Cálculo da Carga Calor na AQS • Declaração Técnica

O tema deste artigo é o cálculo das redes de abastecimento de água em uma residência privada. Visto que um esquema típico de abastecimento de água em uma pequena cabana não é muito complexo, não precisamos entrar na selva de fórmulas complexas; entretanto, o leitor terá que assimilar uma certa quantidade de teoria.

Fragmento do sistema de abastecimento de água de uma residência particular. Como qualquer outro sistema de engenharia, este precisa de cálculos preliminares.

Características da fiação da casa de campo

Qual é, de fato, o sistema de abastecimento de água em uma casa particular mais fácil do que em um prédio de apartamentos (claro, além do número total de encanamentos)?

Existem duas diferenças fundamentais:

Com água quente, via de regra, não há necessidade de fornecer circulação constante através de risers e toalheiros aquecidos.

Na presença de insertos de circulação, o cálculo da rede de abastecimento de água quente torna-se visivelmente mais complicado: as tubulações precisam passar por si mesmas não só a água desmontada pelos moradores, mas também as massas de água em circulação contínua.

No nosso caso, a distância dos acessórios de encanamento à caldeira, coluna ou ligação à linha é pequena o suficiente para ignorar a taxa de abastecimento de água quente à torneira.

Importante: Para quem não conhece esquemas de circulação de água quente sanitária - em prédios modernos, os elevadores de água quente são conectados aos pares. Devido à diferença de pressão nas conexões criadas pela arruela de retenção, a água é continuamente circulada pelos risers. Isso garante um abastecimento rápido de água quente para os misturadores e aquecimento durante todo o ano dos toalheiros aquecidos nos banheiros.

O toalheiro aquecido é aquecido por circulação contínua através dos risers de água quente.

O sistema de abastecimento de água de uma residência privada é dividido de acordo com um esquema sem saída, o que implica uma carga constante em certas seções da fiação. Para efeito de comparação, o cálculo da rede do anel de abastecimento de água (permitindo que cada seção do sistema de abastecimento de água seja alimentada por duas ou mais fontes) deve ser realizado separadamente para cada um dos esquemas de conexão possíveis.

Outros parâmetros

Os critérios acima para a escolha de uma caldeira são os principais, mas existem outras características que podem afetar a escolha de um determinado modelo, como mão de obra e material, além do custo dos equipamentos. Os tanques mais duráveis são considerados feitos de aço inoxidável. Uma vantagem importante é a presença de um trocador de calor removível para que você mesmo possa descalcificá-lo. Você deve evitar comprar dispositivos que utilizem espuma de borracha como isolamento, pois esse material tem vida muito curta. Além disso, o preço de uma caldeira depende diretamente do fabricante e do país onde o equipamento foi montado.

O sistema de água quente torna a sua casa confortável e acolhedora. Isso é fácil de conseguir com um aquecedor de água de qualidade. A escolha de modelos atualmente é grande e, após calcular os parâmetros necessários, todos podem escolher um equipamento com uma boa relação qualidade-preço.

O que nós pensamos

Temos que:

Estime o consumo de água no pico de consumo.
Calcule a seção transversal da tubulação de água que pode fornecer essa taxa de fluxo a uma taxa de fluxo aceitável.

Nota: a vazão máxima de água na qual não gera ruído hidráulico é de cerca de 1,5 m / s.

Calcule a cabeça no acessório final. Se for inaceitavelmente baixo, vale a pena considerar o aumento do diâmetro da tubulação ou a instalação de uma bomba intermediária.

A baixa pressão na batedeira dificilmente agradará ao proprietário.

As tarefas são formuladas. Vamos começar.

Consumo

Ele pode ser estimado aproximadamente pelas taxas de consumo para instalações hidráulicas individuais. Os dados, se desejado, podem ser facilmente encontrados em um dos anexos do SNiP 2.04.01-85; para comodidade do leitor, apresentamos um trecho dele.

Tipo de dispositivo	Consumo de água fria, l / s	Consumo total de água quente e fria, l / s
Água da torneira	0,3	0,3
Vaso sanitário com torneira	1,4	1,4
Sanita com cisterna	0,10	0,10
Cabine de duche	0,08	0,12
Banho	0,17	0,25
Lavando	0,08	0,12
Lavatório	0,08	0,12

Em edifícios de apartamentos, no cálculo do consumo, é utilizado o coeficiente de probabilidade do uso simultâneo de dispositivos. Basta somarmos o consumo de água por meio de aparelhos que podem ser usados ao mesmo tempo. Digamos que uma pia, um chuveiro e um vaso sanitário forneçam um fluxo total de 0,12 + 0,12 + 0,10 = 0,34 l / s.

Soma-se o consumo de água por meio de dispositivos capazes de operar simultaneamente.

Qual aquecedor de água escolher?

Diagrama da caldeira.

Dependendo da tarefa atribuída a você, o cálculo da caldeira certa para você pode ser feito de duas maneiras. No primeiro caso, o volume de água armazenado é levado em consideração e a capacidade do trocador de calor e a fonte de alimentação são calculadas. Na segunda, o volume de um aquecedor de água é calculado para armazenar o calor gerado ao longo de um determinado tempo por uma fonte de determinada energia.

Deve ser entendido que qualquer que seja a técnica utilizada, a capacidade de acumulação da água é sempre caracterizada pela sua capacidade calorífica. Este valor é constante e é igual a 4,187 kJ.kg / ° C. Isso significa que, por exemplo, para aquecer 1 kg de água a 1 ° C, é necessário fornecer uma quantidade de calor igual a 4,187 kJ. E isso requer 1.163 kWh.

Dispositivo de caldeira elétrica.

Por exemplo, se você tem um aquecedor de água com um volume de 1000 litros e precisa aquecer a água até 50 ° C, a demanda de energia térmica é calculada da seguinte maneira: 1000 × 50 = 58 kWh.

A potência do trocador de calor depende da diferença de temperatura entre a água aquecida e a aquecida, bem como do coeficiente de transferência de calor. Para cada trocador de calor específico, o coeficiente de transferência de calor será individual. Portanto, não pode existir uma fórmula universal para calcular um aquecedor de água. E a maneira mais fácil de escolher um trocador de calor são os diagramas que os fabricantes indicam nas especificações técnicas de seus aquecedores de água.

Tendo lembrado desta verdade simples, você pode prosseguir para a consideração das características individuais.

Dispositivo de caldeira elétrica padrão

Diagrama do tanque de armazenamento da caldeira.

Em nosso país, é geralmente aceito que um aquecedor de água e uma caldeira são dispositivos diferentes. Mas, na verdade, toda a diferença é que a caldeira possui um reservatório para aquecimento e armazenamento de água quente. É por isso que na literatura técnica eles são chamados de "termoacumuladores". Além disso, as caldeiras diferem quanto à fonte de calor. Agora existem sistemas de aquecimento direto e indireto. Se o dispositivo gera calor por si mesmo usando um aquecedor termoelétrico ou um queimador a gás, então este é um sistema de aquecimento direto. O aquecimento indireto ocorre devido ao agente de aquecimento fornecido pela caldeira de aquecimento a uma determinada temperatura. Na maioria das vezes, são usados aquecedores de água de armazenamento, você pode ver o diagrama na Imagem 1.

Tabela de cálculo para um aquecedor de água acumulada.

Antes de decidir pela compra de um aquecedor de água específico, é necessário calcular todos os parâmetros e levar em consideração as características da sua casa e as condições de uso futuro. Certifique-se de avaliar os seguintes parâmetros:

condição da fiação elétrica;
possível carga na fiação elétrica;
disponibilidade da capacidade de conectar-se às comunicações de gás;
facilidade de manutenção de todos os equipamentos que atendem à casa (incluindo bombas d'água, se houver).

Instalação de termoacumulador (caldeira).

Além disso, é necessário levar em consideração o número de pessoas que usarão o aquecedor de água e fazer um planejamento aproximado da quantidade de água quente que consumirão todos os dias. Depois disso, você pode começar a escolher um modelo específico.

Para escolher o aquecedor de água certo para você, você deve primeiro decidir sobre suas principais características, a saber:

a fonte de energia mais adequada;
volume necessário de água aquecida;
consumo de refrigerante;
tempo de aquecimento.

De acordo com esses parâmetros, o aquecedor de água é calculado.

Fonte de energia para aquecimento de água

Circuito de aquecimento da caldeira.

O gás e a eletricidade são usados como as principais fontes de energia para aquecedores de água. Existem também fontes mais exóticas como os painéis solares, mas não são muito comuns em nosso país. Portanto, para realizar um cálculo preciso, é necessário comparar as vantagens e desvantagens do gás e da eletricidade.

Os aquecedores elétricos de água estão disponíveis em capacidades de 1 a 6 kW. A potência de uma caldeira a gás começa a partir de 4 kW.
Como regra, os aquecedores de água a gás com armazenamento têm um tanque de água quente maior (até 150 litros), enquanto os elétricos raramente ultrapassam os 100 litros.
O custo do gás na Rússia é muito mais barato do que a eletricidade.

Diagrama de um aquecedor de água sob pressão.

Parece que a escolha é óbvia e não há necessidade de fazer cálculos complexos. Levará cerca de metade do tempo para obter 100-150 litros de água quente usando um aquecedor de água a gás do que usando um sistema movido a eletricidade. Mas os dispositivos elétricos não requerem equipamento adicional de linha de força - uma simples tomada é suficiente para eles. Não é necessário convidar especialistas para a instalação de tal caldeira. Já um aquecedor de água a gás deve ser conectado a um gasoduto, que não está disponível em todas as casas de veraneio. Além disso, uma chaminé é necessária para a instalação segura de um aquecedor de água a gás.

É impossível comparar preços para caldeiras com diferentes fontes de energia. O custo dos sistemas elétricos depende principalmente da potência do elemento de aquecimento e do volume do tanque. O preço dos aquecedores de água a gás é formado em função do tipo de câmara de combustão. Eles são internos e externos. A instalação de equipamentos com câmara interna requer esforço e tempo mínimos. Mas esses dispositivos custam cerca de duas vezes mais que as caldeiras com uma câmara externa.

Mais uma condição deve ser levada em consideração. As caldeiras a gás são capazes de aquecer significativamente o ar. Nas condições de chalés de verão e quartos pequenos, tal característica pode se tornar um problema real se você colocar um aquecedor de água, por exemplo, na cozinha.

Portanto, é impossível dar recomendações inequívocas para a escolha de uma caldeira com uma fonte de energia específica.

Corte transversal

O cálculo da seção transversal de um tubo de abastecimento de água pode ser realizado de duas maneiras:

Seleção de acordo com a tabela de valores.
Calculado de acordo com a vazão máxima permitida.

Seleção por mesa

Na verdade, a tabela não requer nenhum comentário.

Furo nominal do tubo, mm	Consumo, l / s
10	0,12
15	0,36
20	0,72
25	1,44
32	2,4
40	3,6
50	6

Por exemplo, para uma taxa de fluxo de 0,34 l / s, um tubo DU15 é suficiente.

Observe: DN (diâmetro nominal) é aproximadamente igual ao diâmetro interno da tubulação de água e gás. Para tubos de polímero marcados com um diâmetro externo, o interno difere em cerca de uma etapa: digamos, um tubo de polipropileno de 40 mm tem um diâmetro interno de cerca de 32 mm.

O furo nominal é aproximadamente igual ao diâmetro interno.

Cálculo da taxa de fluxo

O cálculo do diâmetro do sistema de abastecimento de água com base no fluxo de água através dele pode ser realizado usando duas fórmulas simples:

Fórmulas para calcular a área de uma seção ao longo de seu raio.
Fórmulas para calcular a taxa de fluxo através de uma seção conhecida em uma taxa de fluxo conhecida.

A primeira fórmula é S = π r ^ 2. Iniciar:

S é a área da seção transversal necessária.
π é pi (aproximadamente 3,1415).
r é o raio da seção (metade do DN ou o diâmetro interno do tubo).

A segunda fórmula é semelhante a Q = VS, onde:

Q - consumo;
V é a taxa de fluxo;
S é a área da seção transversal.

Para a conveniência dos cálculos, todos os valores são convertidos para SI - metros, metros quadrados, metros por segundo e metros cúbicos por segundo.

Unidades SI.

Vamos calcular com nossas próprias mãos o DU mínimo do tubo para os seguintes dados de entrada:

O fluxo através dele é igual a 0,34 litros por segundo.
A velocidade de fluxo usada nos cálculos é o máximo permitido de 1,5 m / s.

Vamos começar.

A taxa de fluxo em valores SI será igual a 0,00034 m3 / s.
A área seccional de acordo com a segunda fórmula deve ser de pelo menos 0,00034 / 1,5 = 0,00027 m2.
O quadrado do raio de acordo com a primeira fórmula é 0,00027 / 3,1415 = 0,000086.
Tire a raiz quadrada desse número. O raio é 0,0092 metros.
Para obter DN ou diâmetro interno, multiplique o raio por dois. O resultado é 0,0184 metros, ou 18 milímetros. Como você pode ver facilmente, é próximo ao obtido pelo primeiro método, embora não coincida exatamente com ele.

Consumo de energia

Tendo chegado a uma decisão sobre a necessidade de comprar e calcular o volume de uma caldeira de aquecimento indireto, você precisa calcular a quantidade de água quente necessária para a existência normal. Imaginemos uma família de 4 pessoas e façamos uma análise diária média durante uma semana e um estudo de pico (manhã do dia útil) do consumo de água quente.

Análise semanal

Para lavar a louça, você precisará de cerca de 5 litros de água morna por minuto. O tempo de enxágue é levado em consideração, é cerca de 5 minutos. Eu lavo meus pratos duas vezes ao dia, a gente pega 50 litros de água morna para fazer os utensílios da cozinha por dia. Multiplicamos por 7 dias um total de 350 litros por semana.
Cada pessoa toma banho 2 a 3 vezes por semana, gastando cerca de 170 litros. 4 * 2,5 = 10 * 170 = 1700 litros em 7 dias.
Chuveiro mais 4-5 vezes por 10 minutos a uma taxa de fluxo de cerca de 12 l / min. 4,5 * 10 * 12 = 540 por membro da família, respectivamente, para todos os 2160 litros por semana.
Higiene pequena (lavar as mãos, sapatos, limpar a casa) - cerca de 10 litros por pessoa por dia equivalem a 280 litros no período de estudo.

Total - 350 + 1700 + 2160 + 280 = 4490 litros por semana. Vamos adicionar os convidados que vieram e apenas no caso de obtermos um valor aproximado de cerca de 5.000 litros por semana. Mas a caldeira conta em horas, você precisa traduzir em suas unidades. 5000/7/24 = 30 litros por hora de água quente é o consumo médio de uma família de 4 pessoas.

Com base em nossos números para a relação de temperatura e energia, obtemos o consumo de energia médio necessário - 30 * 0,0375 = 1,125 kW / h.

Pressão

Vamos começar com algumas notas gerais:

A pressão típica na linha de abastecimento de água fria é de 2 a 4 atmosferas (kgf / cm2)... Depende da distância da estação de bombagem ou torre de água mais próxima, do terreno, do estado da rede, do tipo de válvulas da rede de abastecimento de água e de vários outros fatores.
A pressão mínima absoluta que permite que todos os equipamentos modernos de encanamento e eletrodomésticos que usam água funcionem é de 3 metros... A instrução para aquecedores instantâneos Atmor, por exemplo, diz diretamente que o limite inferior de resposta do sensor de pressão que inclui aquecimento é de 0,3 kgf / cm2.

O sensor de pressão do dispositivo é acionado a uma pressão de 3 metros.

Referência: em pressão atmosférica, 10 metros de altura manométrica correspondem a 1 kgf / cm2 de sobrepressão.

Na prática, em uma fixação final, é melhor ter uma altura manométrica mínima de cinco metros. Uma pequena margem compensa perdas não contabilizadas em conexões, válvulas de corte e no próprio dispositivo.

Precisamos calcular a queda de carga em um duto de comprimento e diâmetro conhecidos. Se a diferença de pressão correspondente à pressão na linha principal e a queda de pressão no sistema de abastecimento de água for superior a 5 metros, nosso sistema de abastecimento de água funcionará perfeitamente.Se for menor, você precisa aumentar o diâmetro do tubo, ou abri-lo por bombeamento (cujo preço, aliás, irá claramente exceder o aumento dos custos dos tubos devido ao aumento em seu diâmetro em um passo )

Então, como é feito o cálculo da pressão na rede de abastecimento de água?

Aqui, a fórmula H = iL (1 + K) é válida, na qual:

H é o valor desejado da queda de pressão.
i é a chamada inclinação hidráulica da tubulação.
L é o comprimento do tubo.
K é um coeficiente determinado pela funcionalidade do sistema de abastecimento de água.

A maneira mais fácil é determinar o K.

É igual a:

0,3 para uso doméstico e para uso doméstico.
0,2 para industrial ou de combate a incêndio.
0,15 para fogo e produção.
0,10 para um bombeiro.

Na foto há um sistema de abastecimento de água para incêndio.

Não há dificuldades específicas para medir o comprimento do oleoduto ou sua seção; mas o conceito de polarização hidráulica requer uma discussão separada.

Seu valor é influenciado pelos seguintes fatores:

A rugosidade das paredes do tubo, que, por sua vez, depende do seu material e idade. Os plásticos têm uma superfície mais lisa do que o aço ou ferro fundido; além disso, os tubos de aço ficam cobertos de calcário e ferrugem com o tempo.
Diâmetro do tubo. Aqui opera a relação inversa: quanto menor, mais resistência a tubulação tem ao movimento da água nela.
Quociente de vazão. Com o seu aumento, a resistência também aumenta.

Há algum tempo, era necessário levar em consideração adicionalmente as perdas hidráulicas nas válvulas; no entanto, as válvulas de esfera de passagem total modernas criam aproximadamente a mesma resistência de um tubo e, portanto, podem ser ignoradas com segurança.

Uma válvula de esfera aberta quase não tem resistência ao fluxo de água.

O cálculo da inclinação hidráulica por conta própria é muito problemático, mas, felizmente, não é necessário: todos os valores necessários podem ser encontrados nas chamadas tabelas de Shevelev.

Para dar ao leitor uma ideia do que está em jogo, apresentamos um pequeno fragmento de uma das mesas para um cachimbo de plástico com 20 mm de diâmetro.

Consumo, l / s	Velocidade do fluxo, m / s	1000i
0,25	1,24	160,5
0,30	1,49	221,8
0,35	1,74	291,6
0,40	1,99	369,5

O que é 1000i na coluna da extrema direita da tabela? Este é apenas o valor da inclinação hidráulica por 1000 metros lineares. Para obter o valor de i para nossa fórmula, é suficiente dividi-lo por 1000.

Vamos calcular a queda de pressão em um tubo com diâmetro de 20 mm com comprimento igual a 25 metros e vazão de um metro e meio por segundo.

Estamos procurando os parâmetros correspondentes na tabela. De acordo com seus dados, 1000i para as condições descritas é 221,8; i = 221,8 / 1000 = 0,2218.

As tabelas de Shevelev foram reimpressas várias vezes desde a primeira publicação.

Substitua todos os valores na fórmula. H = 0,2218 * 25 * (1 + 0,3) = 7,2085 metros. Com uma pressão na entrada do sistema de abastecimento de água de 2,5 atmosferas na saída, será 2,5 - (7,2 / 10) = 1,78 kgf / cm2, o que é mais do que satisfatório.

Conexão de caldeira de aquecimento indireto com recirculação

A tubagem para vários tipos de caldeiras de aquecimento indirecto com recirculação é feita de acordo com o desenho. Ao escolher os componentes, é importante levar em consideração as características de um sistema de aquecimento doméstico.

Para canalizar o circuito de água para a caldeira, os seguintes 3 sistemas de instalação podem ser usados:

Instalação de válvulas de três vias.
Instalação de bomba de dupla circulação.
Regulagem por meio de setas hidráulicas.

O uso de sistemas de recirculação de líquidos aumenta significativamente o desempenho dos sistemas de aquecimento e aumenta a eficiência no aquecimento de líquidos e salas de caldeiras.

Ao instalar sistemas de enrolamento indireto com válvulas de três vias, deve-se ter em mente que este método se destina a tanques com maior deslocamento. Ao desenvolver tal sistema, calcula-se como será realizada a instalação de um tipo de aquecimento de dois circuitos.

Conectando a caldeira ao equipamento da caldeira

O monitoramento das informações sobre a temperatura da água é muito importante.Numa situação em que a água dos tanques das caldeiras tem uma temperatura de aquecimento definida muito mais elevada do que nos circuitos de aquecimento dos próprios sistemas de aquecimento, pode ocorrer um mau funcionamento de todos os equipamentos.

Isso evitará a mudança para o aquecimento dos circuitos de aquecimento. Existem também opções para a instalação de caldeiras de aquecimento indireto usando dois circuitos. A seleção da opção necessária também dependerá da água no sistema de abastecimento de água. Numa situação em que o líquido no canal principal é de alto grau de rigidez, é melhor utilizar a instalação de sistemas com válvulas de três vias, pois os sistemas de dois circuitos podem quebrar rapidamente devido a bloqueios.