Cálculo de sistema de aquecimento monotubo: o que considerar no cálculo + exemplo prático

O sistema de aquecimento monotubo é uma das soluções para a distribuição de tubulações dentro de edifícios com conexão de dispositivos de aquecimento. Esse esquema parece ser o mais simples e eficiente. A construção de um ramal de aquecimento no formato 'de um único tubo' sai mais barato para os proprietários do que outros métodos.

Para garantir a funcionalidade do esquema, é necessário realizar um cálculo preliminar do sistema de aquecimento monotubo – isso permitirá manter a temperatura desejada em casa e evitar a perda de pressão na rede. É perfeitamente possível lidar com essa tarefa por conta própria. Dúvida da sua capacidade?

Explicaremos a você quais são as particularidades da instalação do sistema monotubo, daremos exemplos de esquemas de trabalho, e explicaremos quais cálculos devem ser realizados na etapa de planejamento do circuito de aquecimento.

Instalação do esquema de aquecimento monotubo

A estabilidade hidráulica do sistema é tradicionalmente garantida pela seleção ótima do diâmetro nominal das tubulações (DN). Implementar um esquema estável por meio da seleção de diâmetros, sem ajuste prévio de sistemas de aquecimento com termostatos, é bastante simples.

É precisamente a esses sistemas de aquecimento que se refere diretamente o esquema monotubo com montagem vertical/horizontal de radiadores e na ausência total de válvulas de fecho e regulação nas colunas (ramificações para os dispositivos).

Exemplo ilustrativo da instalação de um elemento radiador em um esquema organizado pelo princípio de circulação de um único tubo. Neste caso, são utilizadas tubulações de metal-plástico com conexões metálicas.

Pelo método de alteração dos diâmetros dos tubos em um esquema de aquecimento monotubo anelar, é possível equilibrar com bastante precisão as perdas de pressão existentes. O controle dos fluxos do fluido térmico dentro de cada dispositivo de aquecimento individual é garantido pela instalação de um termostato.

Geralmente, no processo de projeto de um sistema de aquecimento segundo o esquema monotubo, na primeira etapa são montados os nós de conexão dos radiadores. Na segunda etapa, realiza-se a interligação dos anéis de circulação.

Solução esquemática clássica, onde é utilizado um único tubo para o fluxo do fluido térmico e distribuição da água pelos radiadores de aquecimento. Este esquema é considerado um dos mais simples (+)

A construção do nó de conexão de um dispositivo individual pressupõe a determinação das perdas de pressão no nó. O cálculo é realizado considerando a distribuição uniforme do fluxo do fluido de aquecimento pelo termostato em relação aos pontos de conexão nesta seção do esquema.

Dentro da mesma operação, calcula-se o coeficiente de fluxo, além da determinação da faixa de parâmetros de distribuição de fluxos no trecho de fechamento. Já com base na faixa calculada dos ramais, constrói-se o anel de circulação.

Interligação dos anéis de circulação

Para realizar um balanceamento de qualidade dos anéis de circulação de um esquema monotubo, preliminarmente é feito um cálculo das possíveis perdas de pressão (∆Po). Nesse cálculo, não são consideradas as perdas de pressão na válvula de ajuste (∆Pk).

Em seguida, com base no valor do fluxo de fluido de aquecimento no trecho final do anel de circulação e no valor de ∆Pk (gráfico na documentação técnica do dispositivo), determina-se o valor de ajuste da válvula de ajuste.

Este mesmo indicador pode ser determinado pela fórmula:

Kv=0,316G / √∆Pk,

onde:

• Kv – valor de ajuste;
• G – fluxo de fluido de aquecimento;
• ∆Pk – perdas de pressão na válvula de ajuste.

Cálculos análogos são realizados para cada válvula reguladora individual do sistema monotubo.

Na verdade, a faixa de perdas de pressão em cada VR é calculada pela fórmula:

∆Pko=∆Po + ∆Pk – ∆Pn,

onde:

• ∆Po – possíveis perdas de pressão;
• ∆Pk – perdas de pressão na VR;
• ∆Pn – perdas de pressão no trecho n do anel de circulação (sem considerar perdas na VR).

Se, como resultado dos cálculos, os valores necessários para o sistema de aquecimento monotubo como um todo não forem obtidos, recomenda-se aplicar uma variante do sistema monotubo que inclui reguladores automáticos de vazão.

Regulador automático de vazão, instalado na linha de retorno do fluido de aquecimento. O dispositivo regula a vazão total do fluido de aquecimento para todo o esquema monotubo.

Dispositivos como reguladores automáticos são montados nos trechos finais do esquema (nós de conexão nos risers, ramais de derivação) nos pontos de conexão à linha de retorno.

Se tecnicamente for alterada a configuração do regulador automático (trocar a torneira de drenagem e a tampa), a instalação dos dispositivos também é possível nas linhas de alimentação do fluido de aquecimento.

Com a ajuda dos reguladores automáticos de vazão, realiza-se o balanceamento dos anéis de circulação. Nesse processo, determinam-se as perdas de pressão ∆Ps nos trechos finais (risers, ramais dos dispositivos).

As perdas de pressão residuais dentro dos limites do anel de circulação são distribuídas entre os trechos comuns das tubulações (∆Pmr) e o regulador de vazão geral (∆Pr).

O valor do ajuste temporário do regulador geral é selecionado de acordo com os gráficos fornecidos na documentação técnica, considerando o ∆Pmr dos trechos finais.

Calculam-se as perdas de pressão nos trechos finais pela fórmula:

∆Ps=∆Ppp – ∆Pmr – ∆Pr,

onde:

• ∆Rr – valor calculado;
• ∆Rpp – queda de pressão definida;
• ∆Rmr – perdas de Rrab nos trechos de tubulações;
• ∆Rr – perdas de Rrab no comum RV.

A configuração do regulador automático do anel de circulação principal (sob condição de diferença de pressão não especificada inicialmente) é realizada considerando a definição do valor mínimo possível da faixa de ajuste na documentação técnica do dispositivo.

A qualidade da controlabilidade dos fluxos pela automação do regulador geral é monitorada pela diferença de perdas de pressão em cada regulador individual do riser ou ramal do instrumento.

Aplicação e justificativa econômica

A ausência de requisitos para a temperatura do refrigerante resfriado é o ponto de partida para o projeto de sistemas de aquecimento monotubo com termostatos, instalando TR nas linhas de alimentação dos radiadores. É obrigatório equipar a subestação de aquecimento com regulação automática.

Termorregulador, instalado na linha que fornece fluido térmico ao radiador de aquecimento. Para a montagem, foram utilizados acessórios metálicos, que são convenientes para trabalhar com tubos de polipropileno.

Soluções de esquema onde não há dispositivos termorreguladores nas linhas de alimentação dos radiadores também são utilizadas na prática. Mas a aplicação de tais esquemas é motivada por prioridades um pouco diferentes de garantia do microclima.

Normalmente, esquemas de tubo único, onde não há regulação automática, são aplicados para grupos de ambientes projetados considerando a compensação de perdas térmicas (50% ou mais) através de dispositivos adicionais: ventilação de insuflamento, ar condicionado, aquecimento elétrico.

Além disso, a instalação de sistemas monotubo é encontrada em projetos onde as normas permitem que a temperatura do fluido de transferência de calor exceda o valor limite da faixa de operação do termorregulador.

Os projetos de edifícios multifamiliares, onde a operação do sistema de aquecimento está vinculada à medição do calor consumido por meio de medidores, geralmente são estruturados de acordo com o esquema de tubo único perimetral.

Esquema perimetral de tubo único – uma espécie de 'clássico do gênero', frequentemente aplicado na prática de construção municipal e privada. É considerado simples e econômico para diferentes condições (+)

A justificativa econômica para a implementação desse esquema está sujeita à localização das colunas principais em diferentes pontos da estrutura.

Os principais critérios de cálculo são o custo dos dois materiais principais: tubos de aquecimento e conexões.

De acordo com exemplos práticos de implementação de um sistema perimetral de tubo único, o aumento do diâmetro nominal (DN) da seção transversal das tubulações em duas vezes é acompanhado por um aumento nos custos de aquisição de tubos em 2-3 vezes. E os custos com conexões aumentam até 10 vezes, dependendo do material de que as conexões são feitas.

Base de cálculo para a instalação

A instalação de um sistema monotubo, do ponto de vista da disposição dos elementos de trabalho, praticamente não difere da configuração dos mesmos sistemas de dois tubos. Os risers principais, em geral, são posicionados fora das áreas residenciais.

As normas do SNiP recomendam conduzir a passagem dos risers dentro de poços ou calhas especiais. O ramal do apartamento tradicionalmente é disposto ao longo do perímetro.

Exemplo de disposição das tubulações do sistema de aquecimento em canaletas especialmente abertas. Esta variante de instalação é frequentemente utilizada na construção moderna.

A passagem das tubulações é realizada a uma altura de 70-100 mm do limite superior do rodapé. Ou a instalação é feita sob um rodapé decorativo com altura de 100 mm ou mais, largura de até 40 mm. A produção moderna disponibiliza esses revestimentos especializados para instalação de comunicações hidráulicas ou elétricas.

A conexão dos radiadores é feita pelo esquema 'cima-baixo' com alimentação de tubos de um lado ou de ambos os lados. A localização dos termostatos 'em um lado específico' não é crítica, mas se a instalação do aparelho de aquecimento for realizada próximo a uma porta de varanda, a instalação do termostato é obrigatoriamente feita no lado mais distante da porta.

A passagem de tubos atrás do rodapé parece vantajosa do ponto de vista decorativo, mas faz lembrar os inconvenientes quando se trata de trechos com vãos de portas internas.

Tubulações instaladas sob o rodapé decorativo. Pode-se dizer, uma solução clássica para sistemas monotubo implementados em novas construções de diferentes classes.

A conexão dos aparelhos de aquecimento (radiadores) aos risers monotubo é feita segundo esquemas que permitem uma leve dilatação linear dos tubos ou segundo esquemas com compensação da dilatação dos tubos devido a variações de temperatura.

A terceira variante de soluções esquemáticas, que prevê o uso de um regulador de três vias, não é recomendada por razões de economia.

Se a configuração do sistema prevê a passagem de risers ocultos em canaletas nas paredes, recomenda-se utilizar como acessórios de conexão termostatos angulares do tipo RTD-G e válvulas de bloqueio similares aos aparelhos da série RLV.

Opções de conexão: 1,2 – para sistemas que permitem dilatação linear dos tubos; 3,4 – para sistemas projetados para uso de fontes adicionais de calor; 5,6 – soluções com válvulas de três vias são consideradas desvantajosas (+)

O diâmetro da derivação do tubo para os aparelhos de aquecimento é calculado pela fórmula:

D >= 0.7√V,

onde:

• 0,7 – coeficiente;
• V – volume interno do radiador.

A derivação é executada com uma certa inclinação (não inferior a 5%) na direção da saída livre do fluido térmico.

Escolha do anel de circulação principal

Se a solução de projeto prevê a instalação de um sistema de aquecimento baseado em vários anéis de circulação, é necessária a seleção do anel de circulação principal. Teoricamente (e praticamente), a seleção deve ser feita com base no valor máximo de transferência de calor do radiador mais distante.

Este parâmetro, de certa forma, influencia a avaliação da carga hidráulica total incidente sobre o anel de circulação.

Anel de circulação na forma de um diagrama estrutural. Para diferentes variantes de projeto, podem existir vários desses anéis. Contudo, apenas um anel é o principal (+).

A transferência de calor do dispositivo distante é calculada pela fórmula:

Atp = Qv / Qop + ΣQop,

onde:

• Atp – transferência de calor calculada do dispositivo distante;
• Qv – transferência de calor necessária do dispositivo distante;
• Qop – transferência de calor dos radiadores para o ambiente;
•  ΣQop – soma da transferência de calor necessária de todos os dispositivos do sistema.

Além disso, o parâmetro da soma da transferência de calor necessária pode consistir na soma dos valores dos dispositivos destinados a atender todo o edifício ou apenas uma parte dele. Por exemplo, ao calcular o calor separadamente para ambientes cobertos por um único espelho ou áreas individuais atendidas por um ramal de dispositivos.

De modo geral, a transferência de calor calculada de qualquer outro radiador de aquecimento instalado no sistema é calculada por uma fórmula ligeiramente diferente:

Atp = Qop / Qpom,

onde:

• Qop – transferência térmica necessária para um radiador individual;
• Qpom – necessidade térmica para o ambiente específico onde é utilizado o esquema de um tubo.

A maneira mais fácil de entender os cálculos e a aplicação dos valores obtidos é através de um exemplo concreto.

Exemplo prático de cálculo

Para uma residência, é necessário um sistema de um tubo com controle por termostato.

O valor da capacidade nominal de vazão do dispositivo no limite máximo de ajuste é de 0,6 m³/h/bar (k1). A característica máxima possível de capacidade de vazão para este valor de ajuste é de 0,9 m³/h/bar (k2).

A queda de pressão máxima possível do TR (com nível de ruído de 30 dB) é de no máximo 27 kPa (ΔP1). A altura manométrica da bomba é de 25 kPa (ΔP2). A pressão de trabalho para o sistema de aquecimento é de 20 kPa (ΔP).

É necessário determinar a faixa de perda de pressão para o TR (ΔP1).

O valor da transferência de calor interna é calculado assim: Atr = 1 – k1/k2 (1 – 0,6/0,9) = 0,56. A partir daí, calcula-se a faixa de perda de pressão necessária no TR: ΔP1 = ΔP * Atr (20 * 0,56...1) = 11,2...20 kPa.

Se cálculos independentes levarem a resultados inesperados, é melhor consultar especialistas ou, para verificação, usar uma calculadora de computador.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Análise detalhada dos cálculos usando um programa de computador com explicações sobre a instalação e melhoria da funcionalidade do sistema:

Deve-se notar que o cálculo em grande escala, mesmo das soluções mais simples, é acompanhado por uma infinidade de parâmetros calculados. É claro que calcular tudo sem exceção é justo sob a condição de organizar a estrutura de aquecimento próxima a uma estrutura ideal. No entanto, na realidade, nada é perfeito.

Por isso, muitas vezes confia-se nos cálculos propriamente ditos, bem como em exemplos práticos e nos resultados obtidos a partir desses exemplos. Essa abordagem é especialmente popular na construção de casas particulares.

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