Лекция №6 Расчет гидравлических параметров тепловых сетей Задачи гидравлического расчета

Проведение гидравлического расчета является важнейшим разделом при проектировании трубопроводов и их эксплуатации.

При выполнении гидравлического расчета необходимо определить: диаметры трубопроводов; перепады давлений по длине трубопроводов; давления в любой точке трубопроводов; разности давлений или напора в подающем и обратном трубопроводах тепловой водяной сети у каждого потребителя.

Результаты гидравлического расчета дают возможность рассчитать: возможный радиус передачи теплоты; пределы колебаний давлений в трубопроводах в увязке с допускаемыми давлениями для оборудования; схемы присоединений потребителей теплоты; требования к оборудованию на ТЭЦ, в тепловой сети и у потребителей теплоты; капиталовложения на сооружение тепловой сети; параметры работы автоматических регуляторов и подбор автоматических регуляторов для тепловой сети и потребителей теплоты.

Гидравлический расчет может проводиться и для действующей сети, когда по известным диаметрам трубопроводов при заданной потере давления может быть определена пропускная способность сети. По готовой схеме сети и при заданных расходах теплоносителя может быть найдена потеря давления.

Основные расчетные зависимости

При движении теплоносителя по горизонтальным трубопроводам наблюдается падение давления от начала до конца трубопровода, которое складывается из линейного падения давления и потерь давления в местных сопротивлениях:

∆Р = ∆Р_л + ∆Р_м (1)

Линейное падение давления происходит по длине трубопровода на прямолинейных участках. Падение давления в местных сопротивлениях понимается как падение давления в арматуре, установленной на трубопроводе, в коленах, переходах диаметров, тройниках, крестовинах и всех деталях трубопровода.

Линейное падение давления, Па, в трубопроводе неизменяемого диаметра

∆Р_л = Rl (2)

где R - удельное линейное падение давления на единицу длины трубопровода. Па/м;

l – длина трубопровода неизменяемого диаметра, м, осредняющей шероховатость; коэффициент трения при этом такой же, как и у реальной трубы.

Удельное линейное падение давления определяется по формуле Д'Арси

R = λ (3)

где λ – коэффициент трения; w – скорость теплоносителя, м/с; ρ – плотность теплоносителя (удельная масса), кг/м³; d – внутренний диаметр трубопровода, м.

Использовав зависимость скорости теплоносителя от массового расхода G, кг/с, определяем скорость, м/с,

(4)

В результате получаем уравнение Д'Арси в зависимости от расхода теплоносителя G:

R = 0,8125λ (5)

Коэффициент трения λ определяется по формулам для турбулентного движения жидкости по трубам. Его изменение зависит от состояния внутренней поверхности трубопроводов (гладкая труба, шероховатая труба). Коэффициент трения определен многими учеными по материалам экспериментальных исследований. Наиболее точные значения для области скоростей течения жидкости в гладких трубопроводах дает формула Г.А.Мурина:

λ = (6)

где Rе – критерий Рейнольдса, Rе = wd/v; v – кинематическая вязкость теплоносителя, м²/с.

Особенно точные значения по формуле получаем при значении Rе > 100000.

Близкое совпадение со значениями λ, определенными по формуле , получают по формуле Блазнуса для гладких труб:

λ = (7)

Гладкие трубы (с гладкой внутренней поверхностью) в технике теплоснабжения встречаются относительно редко, в частности в теплообменных аппаратах. В подавляющем большинстве случаев в практике эксплуатации встречаются трубы с шероховатой внутренней поверхностью – шероховатые стальные трубы.

Абсолютная шероховатость k определяется величиной выступов отложений коррозии и накипи труб, в зависимости от условий эксплуатации она изменяется от 0,2 до 2-3 мм. Относительная шероховатость определяется отношением. абсолютной шероховатости к радиусу трубы (k/r).

В практике эксплуатации выступы на внутренней поверхности трубы не бывают одной высоты, расположение их неравномерно. В силу сказанного вводят понятие эквивалентной относительной шероховатости трубы k_э. абсолютной шероховатости к радиусу трубы (k/r), осредняюшей шероховатость; коэффициент трения при этом такой же, как и у реальной трубы.

Коэффициент трения для шероховатых труб определяется по формуле

λ = (8)

Для движения жидкости в тепловых сетях можно считать, что имеет место квадратичная зависимость падения давления в трубопроводе, от расхода жидкости, т.е. расчеты вести по формуле (4.)

На основе материалов гидравлических испытаний тепловых сетей для новых труб абсолютную эквивалентную шероховатость при расчетах принимают:

для водных сетей…………..0,5

для паропроводов………….0,2

для конденсатопроводов….1,0

Для трубопроводов, бывших в эксплуатации, абсолютная эквивалентная шероховатость определяется гидравлическими испытаниями. По данным профессора Б.Н. Лобаева можно определить области гладких и шероховатых труб:

для гладких труб Re ≤ 11d/k

для области шероховатых труб Re ≥ 445d/k

Для практического пользования по формуле составлены номограммы или таблицы для расчетов водяных или паровых сетей.

Падение давления в местных сопротивлениях, Па,

∆Р_м = Σξ (9)

где Σξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений для рассчитываемого трубопровода.

Можно представить падение давления в местных сопротивлениях как падение давления в прямолинейном трубопроводе того же диаметра вполне определенной длины. Эта длина называется эквивалентной I_а и как бы удлиняет не нее рассчитываемый трубопровод. Суммарная длина трубопровода в этом случае:

I_пр = I +I_э (10)

где I_пр – приведенная длина трубопровода,м; I – истинная длина, м.

Местное падение давления

∆Р_м = RI_э (11)

Применив формулы (8) и (9) получим:

Σξ = λ (12)

Отношение I₃/I называется коэффициентом местных потерь α . Для предварительных расчетов α принимают приближенно по формуле проф. Б.Л. Шифринсона:

α = ξ (13)

где G – расход теплоносителя в начале магистрали, кг/с. Для воды ξ=0,19; для пара ξ = 0,95-1,9.

Суммарное линейное падение давления

∆Р = ∆Р_л + ∆Р_м = ∆Р_л(1 + (14)

Удельное линейное падение давления

R = (15)

Перед проведением гидравлического расчета сеть трубопроводов разбивается на расчетные участки. Расчетным участком называют отрезок трубопровода между двумя ответвлениями; на протяжении его не изменяются диаметр трубопровода и расход теплоносителя. Гидравлический расчет проводится по определенному расчетному расходу теплоносителя и заданному удельному линейному падению давления.

Удельное линейное падение давления рекомендуется определять по технико-экономическому расчету. Допускается принимать для водяных тепловых сетей от источника теплоты до наиболее удаленного потребителя 80-100 Па/м; для паровых сетей удельное линейное падение давления определяется по располагаемому перепаду давления. Расчетный расход сетевой воды на отопление, кг/с,

G_от = (16)

где Q_от – максимальный часовой расход теплоты на отопление, кВт;

С_в – теплоемкость воды; t_г и t_о – расчетные температуры сетевой воды в подающем и обратном теплопроводах, ^оС; при расчетной температуре наружного воздуха для отопления t_г = t^′₁, t_о = t^′₂

Расчетный расход сетевой воды на вентиляцию, кг/с,

G_в = (17)

Q_в – максимальный часовой расход теплоты на вентиляцию, кВт;

t^в_г и t^в_о – расчетные температуры сетевой воды в подающем и обратном теплопроводах, ^оС; при расчетной температуре наружного воздуха для вентиляции t^в_г = t^m₁, t^в_о = t^m_2.

Расчетный расход воды для горячего водоснабжения определяется в зависимости от системы теплоснабжения (закрытая или открытая) и схем включения местных водоподогревателей при закрытой системе.

Например, при закрытой параллельной (с системой отопления) схеме включения водоподогревателей среднечасовой расход воды, кг/с

G_г.в. = (18)

где - средний расход теплоты на горячее водоснабжение, кВт;

- температура сетевой воды в подающем трубопроводе в точке излома отопительного графика, ^оС;

- температура сетевой воды после параллельно включенного водоподогревателя горячего водоснабжения в точке излома графика, ^оС.

При открытой системе теплоснабжения расход сетевой воды на горячее водоснабжение, кг/с,

G_г.в. = (19)

где t_г-температура горячей воды, поступающей в местную систему горячего водоснабжения, ^оС;

t_х -температура холодной воды (водопроводной) в зимний период, ^оС. Обычно t_г = 60-75^оС, а

t_х = 5^оС.

Суммарный зимний расчетный часовой расход теплоносителя в двухтрубных сетях определяется по сумме расчетных расходов теплоносителя на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Определение расходов теплоносителя проводится по формулам, изменяющимся в зависимости от системы теплоснабжения и температурного графика.

Для водяных двухтрубных сетей и закрытой системы расходы теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах одинаковы.

В летнее время водяная система теплоснабжения функционирует для обеспечения горячего водоснабжения и расходы воды определяются в зависимости от потребности сетевой воды для горячего водоснабжения. В закрытых системах теплоснабжения летние расходы воды для подающего и обратного трубопроводов одинаковы. В открытых системах теплоснабжения в летний период обратный трубопровод загружается в размере 10% соответствующего расхода сетевой воды в подающем трубопроводе. Суммарный расход пара определяется по сумме расчетных часовых расходов пара потребителями.

После определения расходов теплоносителя и загрузки схемы тепловой сети приступают к проведению гидравлического расчета. Искомыми величинами являются диаметры трубопроводов, которые рассчитываются на суммарные зимние расходы теплоносителя. Минимальный диаметр для сетей принимается 40мм, для ответвлений к отдельным зданиям – 25мм.

Тепловые сети (водяные и паровые), как правило, бывают разветвленными – снабжают теплотой многих потребителей 5-10 (рис.1);

1-4 – узловые точки.

Рис.1. Схема разветвлённой тепловой сети

Гидравлический расчет выполняется в два этапа: предварительный и окончательный расчет. В предварительном расчете выполняются последовательно операции:

1. выбор расчетной магистрали, т.е. направления, характеризующегося наименьшим удельным падением давления;

2. определение среднего коэффициента местных потерь для расчетной магистрали;

3. определение удельного линейного падения давления. В водяных сетях удельное падение давления, Па/м, или задается в пределах, указанных выше, или определяется при заданном падении напора в расчетной магистрали ∆Н по формуле

(20)

где - сумма длин участков расчетной магистрали, м;

ρ – плотность воды в трубопроводе, кг/м³.

При заданном удельном падении давления расчетной магистралью являются участки сети, соединяющие источник теплоты с наиболее удаленным потребителем. В паровых сетях удельное падение давления, Па/м.

(21)

где - падение давления в магистрали, Па.

В предварительный расчет входит и расчет диаметров трубопроводов, который начинается с конечного участка магистрали (рис.1). расчету диаметров предшествует определение удельного линейного падения давления на участке по формулам :

для воды

R_4-6 = (22)

для пара

R_4-6 = (23)

где l_0-6 – длина расчетной магистрали, м,

Диаметры трубопроводов определяют по номограммам. Определение диаметров проводится по известным R и G.

В окончательном расчете:

1) подбирают ближайший диаметр трубы по сортаметру;

2) определяют удельное линейное падение давления R^′ для выбранной трубы по сортаметру. Для этого используются расчетные номограммы или таблицы;

3) находят полное падение напора л давления, Па, на участке по формуле:

∆Н^′_4-6= (24)

где l^4-6_э – эквивалентная дина местных сопротивлений на участке, м, или

∆Р^′_4-6= R^′_4-6(l_4-6 + l_э^4-6), Па; определяют напор или давление в начальной точке рассчитывае

мого участка при заданных напоре или давлении у конечного потребителя.

В указанной последовательности рассчитывают и последующие участки трубопроводов. Расчет обыкновенно оформляется в виде таблицы.

Расчет напорных конденсатопроводов проводится аналогично гидравлическому расчёту тепловых сетей.