ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

В задачу гидравлического расчета входят:

Определение диаметра трубопроводов;

Определение падения давления (напора);

Определение давлений (напоров) в различных точках сети;

Увязка всех точек сети при статическом и динамическом режимах с целью обеспечения допустимых давлений и требуемых напоров в сети и абонентских системах.

По результатам гидравлического расчета можно решить следующие задачи.

1. Определение капитальных затрат, расхода металла (труб) и основного объема работ по прокладке тепловой сети.

2. Определение характеристик циркуляционных и подпиточных насосов.

3. Определение условий работы тепловой сети и выбора схем присоединения абонентов.

4. Выбор автоматики для тепловой сети и абонентов.

5. Разработка режимов эксплуатации.

a. Схемы и конфигурации тепловых сетей.

Схема тепловой сети определяется размещением источников тепла по отношению к району потребления, характером тепловой нагрузки и видом теплоносителя.

Удельная протяженность паровых сетей на единицу расчетной тепловой нагрузки невелика, поскольку потребители пара – как правило, промышленные потребители – находятся на небольшом расстоянии от источника тепла.

Более сложной задачей является выбор схемы водяных тепловых сетей вследствие большой протяженности, большого количества абонентов. Водяные ТС менее долговечны, чем паровые вследствие большей коррозии, больше чувствительны к авариям из-за большой плотности воды.

Рис.6.1. Однолинейная коммуникационная сеть двухтрубной тепловой сети

Водяные сети разделяют на магистральные и распределительные. По магистральным сетям теплоноситель подается от источников тепла в районы потребления. По распределительным сетям вода подается на ГТП и МТП и к абонентам. Непосредственно к магистральным сетям абоненты присоединяются очень редко. В узлах присоединения распределительных сетей к магистральным устанавливаются секционирующие камеры с задвижками. Секционирующие задвижки на магистральных сетях обычно устанавливаются через 2-3 км. Благодаря установке секционирующих задвижек уменьшаются потери воды при авариях ТС. Распределительные и магистральные ТС с диаметром меньше 700 мм делаются обычно тупиковыми. В случае аварий для большей части территории страны допустим перерыв в теплоснабжении зданий до 24 часов. Если же перерыв в теплоснабжении недопустим, необходимо предусматривать дублирование или закольцовку ТС.

Рис.6.2. Кольцевая тепловая сеть от трех ТЭЦ Рис.6.3. Радиальная тепловая сеть

При теплоснабжении крупных городов от нескольких ТЭЦ целесообразно предусмотреть взаимную блокировку ТЭЦ путем соединения их магистралей блокировочными связями. В этом случае получается кольцевая тепловая сеть с несколькими источниками питания. Подобная схема имеет более высокую надежность, обеспечивает передачу резервирующих потоков воды при аварии на каком-либо участке сети. При диаметрах магистралей, отходящих от источника тепла 700 мм и менее, обычно применяют радиальную схему тепловой сети с постепенным уменьшением диаметра трубы по мере удаления от источника и снижения присоединенной нагрузки. Такая сеть наиболее дешевая, но при аварии теплоснабжение абонентов прекращается.

b. Основные расчетные зависимости

Рис.6.1. Схема движения жидкости в трубе

Скорость жидкости в трубопроводах невелика, поэтому кинетической энергией потока можно пренебречь. Выражение H =p /rg называется пьезометрическим напором, а сумма высоты Z и пьезометрического напора называют полным напором.

H 0 =Z + p /rg = Z + H. (6.1)

Падение давления в трубе представляет собой сумму линейных потерь давления и потерь давления на местных гидравлических сопротивлениях.

Dp = Dp л + Dp м. (6.2)

В трубопроводах Dp л =R л L , где R л – удельное падение давления, т.е. падение давление единицы длины трубы, определяемое по формуле д"Арси.

. (6.3)

Коэффициент гидравлического сопротивления l зависит от режима течения жидкости и абсолютной эквивалентной шероховатости стенок трубы к э . Можно в расчетах принимать следующие значения к э – в паропроводах к э =0.2 мм; в водяных сетях к э =0.5 мм; в конденсатопроводах и системах ГВС к э =1 мм.

При ламинарном течении жидкости в трубе (Re < 2300)

В переходной области 2300 < Re < 4000

. (6.5)

При

. (6.6)

Обычно в тепловых сетях Re > Re пр , поэтому (6.3) можно привести к виду

, где . (6.7)

Потери давления на местных сопротивлениях определяются по формуле

. (6.8)

Значения коэффициента местного гидравлического сопротивления x приводятся в справочниках. При гидравлических расчетах можно учитывать потери давления на местных сопротивлениях через эквивалентную длину.

Тогда , где a=l экв /l – доля местных потерь давления.

a. Порядок гидравлического расчета

Обычно при гидравлическом расчете задаются расход теплоносителя и суммарное падение давления на участке. Требуется найти диаметр трубопровода. Расчет состоит из двух этапов – предварительного и поверочного.

Предварительный расчет.

2. Задаются долей местных падений давления a =0.3...0.6.

3. Оценивают удельные потери давления

. Если падение давления на участке неизвестно, то задаются величиной R л < 20...30 Па/м.

4. Рассчитывают диаметр трубопровода из условия работы в турбулентном режиме Для водяных тепловых сетей плотность принимают равной 975 кг/м 3 .

Из (6.7) найдем

, (6.9)

где r – средняя плотность воды на данном участке. По найденному значению диаметру выбирают по ГОСТ трубу с ближайшим внутренним диаметром. При выборе трубы указывают либо d у и d , либо d н и d .

2. Поверочный расчет.

Для концевых участков следует проверить режим движения. Если окажется, что режим движения переходный, то, если есть возможность, нужно уменьшить диаметр трубы. Если это невозможно, то нужно вести расчет по формулам переходного режима.

1. Уточняются значения R л ;

2. Уточняются типы местных сопротивлений и их эквивалентные длины. Задвижки устанавливаются на выходе и входе коллектора, в местах присоединения распределительных сетей к магистральным, ответвлений к потребителю и у потребителей. Если длина ответвления менее 25 м, то допускается устанавливать задвижку только у потребителя. Секционирующие задвижки устанавливаются через 1 – 3 км. Кроме задвижек возможны и другие местные сопротивления – повороты, изменения сечения, тройники, слияние и разветвление потока и т.д.

Для определения количества температурных компенсаторов длинны участков делятся на допустимое расстояние между неподвижными опорами. Результат округляется до ближайшего целого числа. Если на участке есть повороты, то они могут быть использованы для самокомпенсации температурных удлинений. При этом количество компенсаторов уменьшается на число поворотов.

5. Определяются потери давления на участке. Для закрытых систем Dp уч =2R л (l+l э).

Для открытых систем предварительный расчет ведется по эквивалентному расходу

При поверочном расчете удельные линейные потери давления рассчитываются отдельно для подающего и обратного трубопроводов для действительных расходов.

, .

По окончании гидравлического расчета строится пьезометрический график.

a. Пьезометрический график тепловой сети

На пьезометрическом графике в масштабе нанесены рельеф местности, высота присоединенных зданий, напор в сети. По этому графику легко определить напор и располагаемый напор в любой точке сети и абонентских системах.

За горизонтальную плоскость отсчета напоров принят уровень 1 – 1. Линия П1 – П4 – график напоров подающей линии. Линия О1 – О4 – график напоров обратной линии. Н о1 – полный напор на обратном коллекторе источника; Нсн – напор сетевого насоса; Нст – полный напор подпиточного насоса, или полный статический напор в тепловой сети; Нк – полный напор в т.К на нагнетательном патрубке сетевого насоса; DHт – потеря напора в теплоприготовительной установке; Нп1 – полный напор на подающем коллекторе, Нп1= Нк - DHт. Располагаемый напор сетевой воды на коллекторе ТЭЦ Н1=Нп1-Но1. Напор в любой точке сети i обозначается как Нпi, Hoi – полные напоры в прямом и обратном трубопроводе. Если геодезическая высота в точке i есть Zi, то пьезометрический напор в этой точке есть Нпi – Zi, Hoi – Zi в прямом и обратном трубопроводах, соответственно. Располагаемый напор в точке i есть разность пьезометрических напоров в прямом и обратном трубопроводах – Нпi – Hoi. Располагаемый напор в ТС в узле присоединения абонента Д есть Н4 = Нп4 – Но4.

Рис.6.2. Схема (а) и пьезометрический график (б) двухтрубной тепловой сети

Потеря напора в подающей линии на участке 1 – 4 есть . Потеря напора в обратной линии на участке 1 – 4 есть . При работе сетевого насоса напор Нст подпиточного насоса регулируется регулятором давления до Но1. При остановке сетевого насоса в сети устанавливается статический напор Нст, развиваемый подпиточным насосом. При гидравлическом расчете паропровода можно не учитывать профиль паропровода из-за малой плотности пара. Потери напора у абонентов, например зависит от схемы присоединения абонента. При элеваторном смешении DН э= 10…15 м, при безэлеваторном вводе – Dнб э =2…5 м, при наличии поверхностных подогревателей DН п=5…10 м, при насосном смешении DН нс= 2…4 м.

Требования к режиму давления в тепловой сети:

b. в любой точке системы давление не должно превышать максимально допустимой величины. Трубопроводы системы теплоснабжения рассчитаны на 16 ата, трубопроводы местных систем – на давление 6-7 ата;

c. во избежание подсосов воздуха в любой точке системы давление должно быть не менее 1.5 ата. Кроме того это условие необходимо для предупреждения кавитации насосов;

d. в любой точке системы давление должно быть не меньше давления насыщения при данной температуре во избежание вскипания воды;

6.5. Особенности гидравлического расчета паропроводов.

Диаметр паропровода рассчитывают исходя либо из допустимых потерь давления, либо из допустимой скорости пара. Предварительно задается плотность пара на расчетном участке.

Расчет по допустимым потерям давления.

Оценивают , a = 0.3...0.6. По (6.9) рассчитывают диаметр трубы.

Задаются скоростью пара в трубе. Из уравнения для расхода пара – G=wrF находят диаметр трубы.

По ГОСТу подбирается труба с ближайшим внутренним диаметром. Уточняются удельные линейные потери и виды местных сопротивлений, рассчитываются эквивалентные длины. Определяется давление на конце трубопровода. Рассчитываются потери тепла на расчетном участке по нормируемым потерям тепла.

Qпот=q l l , где q l – потери тепла на единицу длины при заданной разности температур пара и окружающей среды с учетом потерь тепла на опорах, задвижках и т.п. Если q l определено без учета потерь тепла на опорах, задвижках и т.п., то

Qпот=q l (tср – to)(1+b), где tср - средняя температура пара на участке, to – температура окружающей среды, зависящая от способа прокладки. При наземной прокладке to = tнo , при подземной бесканальной прокладке to = tгр (температура грунта на глубине укладки), при прокладке в проходных и полупроходных каналах to =40…50 0 С. При прокладке в непроходных каналах to = 5 0 С. По найденным потерям тепла определяют изменение энтальпии пара на участке и значение энтальпии пара в конце участка.

Diуч=Qпот/D, iк=iн - Diуч.

По найденным значениям давления и энтальпии пара в начале и конце участка определяется новое значение средней плотности пара rср = (rн + rк)/2 . Если новое значение плотности отличается от ранее заданного более чем на 3 %, то поверочный расчет повторяют с уточнением одновременно и Rл .

a. Особенности расчета конденсатопроводов

При расчете конденсатопровода необходимо учитывать возможное парообразование при понижении давления ниже давления насыщения (вторичный пар), конденсацию пара за счет тепловых потерь и пролетный пар после конденсатоотводчиков. Количество пролетного пара определяется по характеристике конденсатоотводчика. Количество сконденсировавшегося пара определяется по потере тепла и теплоте парообразования. Количество вторичного пара определяется по средним параметрам на расчетном участке.

Если конденсат близок к состоянию насыщения, то расчет нужно вести как для паропровода. При транспорте переохлажденного конденсата расчет выполняется так же, как и для водяных сетей.

b. Режим давления в сети и выбор схемы абонентского ввода.

1. Для нормальной работы потребителей тепла напор в обратной линии должен быть достаточен для заполнения системы, Ho > DHмс.

2. Давление в обратной линии должно быть ниже допустимого, po > pдоп.

3. Действительный располагаемый напор на абонентском вводе должен быть не меньше расчетного, DHаб DHрасч.

4. Напор в подающей линии должен быть достаточен для заполнения местной системы, Hп – DHаб > Hмс.

5. В статическом режиме, т.е. при выключении циркуляционных насосов, не должно быть опорожнения местной системы.

6. Статическое давление не должно превышать допустимое.

Статическое давление это давление, которое устанавливается после отключения циркуляционных насосов. Уровень статического давления (напора) обязательно указывается на пьезометрическом графике. Величина этого давления (напора) устанавливается исходя из ограничения величины давления для отопительных приборов и не должна превышать 6 ати (60 м). При спокойном рельефе местности уровень статического давления может быть одним и тем же для всех потребителей. При больших колебания рельефа местности может быть два, но не более трех статических уровней.

Рис.6.3. График статических напоров системы теплоснабжения

На рис.6.3 изображен график статических напоров и схема системы теплоснабжения. Высота зданий A, B и С одинакова и равна 35 м. Если провести линию статического напора на 5 метров выше здания С, то здания В и А окажутся в зоне напора в 60 и 80 м. Возможны следующие решения.

7. Отопительные установки зданий А присоединяются по независимой схеме, а в зданиях В и С – по зависимой. В этом случае для всех зданий устанавливается общая статическая зона. Водо-водяные подогреватели будут находиться под напором в 80 м, что допустимо с точки зрения прочности. Линия статических напоров – S - S.

8. Отопительные установки здания С присоединяются по независимой схеме. В этом случае полный статический напор можно выбрать по условиям прочности установок зданий А и В – 60 м. Этот уровень обозначен линией М – М.

9. Отопительные установки всех зданий присоединены по зависимой схеме, но зона теплоснабжения разделена на две части – одна на уровне М-М для зданий А и В, другая на уровне S-S для здания С. Для этого между зданиями В и С устанавливается обратный клапан 7 на прямой линии и подпиточный насос верхней зоны 8 и регулятор давления 10 на обратной линии. Поддержание заданного статического напора в зоне С осуществляется подпиточным насосом верхней зоны 8 и регулятором подпитки 9. Поддержание заданного статического напора в нижней зоне осуществляется насосом 2 и регулятором 6.

При гидродинамическом режиме работы сети вышеперечисленные требования тоже должны соблюдаться в любой точке сети при любой температуре воды.

Рис.6.4. Построение графика гидродинамических напоров системы теплоснабжения

10. Построение линий максимальных и минимальных пьезометрических напоров.

Линии допустимых напоров следуют за рельефом местности, т.к. принято, что трубопроводы прокладываются в соответствии с рельефом. Отсчет – от оси трубы. Если оборудование имеет существенные размеры по высоте, то минимальный напор отсчитывают от верхней точки, а максимальный – от нижней.

1.1. Линия Пmax – линия максимально допустимых напоров в подающей линии.

Для пиковых водогрейных котлов максимал ьно допустимый напор отсчитывают от нижней точки котла (принимают, что она находится на уровне земли), а минимально допустимый напор – от верхнего коллектора котла. Допустимое давление для стальных водогрейных котлов 2.5 Мпа. С учетом потерь принято на выходе из котла Hmax=220 м. Максимально допустимый напор в подающей линии ограничен прочностью трубопровода (рmax=1.6 Мпа). Поэтому на входе в подающую линию Нmax=160 м.

a. Линия Оmax – линия максимально допустимых напоров в обратной линии.

По условию прочности водоводяных подогревателей максимальное давление не должно быть выше 1.2 Мпа. Поэтому максимальное значение напора равно 140 м. Величина напора для отопительных установок не может превышать 60 м.

Минимально допустимый пьезометрический напор определяют по температуре кипения, превышающую на 30 0 С расчетную температуру на выходе из котла.

b. Линия Пmin – линия минимально допустимого напора в прямой линии

Минимально допустимый напор на выходе из котла определяется из условия невскипания в верхней точке – для температуры 180 0 С. Устанавливается 107 м. Из условия невскипания воды при температуре 150 0 С минимальный напор должен быть 40 м.

1.4. Линия Оmin – линия минимально допустимого напора в обратной линии. Из условия недопустимости подсосов воздуха и кавитации насосов принят минимальный напор в 5 м.

Действительные линии напоров в прямой и обратной линиях ни при каких режимах не могут выходить за пределы линий максимальных и минимальных напоров.

Пьезометрический график дает полное представление о действующих напорах при статическом и гидродинамическом режимах. В соответствии с этой информацией выбирается тот или иной метод присоединения абонентов.

Рис.6.5. Пьезометрический график

Здание 1. Располагаемый напор больше 15 м, пьезометрический – меньше 60 м. Можно отопительную установку присоединить по зависимой схеме с элеваторным узлом.

Здание 2. В этом случае также можно применить зависимую схему, но т.к. напор в обратной линии меньше высоты здания в узле присоединения нужно установить регулятор давления "до себя". Перепад давления на регуляторе должен быть больше разницы между высотой установки и пьезометрическим напором в обратной линии.

Здание 3. Статический напор в этом месте больше 60 м. Лучше всего применить независимую схему.

Здание 4. Располагаемый напор в этом месте меньше 10 м. Поэтому элеватор работать не будет. Нужно устанавливать насос. Его напор должен быть равен потерям напора в системе.

Здание 5. Нужно использовать независимую схему – статический напор в этом месте больше 60 м.

6.8. Гидравлический режим тепловых сетей

Потери давления в сети пропорциональны квадрату расхода

Пользуясь формулой для расчета потерь давления, найдем S.

.

Потери напора в сети определяются как , где .

При определении сопротивления всей сети действуют следующие правила.

1. При последовательном соединении элементов сети суммируются их сопротивления S .

S S =Ssi .

11. При параллельном соединении элементов сети суммируются их проводимости.

. .

Одна из задач гидравлического расчета ТС – определение расхода воды у каждого абонента и в сети в целом. Обычно известны: схема сети, сопротивление участков и абонентов, располагаемый напор на коллекторе ТЭЦ или котельной.

Рис. 6.6. Схема тепловой сети

Обозначим S I – S V – сопротивления участков магистрали; S 1 – S 5 – сопротивления абонентов вместе с ответвлениями; V – суммарный расход воды в сети, м 3 /с; Vm – расход воды через абонентскую установку m ; SI-5 – сопротивление элементов сети от участка I до ответвления 5; SI-5 =S I + S 1-5, где S 1-5 – суммарное сопротивление абонентов 1-5 с соответствующими ответвлениями.

Расход воды через установку 1 найдем из уравнения

, отсюда .

Для абонентской установки 2

. Разность расходов найдем из уравнения

, где . Отсюда

.

Для установки 3 получим

Сопротивление тепловой сети со всеми ответвлениями от абонента 3 до последнего абонента 5 включительно; , - сопротивление участка III магистрали.

Для некоторого m -го потребителя из n относительный расход воды находится по формуле

. По этой формуле можно найти расход воды через любую абонентскую установку, если известен суммарный расход в сети и сопротивления участков сети.

12. Относительный расход воды через абонентскую установку зависит от сопротивления сети и абонентских установок и не зависит от абсолютного значения расхода воды.

13. Если к сети присоединены n абонентов, то отношение расходов воды через установки d и m , где d < m , зависит только от сопротивления системы, начиная от узла d до конца сети, и не зависит от сопротивления сети до узла d .

Если на каком-либо участке сети изменится сопротивление, то у всех абонентов, расположенных между этим участком и концевой точкой сети, расход воды изменится пропорционально. В этой части сети достаточно определить степень изменения расхода только у одного абонента. При изменении сопротивления любого элемента сети изменится расход как в сети, так и у всех потребителей, что приводит к разрегулировке. Разрегулировки в сети бывают соответственные и пропорциональные. При соответственной разрегулировке совпадает знак изменения расходов. При пропорциональной разрегулировке совпадает степень изменения расходов.

Рис. 6.7. Изменение напоров сети при отключении одного из потребителей

Если от тепловой сети отключится абонент Х, то суммарное сопротивление сети увеличится (параллельное соединение). Расход воды в сети уменьшится, потери напора между станцией и абонентом Х уменьшатся. Поэтому график напора (пунктир) пойдет положе. Располагаемый напор в точке Х увеличится, поэтому расход в сети от абонента Х до концевой точки сети увеличится. У всех абонентов от точки Х до концевой точки степень изменения расхода будет одинакова – пропорциональная разрегулировка.

У абонентов между станцией и точкой Х степень изменения расхода будет разной. Минимальная степень изменения расхода будет у первого абонента непосредственно у станции – f =1. По мере удаления от станции f > 1 и увеличивается. Если на станции изменится располагаемый напор, то суммарный расход воды в сети, а также расходы воды у всех абонентов изменятся пропорционально корню квадратному из располагаемого напора на станции.

6.9. Сопротивление сети.

Суммарная проводимость сети

, отсюда

.

По аналогии

и

. Расчет сопротивления сети ведется от наиболее удаленного абонента.

a. Включение насосных подстанций.

Насосные подстанции могут устанавливаться на подающем, обратном трубопроводах,

а также на перемычке между ними. Сооружение подстанций вызывается неблагоприятным рельефом, большой дальностью передачи, необходимостью увеличения пропускной способностью и т.д.

а). Установка насоса на подающей или обратной линиях.

Рис.6.8. Установка насоса на подающей или последовательной линиях (последовательная работа)

При установке насосной подстанции (НП) на подающей или обратной линиях расходы воды у потребителей, расположенных между станцией и НП уменьшаются, а у потребителей после НП – возрастают. В расчетах насос учитывается как некоторое гидравлическое сопротивление. Расчет гидравлического режима сети с НП ведут методом последовательных приближений.

Задаются отрицательным значением гидравлического сопротивления насоса

Рассчитывают сопротивление в сети, расходы воды в сети и у потребителей

Уточняются расход воды и напор насоса и его сопротивление по (*).

Рис.6.10. Суммарные характеристики последовательно и параллельно включенных насосов

При параллельном включении насосов суммарная характеристика получается путем суммирования абсцисс характеристик. При последовательном включении насосов суммарная характеристика получается суммированием ординат характеристик. Степень изменения подачи при параллельном включении насосов зависит от вида характеристики сети. Чем меньше сопротивление сети, тем эффективнее параллельное включение и наоборот.

Рис.6.11. Параллельное включение насосов

При последовательном включении насосов суммарная подача воды всегда больше, чем подача воды каждым из насосов в отдельности. Чем больше сопротивление сети, тем эффективнее последовательное включение насосов.

б). Установка насоса на перемычке между подающей и обратной линиях.

При установке насоса на перемычке температурный режим до и после НП неодинаков.

Для построения суммарной характеристики двух насосов предварительно характеристику насоса А переносят в узел 2, где установлен насос Б (см.рис.6.12). На приведенной характеристике насоса А2 - 2 напоры при любом расходе равны разности действительного напора этого насоса и потери напора в сети С для этого же расхода.

. После приведения характеристик насосов А и Б к одному и тому же общему узлу они складываются по правилу сложения параллельно работающих насосов. При работе одного насоса Б напор в узле 2 равен , расход воды . При подключении второго насоса А напор в узле 2 возрастает до , а суммарный расход воды увеличивается до V> . Однако непосредственная подача насоса Б при этом уменьшается до .

Рис.6.12. Построение гидравлической характеристики системы с двумя насосами в разных узлах

a. Работа сети с двумя источниками питания

Если ТС питается от нескольких источников тепла, то в магистральных линиях возникают точки встречи потоков воды от разных источников. Положение этих точек зависит от сопротивления ТС, распределения нагрузки вдоль магистрали, располагаемых напоров на коллекторах ТЭЦ. Суммарный расход воды в таких сетях, как правило, задан.

Рис.6.13. Схема ТС, питаемой от двух источников

Точка водораздела находится следующим образом. Задаются произвольными значениями расхода воды на участках магистрали исходя их 1-го закона Кирхгофа. Определяют невязки напора на основе 2-го закона Кирхгофа. Если при предварительно выбранном распределении расхода водораздел выбран в т.К, то второе уравнение Кирхгофа запишется в виде

, .

По 2-му закону Кирхгофа определяется невязка потерь давления Dp . Чтобы сделать невязку давления равной нулю, нужно ввести в расчет поправку расхода – увязочный расход. Для этого в уравнении полагают Dp =0 и вместо V вводят V+dV или V-dV . Получим

. Знак Dp равен знаку dV . Далее уточняется распределение расхода на участках сети. Для поиска точки водораздела проверяются два расположенных рядом потребителя.

Рис.6.14. Определение положения точки водораздела

а). Точка водораздела находится между потребителями m и m+1 . В этом случае . Здесь - перепад давления у потребителя m при питании от станции А. - перепад давления у потребителя m+1 при питании от станции В.

Пусть точка водораздела находится между потребителями 1 и 2. Тогда

; . Если эти два перепада давления равны, то точка водораздела находится между потребителями 1 и 2. Если нет, то проверяется следующая пара потребителей, и т.д. Если ни для одной пары потребителей не обнаружено равенство располагаемых напоров, это означает, что точка водораздела находится у одного из потребителей.

a. Кольцевая сеть.

Кольцевую сеть можно рассматривать как сеть с двумя источниками питания с равными напорами сетевых насосов. Положение точки водораздела в подающей и обратной магистралях совпадает, если сопротивления подающей и обратной линий одинаковы и нет подкачивающих насосов. В противном случае положения точки водораздела в подающей и обратной линиях нужно определять отдельно. Установка подкачивающего насоса приводит к смещению точки водораздела только в той линии, на которой он установлен.

Рис.6.15. График напоров в кольцевой сети

В этом случае НА = НВ .

b. Включение насосных подстанций в сети с двумя источниками питания

Для стабилизации режима давления при наличии подкачивающего насоса на одной из станций напор на входном коллекторе поддерживается постоянным. Эту станцию называют фиксированной, другие станции – свободными. При установке подкачивающего насоса напор во входном коллекторе свободной станции меняется на величину .

a. Гидравлический режим открытых систем теплоснабжения

Основная особенность гидравлического режима открытых систем теплоснабжения заключается в том, что при наличии водоразбора расход воды в обратной линии меньше, чем в подающей. Практически эта разность равна водоразбору.

Рис.6.18. Пьезометрический график открытой системы

Пьезометрический график подающей линии остается постоянным при любом водоразборе из обратной линии, так как расход в подающей линии поддерживается постоянным с помощью регуляторов расхода на абонентских вводах. С увеличением водоразбора уменьшается расход в обратной линии и пьезометрический график обратной линии становится более пологим. Когда водоразбор равен расходу в подающей линии, расход в обратной равен нулю и пьезометрический график обратной линии становится горизонтальным. При одинаковых диаметрах прямой и обратной линий и отсутствии водоразбора графики напора в прямой и обратной линиях симметричны. При отсутствии водоразбора на ГВС расход воды равен расчетному расходу на отопление – V .

Из уравнения (***) можно найти f .

1. При разборе воды на ГВС из подающей линии расход через систему отопления падает. При разборе из обратной линии – растет. При b =0.4 расход воды через систему отопления равен расчетному.

2. Степень изменения расхода воды через систему отопления –

3. Степень изменения расхода воды через систему отопления тем больше, чем меньше сопротивление системы.

Увеличение водоразбора на ГВС может привести к ситуации, когда вся вода после системы отопления будет поступать на водоразбор ГВС. При этом расход воды в обратном трубопроводе будет равен нулю.

Из (***): , откуда (****)

Глава2. МЕТОДИКА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

2.1. ЗАДАЧИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

Гидравлический расчет тепловой сети ведут по участкам. Основной задачей гидравлического расчета является определение диаметров трубопроводов d на каждом участке, обеспечивающих пропуск заданного расхода теплоносителя G при заданных потерях давления Dp или напора DН. Также могут быть решены и другие задачи: определение потерь давления Dр или напора DН на участках тепловой сети диаметром d при заданных расходах G, определение пропускной способности G участков трубопроводов диаметром d при перепадах давления на участках Dр или потерях напора DН.

На основании результатов гидравлического расчета участков определяют потери давления или напора по сети в целом, выбирают оборудование, в том числе насосы для водяных и конденсатных сетей, разрабатывают гидравлические режимы.

2.2. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

Потери давления на участках теплопроводов складываются из потерь на трение, называемых также линейными потерями Dр Л, и потерь в местных сопротивлениях Dр М:

Dр=Dр Л +Dр М (2.1.)

где Dр Л – потеря давления собственно в трубопроводе;

Dр М – потеря давления при расширениях, сужениях, поворотах трубопровода и в различных устройствах, установленных на участке (компенсаторах, задвижках, клапанах и т.д.).

Рассмотрим более подробно линейные потери давления Dр Л при течении несжимаемой жидкости. Плотность несжимаемой жидкости ρ при изменении давления практически не меняется. При этом условии на участке трубопровода с внутренним диаметром d скорость теплоносителя ω также остается неизменной. В этом случае линейная потеря давления Dр Л определяется по формуле Дарси-Вейсбаха

Dр Л =λ, (2.2.)

где λ – коэффициент гидравлического трения;

L – длина участка трубопровода.

При гидравлических расчетах часто используют понятие удельной линейной потери давления R Л, которая представляет собой линейную потерю давления. отнесенную к единице длины участка трубопровода.:

R Л =Dр Л /L. (2.3.)

Из уравнений (2.1.) и (2.2.) следует, что

R Л =λ. (2.4.)

При ламинарном течении теплоносителя по трубопроводу коэффициент гидравлического трения определяют по формуле Пуазейля-Гагена

λ=64/Re. (2.5.)

Эту формулу используют при Re≤2300. При более высоких значениях числа Рейнольдса, в так называемой переходной области, коэффициент гидравлического трения в гидравлически гладких трубах следует рассчитывать по формуле Блазиуса

λ=0,3164/Re 0,25 . (2.6)

Большинство труб, используемых для теплоснабжения, с точки зрения гидравлики являются шероховатыми. В переходной области режим течения жидкости в таких трубах определяется не только числом Re, но и величиной относительной эквивалентной шероховатости k Э /d, которая представляет собой отношение абсолютной эквивалентной шероховатости k Э к внутреннему диаметру трубы d. Под абсолютной эквивалентной шероховатостью k Э понимают такую высоту выступов равномерной искусственной шероховатости, при которой коэффициент гидравлического трения получается таким же, как и в реальной трубе.

Значения эквивалентной шероховатости, м, определенные опытным путем для различных видов труб приведены ниже.

Паровые сети……………………………………………………………………0,0002

Водяные тепловые сети ………………………………………………………..0,0005

Тепловые сети горячего водоснабжения и конденсатопроводы…………….0,001

Для расчета гидравлического трения в рассматриваемых условиях наиболее удобна формула А.Д.Альтшуля

λ=0,11. (2.7.)

Эта формула используется при 10≤Re<500.

Re<10 она практически совпадает с (2.6.).

При Re≥500 коэффициент гидравлического трения λ практически не зависит от Reи определяется только относительной эквивалентной шероховатостью , при этом линейная потеря давления Dр Л пропорциональна квадрату скорости течения ω. Поэтому область Re≥500 называют областью квадратичного закона. Поэтому в области квадратичного закона можно определить коэффициент гидравлического трения по формуле Б. Л. Шифринсона

λ=0,11() 0,25 (2.8.)

При Re>500 (2.7.) практически совпадает с (2.8.).

Получим формулу расчета удельной линейной потери давления R Л при внутреннем диаметре теплопровода d и пропускной способности участка сети G. Уравнение (2.4.) с учетом уравнения неразрывности

где G – массовый секундный расход теплоносителя на участке, преобразуется к виду

R Л =λ. (2.10.)

Отсюда следует, что

d=; (2.11.)

G=. (2.12.)

В зависимости от режима работы теплопровода в уравнения (2.10) – (2.12.)

следует подставлять значение коэффициента гидравлического трения λ из (2.5.) - (2.8.).

Режим работы водяных тепловых сетей чаще всего соответствует области квадратичного закона. В этих условиях (2.10) – (2.12.) с учетом (2.8.) принимают вид

Гидравлический расчет - один из важнейших разделов проектирования и эксплуатации тепловой сети.

При проектировании в гидравлический расчет входят следующие задачи:

1)определение диаметров трубопроводов;

2)определение падения давления (напора);

3)определение давлений (напоров) в различных точках сети;

4)увязка всех точек системы при статическом и динамическом режимах с целью обеспечения допустимых давлений и требуемых напоров в сети и абонентских системах.

В некоторых случаях может быть поставлена также задача определения пропускной способности трубопроводов при известном их диаметре и заданной потере давления.

Результаты гидравлического расчета дают следующий исходный материал:

1)для определения капиталовложений, расхода металла (труб) и основного объема работ по сооружению тепловой сети;

2)установления характеристик циркуляционных и подпиточных насосов, количества насосов и их размещения;

3) выяснения условий работы источников теплоты, тепловой сети и абонентских систем и выбора схем присоединения теплопотребляющих установок к тепловой сети;

5) разработки режимов эксплуатации систем теплоснабжения.

Для проведения гидравлического расчета должны быть заданы схема и профиль тепловой сети, указаны размещение источников теплоты и потребителей и расчетные нагрузки.

Схема тепловой сети определяется размещением источников теплоты (ТЭЦ или котельных) по отношению к району теплового потребления, характером тепловой нагрузки потребителей района и видом теплоносителя. Основные принципы, которыми следует руководствоваться при выборе схемы тепловой сети, - надежность и экономичность теплоснабжения. При выборе конфигурации тепловых сетей следует, как правило, стремиться к получению наиболее простых решений и наименьшей длины теплопроводов

Более сложной задачей считается выбор схемы водяных тепловых сетей, поскольку их нагрузка, как правило, менее концентрирована. Водяные тепловые сети в современных городах обслуживают большое число потребителей, измеряемое нередко тысячами и даже десятками тысяч присоединенных зданий, расположенных на территориях, измеряемых часто многими десятками квадратных километров.

Водяные тепловые сети должны четко разделяться на магистральные и распределительные. К магистральным обычно относятся теплопроводы, соединяющие источники теплоты с районами теплового потребления, а также между собой. Теплоноситель поступает из магистральных сетей в распределительные сети и по распределительным сетям подается через групповые тепловые подстанции или местные тепловые подстанции к теплопотребляюшим установкам абонентов. Непосредственное присоединение тепловых потребителей к магистральным сетям не следует допускать, за исключением случаев присоединения крупных промышленных предприятий.

Уравнение Бернулли для установившегося движения по трубопроводу несжимаемой жидкости, выражающее, отнесенный к единице массы, энергетический баланс этой жидкости без учета ее энтальпии, может быть записано в виде:

Где Z 1 и Z 2 - геометрическая высота оси трубопровода в сечениях 1 и 2 по отношению к горизонтальной плоскости отсчета,

w 1 , и w 2 - скорости движения жидкости в сечениях 1 и 2, м/с;

р 1 и р 2 - давления жидкости, измеренные на уровне оси трубопровода в сечениях 1 и 2, Па;

δр - падение давления на участке 1 - 2;

ρ - плотность жидкости, кг/м3;

g- ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2.

Первый член в Z 1 g - удельная энергия высоты в данном сечении, (отнесенная к единице массы жидкости), Дж/кг;

w 2 /2 - удельная кинетическая энергия жидкости в данном сечении, Дж/кг;

р/ρ - удельная потенциальная энергии жидкости в данном сечении, Дж/кг;

δр /ρ - удельная потеря потенциальной энергии жидкости из-за трения и местных сопротивлений на участке трубопровода 1-2, Дж/кг, которая переходит в теплоту, что приводит к увеличению удельной энтальпии жидкости в процессе ее движения по трубопроводу.

Наряду с удельной энергией в гидравлическом расчете тепловых сетей широко используется другой параметр - напор, м:

где р - давление в трубопроводе, Па

ρ/γ=H - пьезометрический напор, м;

γ – удельный вес жидкости, Н/м 3 .

При гидравлическом расчете трубопроводов обычно заданы расход теплоносителя и суммарное паление давления на участке. Требуется определить диаметр трубопровода. Расчет состоит из двух этапов: предварительного и проверочного. Гидравлический расчет упрощается при использовании номограмм.

Предварительный расчет.

1.Задаются долей местных потерь или вычисляют ее.

2.Находят удельное линейное падение давления.

3.Определяют среднюю плотность теплоносителя на участке.

4.Определяют диаметр трубопровода из предположения его работы в квадратичной области.

Проверочный расчет.

1.Предварительно рассчитанный диаметр округляют до ближайшего по стандарту. Используя для этого таблицу стандартных диаметров труб, применяемых при транспортировке воды и водяного пара.

2.Определяют число Re. сравнивают его с предельным Re пр, рассчитанным ранее. Устанавливают расчетную область, в которой работает трубопровод.

3. При расчете паропроводов сопоставляют полученное значение ρ ср с предварительно принятым. При большом расхождении задаются более близкими значениями этих величин и вновь осуществляют проверочный расчет.

По результатам расчета строится пьезометрический график сети.

Здравствуйте! Основной целью гидравлического расчета на стадии проектирования является определение диаметров трубопроводов по заданным расходам теплоносителя и располагаемым перепадам давления в сети, или на отдельных участках теплосети. В процессе же эксплуатации сетей приходиться решать обратную задачу – определять расходы теплоносителя на участках сети или давления в отдельных точках при изменении гидравлических режимов. Без расчетов по гидравлике не построить пьезометрический график теплосети. Также этот расчет необходим для выбора схемы подключения внутренней системы теплоснабжения непосредственно у потребителя и выбора сетевых и подпиточных насосов.

Как известно, гидравлические потери в сети складываются из двух составляющих: из гидравлических линейных потерь на трение и потерь даления в местных сопротивлениях. Под местными сопротивлениями подразумеваются – задвижки, повороты, компенсаторы и т.п.

То есть ∆P = ∆Pл + ∆Pмест,

Линейные потери на трение определяют из формулы:

где λ – коэффициент гидравлического трения; l – длина трубопровода, м; d – диаметр трубопровода внутренний, м; ρ – плотность теплоносителя, кг/м³; w² — скорость движения теплоносителя, м/с.

В этой формуле коэффициент гидравлического трения определяем по формуле А.Д.Альтшуля:

где Re — число Рейнольдса, kэ/d — эквивалентная шероховатость трубы. Это справочные величины. Потери в местных сопротивлениях определяем по формуле:

где ξ – суммарный коэффициент местных сопротивлений. Его необходимо просчитать вручную используя таблицы со значениями коэффициентов местных сопротивлений. В прилагаемом к статье расчете в формате Exel я добавил таблицу с коэффициентами местных сопротивлений.

Для выполнения гидравлического расчета вам обязательно потребуется схема тепловой сети, вот примерно в таком виде:

На самом деле схема, конечно, должна быть более развернутой и подробной. Эту схемку я привел только в качестве примера. Из схемы теплосети нам нужны такие данные как: длина l трубопровода, расход G, и диаметр трубопровода d.

Как выполнять гидравлический расчет? Вся тепловая сеть, которую необходимо просчитать, делится на так называемые расчетные участки. Расчетный участок – это участок сети, на котором расход не изменяется. Сначала гидравлический расчет ведут по участкам в направлении главной магистрали, которая соединяет теплоисточник с наиболее удаленным потребителем тепла. Затем уже рассчитывают второстепенные направления и ответвления теплосети. Мой гидравлический расчет участка тепловой сети можно скачать здесь:

Это, конечно, расчет только одной ветки теплосети (гидравлический расчет теплосети большой протяженности достаточно трудоемкое дело), но достаточно для того, чтобы понять, что такое расчет гидравлики, и даже неподготовленному человеку начать считать гидравлику.

Буду рад комментариям к статье.

Страница 1

Гидравлический расчёт является важнейшим элементом проектирования тепловых сетей.

В задачу гидравлического расчёта входят:

1. Определение диаметров трубопроводов,

2. Определение падения напора в сети,

3. Установление величин напоров (давлений) в различных точках сети,

4. Увязка напоров в различных точках системы при статическом и динамическом режимах её работы,

5. Установление необходимых характеристик циркуляционных, подкачивающих и подпиточных насосов, их количества и размещение.

6. Определение способов присоединения абонентских вводов к тепловой сети.

7. Выбор схем и приборов автоматического регулирования.

8. Выявление рациональных режимов работы.

Гидравлический расчёт производят в следующем порядке:

1) в графической части проекта вычерчивают генплан района города в масштабе 1:10000, в соответствии с заданием наносят место расположения источника теплоты (ИТ);

2) показывают схему тепловой сети от ИТ к каждому микрорайону;

3) для гидравлического расчёта тепловой сети на трассе трубопроводов выбирают главную расчётную магистраль, как правило, от источника тепла до наиболее удалённого теплового узла;

4) на расчётной схеме указывают номера участков, их длины, определяемые по генплану с учётом принятого масштаба, и расчётные расходы воды;

5) на основании расходов теплоносителя и, ориентируясь на удельную потерю давления до 80 Па/м, назначают диаметры трубопроводов на участках магистрали;

6) по таблицам определяют удельную потерю давления и скорость теплоносителя (предварительный гидравлический расчёт);

7) рассчитывают ответвления по располагаемому перепаду давлений; при этом удельная потеря давления не должна превышать 300 Па/м, скорость теплоносителя – 3,5 м/с;

8) вычерчивают схему трубопроводов, расставляют отключающие задвижки, неподвижные опоры, компенсаторы и другое оборудование; расстояния между неподвижными опорами для участков различного диаметра определяются на основании данных таблицы 2;

9) на основании местных сопротивлений определяют эквивалентные длины для каждого участка и вычисляют приведённую длину по формуле:

10) вычисляют потери давления на участках из выражения

,

Где α – коэффициент, учитывающий долю потерь давления на местных сопротивлениях;

∆pтр – падение давления на трение на участке тепловой сети.

Окончательный гидравлический расчет отличается от предварительного тем, что падение давления на местных сопротивлениях учитывается более точно, т.е. после расстановки компенсаторов и отключающей арматуры. Сальниковые компенсаторы применяют при d ≤ 250 мм, при меньших диаметрах – П-образные компенсаторы.

Гидравлический расчёт выполняется для подающего трубопровода; диаметр обратного трубопровода и падение давления в нём принимают такими же, как и в подающем (п. 8.5 ).

Согласно пункту 8.6 , наименьший внутренний диаметр труб должен приниматься в тепловых сетях не менее 32 мм, а для циркуляционных трубопроводов горячего водоснабжения – не менее 25 мм.

Предварительный гидравлический расчёт начинают с последнего от источника теплоты участка и сводят в таблицу 1.

Таблица 6 – Предварительный гидравлический расчёт

№ участка							lпр=lх (1+α), м	∆Р=Rхlпр, Па
МАГИСТРАЛЬ
РАСЧЕТНОЕ ОТВЕТВЛЕНИЕ
								∑∆Ротв =