones de chauffage et s’assurer que cette distribution est maintenue avec une grande constance.

Installation de radiateur de chauffage

Nous pouvons en dire plus: sans au moins des calculs de base, il est impossible d’obtenir une stabilité acceptable et une utilisation à long terme des équipements. La modélisation du fonctionnement d’un système hydraulique, en fait, est la base sur laquelle tout développement ultérieur de conception est basé..

Types de systèmes de chauffage

Les tâches d’ingénierie de ce type sont compliquées par la grande variété des systèmes de chauffage, tant en termes d’échelle que de configuration. Il existe plusieurs types d’échangeurs de chauffage, chacun ayant ses propres lois:

1. Systèmes sans issue à double tuyaua – la version la plus courante de l’appareil, bien adaptée à l’organisation des circuits de chauffage central et individuel.

Système de chauffage sans issue à deux tuyauxSystème de chauffage sans issue à deux tuyaux

2. Système monotube ou «Leningradka»est considéré comme le meilleur moyen de construire des complexes de chauffage civil d’une puissance thermique allant jusqu’à 30-35 kW.

Système de chauffage monotube Système de chauffage monotube à circulation forcée: 1 – chaudière de chauffage; 2 – groupe de sécurité; 3 – radiateurs de chauffage; 4 – Grue Mayevsky; 5 – vase d’expansion; 6 – pompe de circulation; 7 – vidange

3. Système bitube de type passant– le type de découplage des circuits de chauffage le plus intensif en matière, caractérisé par la stabilité de fonctionnement la plus élevée connue et la qualité de distribution du liquide de refroidissement.

Système de chauffage associé bi-tube (boucle Tichelman)Système de chauffage associé bi-tube (boucle Tichelman)

4. Disposition des poutresest à bien des égards similaire à un trajet à deux tuyaux, mais en même temps, toutes les commandes du système sont placées en un seul point – à l’assemblage du collecteur.

Circuit de chauffage radiantSystème de chauffage par rayonnement: 1 – chaudière; 2 – vase d’expansion; 3 – collecteur d’alimentation; 4 – radiateurs de chauffage; 5 – collecteur de retour; 6 – pompe de circulation

Avant de passer au côté appliqué des calculs, il y a quelques mises en garde importantes à faire. Tout d’abord, vous devez apprendre que la clé d’un bon calcul réside dans la compréhension des principes des systèmes fluides à un niveau intuitif. Sans cela, la considération de chaque solution individuelle se transforme en un entrelacement de calculs mathématiques complexes. Le second est l’impossibilité pratique de présenter plus que des concepts de base dans une revue; pour des explications plus détaillées, il est préférable de se référer à une telle littérature sur le calcul des systèmes de chauffage:

  • V. Pyrkov «Régulation hydraulique des systèmes de chauffage et de refroidissement. Théorie et pratique « 2e édition, 2010.
  • R. Jaushovets « L’hydraulique – le cœur du chauffage de l’eau ».
  • Manuel hydraulique de la chaudière de De Dietrich.
  • A. Saveliev «Chauffage à la maison. Calcul et installation de systèmes « .

Détermination du débit et de la vitesse de déplacement du liquide de refroidissement

La méthode la plus connue de calcul des systèmes hydrauliques est basée sur des données de calcul d’ingénierie thermique, qui déterminent le taux de reconstitution des pertes de chaleur dans chaque pièce et, par conséquent, la puissance thermique des radiateurs installés dans celles-ci. Au premier coup d’œil, tout est simple: nous avons la valeur totale de la puissance thermique puis dosons le débit du caloporteur vers chaque appareil de chauffage. Pour plus de commodité, un croquis axonométrique du système hydraulique est pré-construit, qui est annoté avec les indicateurs de puissance requis des radiateurs ou des boucles d’un plancher chauffé à l’eau..

Diagramme axonométrique du système de chauffageDiagramme axonométrique du système de chauffage

Le passage du génie thermique au calcul hydraulique se fait en introduisant le concept de débit massique, c’est-à-dire une certaine masse de fluide caloporteur fournie à chaque section du circuit de chauffage. Le débit massique est le rapport entre la puissance thermique requise et le produit de la capacité thermique spécifique du liquide de refroidissement par la différence de température dans les conduites d’alimentation et de retour. Ainsi, sur le croquis du système de chauffage, sont marqués les points clés pour lesquels le débit massique nominal est indiqué. Pour plus de commodité, le débit volumétrique est déterminé en parallèle, en tenant compte de la densité du caloporteur utilisé.

G = Q / (c (t2 – t1))

  • G – débit de liquide de refroidissement, kg / s
  • Q – puissance thermique requise, W
  • c – capacité thermique spécifique du liquide de refroidissement, pour une eau prise égale à 4200 J / (kg ° C)
  • ?T = (t2 – t1) – différence de température entre le départ et le retour, ° С

La logique ici est simple: afin de fournir la quantité de chaleur requise au radiateur, vous devez d’abord déterminer le volume ou la masse du caloporteur avec une capacité thermique donnée traversant le pipeline par unité de temps. Pour ce faire, il est nécessaire de déterminer la vitesse de déplacement du fluide caloporteur dans le circuit, qui est égale au rapport du débit volumétrique sur la section transversale du passage interne de la conduite. Si la vitesse est calculée par rapport au débit massique, la valeur de la densité du liquide de refroidissement doit être ajoutée au dénominateur:

V = G / (? F)

  • V – vitesse de déplacement du liquide de refroidissement, m / s
  • G – débit de liquide de refroidissement, kg / s
  • ? – la densité du liquide de refroidissement, pour l’eau vous pouvez prendre 1000 kg / m3
  • f – la section transversale du tuyau, est trouvée par la formule ?­R2, où r est le diamètre intérieur du tuyau divisé par deux

Les données sur le débit et la vitesse sont nécessaires pour déterminer la taille nominale des tuyaux de découplage, ainsi que le débit et la hauteur des pompes de circulation. Les dispositifs à circulation forcée doivent créer une surpression pour vaincre la résistance hydrodynamique des tuyaux et des vannes d’arrêt et de contrôle. La plus grande difficulté est le calcul hydraulique des systèmes à circulation naturelle (gravitationnelle), pour lesquels la surpression requise est calculée en fonction de la vitesse et du degré de dilatation volumétrique du liquide de refroidissement chauffé..

Pertes de charge et de pression

Le calcul des paramètres en utilisant les ratios décrits ci-dessus serait suffisant pour des modèles idéaux. Dans la vie réelle, le débit volumétrique et la vitesse du liquide de refroidissement différeront toujours de ceux calculés en différents points du système. La raison en est la résistance hydrodynamique au mouvement du liquide de refroidissement. Cela est dû à un certain nombre de facteurs:

  1. Forces de frottement du liquide de refroidissement contre les parois du tuyau.
  2. Résistances locales au débit formé par les raccords, robinets, filtres, vannes thermostatiques et autres raccords.
  3. La présence de types de branchement et de branchement.
  4. Tourbillons turbulents dans les coins, rétrécissements, expansions, etc..

Mitigeur thermostatique

Le problème de la recherche de la perte de charge et de la vitesse dans différentes parties du système est à juste titre considéré comme le plus difficile; il se situe dans le domaine des calculs de milieux hydrodynamiques. Ainsi, les forces de frottement du fluide contre les surfaces internes de la conduite sont décrites par une fonction logarithmique qui prend en compte la rugosité du matériau et la viscosité cinématique. Les calculs des tourbillons turbulents sont encore plus compliqués: le moindre changement dans le profil et la forme du canal rend chaque situation unique. Pour faciliter les calculs, deux facteurs de référence sont introduits:

  1. Kvs– caractériser le débit des tuyaux, radiateurs, séparateurs et autres zones proches du linéaire.
  2. ÀSP– détermination de la résistance locale dans divers raccords.

Ces facteurs sont indiqués par les fabricants de tuyaux, vannes, vannes, filtres pour chaque produit individuel. Il est assez facile d’utiliser les coefficients: pour déterminer la perte de charge, Kms est multiplié par le rapport du carré de la vitesse de déplacement du liquide de refroidissement à la valeur double de l’accélération de la pesanteur:

?hSP = KSP (V2/ 2g)ou ?pSP = KSP (? V2/ 2)

  • ?hSP – perte de charge sur les résistances locales, m
  • ?pSP – perte de charge sur les résistances locales, Pa
  • ÀSP – coefficient de résistance locale
  • g – accélération de la gravité, 9,8 m / s2
  • ? – la densité du liquide de refroidissement, pour l’eau 1000 kg / m3

La perte de charge en sections linéaires est le rapport de la capacité du canal au facteur de capacité connu, et le résultat de la division doit être élevé à la deuxième puissance:

P = (G / Kvs)2

  • P – perte de charge, bar
  • G – le débit réel du liquide de refroidissement, m3/heure
  • Kvs – débit, m3/heure

Pré-équilibrage du système

L’objectif final le plus important du calcul hydraulique du système de chauffage est le calcul de ces valeurs de débit auxquelles une quantité strictement dosée de liquide de refroidissement avec une certaine température pénètre dans chaque partie de chaque circuit de chauffage, ce qui assure le dégagement de chaleur normalisé sur les appareils de chauffage. Cette tâche ne semble difficile qu’à première vue. En réalité, l’équilibrage se fait par des vannes de régulation de débit. Pour chaque modèle de vanne, le facteur Kvs pour la position complètement ouverte et la courbe du facteur Kv pour différents degrés d’ouverture de la tige de commande sont indiqués. En modifiant le débit des vannes, qui, en règle générale, sont installées aux points de connexion des appareils de chauffage, il est possible d’obtenir la répartition souhaitée du liquide de refroidissement, et donc la quantité de chaleur transférée par celui-ci.

Réglage de la zone d'écoulement de la vanne

Il y a cependant une petite nuance: lorsque le débit change en un point du système, non seulement le débit réel dans la section considérée change. En raison d’une diminution ou d’une augmentation du débit, l’équilibre de tous les autres circuits change dans une certaine mesure. Si nous prenons, par exemple, deux radiateurs de puissance thermique différente, connectés en parallèle avec le mouvement opposé du liquide de refroidissement, alors avec une augmentation du débit du dispositif qui est le premier du circuit, le second recevra moins de liquide de refroidissement en raison d’une augmentation de la différence de résistance hydrodynamique. Au contraire, lorsque le débit diminue en raison de la vanne de régulation, tous les autres radiateurs plus bas dans la chaîne recevront automatiquement un plus grand volume de liquide de refroidissement et nécessiteront un étalonnage supplémentaire. Chaque type de câblage a ses propres principes d’équilibrage.

Systèmes logiciels pour les calculs

Évidemment, les calculs manuels ne sont justifiés que pour les petits systèmes de chauffage avec au maximum un ou deux circuits avec 4 à 5 radiateurs chacun. Les systèmes de chauffage plus complexes d’une puissance thermique supérieure à 30 kW nécessitent une approche intégrée du calcul de l’hydraulique, ce qui élargit la gamme d’outils utilisés bien au-delà d’un crayon et d’une feuille de papier.

Danfoss C.O. 3,8Danfoss C.O. 3,8

Aujourd’hui, il existe un assez grand nombre de logiciels fournis par les plus grands fabricants d’équipements de chauffage, tels que Valtec, Danfoss ou Herz. Dans de tels logiciels, la même méthodologie est utilisée pour calculer le comportement de l’hydraulique, qui a été décrite dans notre revue. Tout d’abord, une copie exacte du système de chauffage projeté est modélisée dans l’éditeur visuel, pour lequel les données sur la puissance thermique, le type de caloporteur, la longueur et la hauteur des gouttes de canalisations, les raccords utilisés, les radiateurs et les serpentins de chauffage par le sol sont indiqués. La bibliothèque de programmes contient une large gamme de dispositifs hydrauliques et de raccords; pour chaque produit, le fabricant a prédéterminé les paramètres de fonctionnement et les coefficients de base. Si vous le souhaitez, vous pouvez ajouter des échantillons tiers d’appareils, si la liste requise des caractéristiques est connue pour eux.

Calcul hydraulique du système de chauffage de Danfoss C.O.

À la fin des travaux, le programme permet de déterminer l’alésage nominal approprié, de sélectionner le débit et la pression suffisants des pompes de circulation. Le calcul est complété par l’équilibrage du système, tandis que lors de la simulation du fonctionnement de l’hydraulique, les dépendances et l’effet du changement du débit d’une unité du système sur tous les autres sont pris en compte. La pratique montre que maîtriser et utiliser des logiciels, même payants, s’avère moins coûteux que si les calculs étaient confiés à des spécialistes sous contrat..

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