Как выполнить гидравлический расчет водяных тепловых сетей

Расчетная схема тепловой трассы

Приветствую Вас, дорогие и уважаемые читатели сайта “world-engineer.ru”. Необходимым этапом при проектировании систем теплоснабжения предприятий и жилых районов является гидравлический расчет трубопроводов водяных тепловых сетей. Он необходим для решения следующих задач:

  1. Определение внутреннего диаметра трубопровода для каждого участка тепловой сети dВ, мм. По диаметрам трубопровода и по их длинам, зная их материал и способ прокладки можно определять капитальные вложения в тепловые сети.
  2. Определение потерь напора сетевой воды или потерь давления сетевой воды Δh, м; ΔР, МПа. Эти потери являются исходными данными для последовательных вычислений напора сетевых и подпиточных насосов на тепловых сетях.

Гидравлический расчет также выполняется для существующих эксплуатирующих тепловых сетей, когда ставится задача вычислить их фактический пропускную способность, т.е. когда есть диаметр, длина и нужно найти расход сетевой воды, которая пройдет через эти сети.

Гидравлический расчет трубопроводов тепловых сетей выполняется для следующих режимов их работы:

А) для расчетного режима работы тепловой сети (max GО; GВ; GГВС)

Б) для летнего режима, когда через трубопровод идет только GГВС

В) для статического режима, на источнике теплоснабжения остановлены сетевые насосы, а работают только подпиточные насосы.

Г) для аварийного режима, когда авария на одном или нескольких участках, диаметр перемычек и резервных трубопроводов.

Если тепловые сети работают для водяной открытой системы теплоснабжения, то еще и определяется:

Д) зимний режим, когда сетевая вода для системы ГВС зданий отбирается из обратного трубопровода тепловой сети.

Е) переходный режим, когда сетевая вода для ГВС зданий отбирается из подающего трубопровода тепловой сети.

При гидравлическом расчете проектирования тепловых сетей должны быть известны следующие величины:

  1. Максимальная нагрузка на отопление и вентиляцию и среднечасовая на ГВС: max QО, max QВЕНТ, QСРГВС.
  2. Температурный график системы теплоснабжения.
  3. Температурный график сетевой воды, температура сетевой воды в точке излома τ01НИ, τ02НИ.
  4. Геометрическая длина каждого участка тепловых сетей: L1, L2, L3…… LN.
  5. Состояние внутренней поверхности трубопровода на каждом участке тепловой сети (величина отложений коррозии и накипи). kЭ – эквивалентная шероховатость трубопровода.
  6. Количество, тип и расстановка местных сопротивлений, которые имеются на каждом участке тепловой сети (все задвижки, клапаны, повороты, тройники, компенсаторы).
  7. Физические свойства воды рВ, ИВ.

Как выполняется гидравлический расчет трубопроводов тепловых сетей будет рассмотрено на примере радиальной тепловой сети, обслуживающей 3-х потребителей теплоты.

Принципиальная схема радиальной тепловой сети, транспортирующей тепловую энергию для 3-х потребителей теплоты

Схема радиальной теплотрассы

1 – потребители теплоты (жилые районы)

2 – участки тепловой сети

3 – источник теплоснабжения

Гидравлический расчет проектируемых тепловых сетей выполняется в следующей последовательности:

  1. По принципиальной схеме тепловых сетей определяется потребитель, который наиболее удален от источника теплоснабжения. Тепловая сеть, проложенная от источника теплоснабжения до наиболее удаленного потребителя, называется головной магистралью (главная магистраль), на рисунке L1 + L2 + L3. Участки 1,1 и 2.1 – ответвления от головной магистрали (ответвление).
  2. Намечается расчетное направление движения сетевой воды от источника теплоснабжения до наиболее удаленного потребителя.
  3. Расчетное направление движения сетевой воды разбивается на отдельные участки, на каждом из которых внутренний диаметр трубопровода и расход сетевой воды должны оставаться постоянными.
  4. Определяется расчетный расход сетевой воды на участках тепловой сети, к которым присоединены потребители (2.1; 3; 3.1).

GСУМУЧ = GОР + GВР + k3*GГСР

GОР = QОР / СВ*(τ01Р – τ02Р) – максимальный расход на отопление

k3 – коэффициент, учитывающий долю расхода сетевой вода подаваемый на ГВС

GВР = QВР / СВ*(τ01Р – τВ2Р) – максимальный расход на вентиляцию

GГСР = QГВСР / СВ*(τ01НИ – τГ2НИ) – средний расход на ГВС

k3 = f (вид системы теплоснабжения, тепловая нагрузка потребителя).

Значения k3 в зависимости от вида системы теплоснабжения и тепловых нагрузок присоединения потребителей теплоты

Вид системы теплоснабжения k3
Открытая система
100 МВт и более 0,6
Менее 100 МВт 0,8
Закрытая система
100 МВт и более 1,0
Менее 100 МВт 1,2

 

  1. По справочным данным определяются физические свойства сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети:

PВПОД = f (τ01) VВПОД = f (τ01)

PВОБР = f (τ02) VВОБР = f (τ02)

  1. Определяются среднее значения плотности сетевой воды и ее скорость:

PВСР = (PВПОД + PВОБР) / 2;       (кг/м3)

VВСР = (VВПОД + VВОБР) / 2;       (м2/с)

  1. Выполняется гидравлический расчет каждого участка тепловых сетей.

7.1. Задаются скоростью движения сетевой воды в трубопроводе: VВ = 0,5-3 м/с. Нижний предел VВ обусловлен тем, что при более низких скоростях увеличивается осаждения взвешенных частиц на стенках трубопровода, а также при более низких скоростях циркуляция воды прекращается и трубопровод может замерзнуть.

VВ = 0,5-3 м/с. – большее значение скорости в трубопроводе обусловлено тем фактором, что при увеличении скорости больше 3,5 м/с в трубопроводе может возникать гидравлический удар (например, при резком закрытии задвижек, или при повороте трубопровода на участке тепловой сети).

7.2. Вычисляется внутренний диаметр трубопровода:

dВ = sqrt[(GСУМУЧ*4)/(рВСР*VВ*π)]       (м)

7.3. По справочным данным принимаются ближайшие значения внутреннего диаметра, которые соответствуют ГОСТу dВГОСТ, мм.

7.4. Уточняется фактическая скорость движения воды в трубопроводе:

VВФ = (4*GСУМУЧ) / [π*рВСР*(dВГОСТ)2]

7.5. Определяется режим и зона течения сетевой воды в трубопроводе, для этого рассчитывается безразмерный параметр (критерий Рейнольдса)

Re = (VВФ * dВГОСТ) / VВФ

7.6. Вычисляется ReПРI и ReПРII.

ReПРI = 10 * dВГОСТ / kЭ

ReПРII = 568 * dВГОСТ / kЭ

Для различных типов трубопроводов и различных степеней износа трубопровода kЭ лежит в пределах [0,01; 2]. 0,01 – если трубопровод новый. Когда неизвестен тип трубопровода и степень их износа согласно СНиП ”Тепловые сети” 41-02-2003. Значение kЭ рекомендуется выбирать равным 0,5 мм.

7.7. Рассчитывается коэффициент гидравлического трения в трубопроводе:

— если критерий Re < 2320, то используется формула: λТР = 64 / Re.

— если критерий Re лежит в пределах (2320; ReПРI], то используется формула Блазиуса:

λТР =0,11*(68/Re)0,25

Эти две формулы необходимо применять при ламинарном течении воды.

— если критерий Рейнольдса лежит в пределах (ReПРI < Re < =ReПРII), то используется формула Альтшуля.

λТР = 0,11*(68/Re + kЭ/dВГОСТ )0,25

Эта формула применяется при переходном движении сетевой воды.

— если Re > ReПРII, то используется формула Шифринсона:

λТР = 0,11*(kЭ/dВГОСТ )0,25

7.8. Определяются потери напора на трение по длине трубопровода или потери давления по длине трубопровода:

ΔhТР = λТР* (L*(VВФ)2) / (dВГОСТ*2*g ) (м)

ΔPТР = рВСР*g* ΔhТР = λТР* [L*(VВФ)2ВСР] / (dВГОСТ*2) = RЛ*L           (Па)

RЛ = [λТР* рВСР*(VВФ)2] / (2* dВГОСТ)    (Па/м)

RЛ – удельное линейное падение давления

7.9. Рассчитываются потери напора или потери давления в местных сопротивлениях на участке трубопровода:

ΔhМ.С. = Σ£М.С.*[(VВФ)2/(2*g)]

ΔpМ.С. = рВСР*g* ΔhМ.С. = Σ£М.С.*[((VВФ)2* рВСР )/2]

Σ£М.С. – сумма коэффициентов местных сопротивлений, установленных на трубопроводе. Для каждого вида местных сопротивлений £М.С. принимается по справочным данным.

7.10. Определяются полные потери напора или полные потери давления на участке трубопровода:

h = ΔhТР + ΔhМ.С.

Δp = ΔpТР + ΔрМ.С. = рВСР*g* ΔhТР + рВСР*g*ΔhМ.С.

По этой методике проводятся расчеты для каждого участка тепловой сети и все значения сводятся в таблицу.

Основные результаты гидравлического расчета участков водяной тепловой сети

участка

Характеристика участка Результаты расчета участка
GСУМ ,

(кг/с)

L,

(м)

KЭ,

(м)

Σ£М.С. dВГОСТ,

(м)

dВГОСТ,

(м)

VВФ,

(м/с)

ΔhМ.С.,

(м)

Δh,

(м)

Головная магистраль
1-2
Ответвление от головной магистрали
1А-поз.1

 

Для ориентировочных расчетов участков водяных тепловых сетей при определении RЛ, ΔрТР, ΔрМ.С. допускается использовать следующие выражения:

RЛ = [AR*(GСУМУЧ)2] / [рВСР*( dВГОСТ)5,25]          (Па/м)

RЛ = [ARВ*(GСУМУЧ)2] / ( dВГОСТ)5,25       (Па/м)

AR = 0,0894*KЭ0,25 – эмпирический коэффициент, который используется для ориентировочного гидравлического расчета в водяных тепловых сетях

ARВ = (0,0894*KЭ0,25) / рВСР = AR / рВСР

Эти коэффициенты выведены Соколовым Е.Я. и приведены в учебнике ”Теплофикация и тепловые сети”.

С учетом этих эмпирических коэффициентов потери напора и давления определяются как:

ΔpТР = RЛ*L = [AR* (GСУМУЧ)2*L] / [рВСР*( dВГОСТ)5,25] =

= [ARВ*(GСУМУЧ)2*L] / (dВГОСТ)5,25

ΔhТР = ΔpТР / (рВСР*g) = (RЛ*L) / (рВСР*g) =

=[AR*(GСУМУЧ)2*L] / (рВСР )2* (dВГОСТ)5,25 =

=  [ARВ*(GСУМУЧ)2*L] / рВСР* (dВГОСТ)5,25*g

Так же с учетом AR и ARВ; ΔрМ.С. и ΔhМ.С. запишутся так:

ΔрМ.С. = RЛ*LЭМ = [AR*(GСУМУЧ)2*LЭ]/рВСР * (dВГОСТ)5,25 =

= [ARВ*(GСУМУЧ)2* LЭ]/(dВГОСТ)5,25

ΔhМ.С. = ΔрМ.С. / (рВСР*g) = (RЛ*LЭМ) / (рВСР*g) =

=[AR*(GСУМУЧ)2*LЭ ] / рВСР * (dВГОСТ)5,25 =

= [ARВ*(GСУМУЧ)2* LЭ]/(dВГОСТ)5,25*g

LЭ = Σ (£М.С.* dВГОСТ) / λТР

Особенность эквивалентной длины заключается в том, что потери напора местных сопротивлений представляют как падение напора на прямолинейном участке с тем же внутренним диаметром и эта длина называется эквивалентной.

Полные потери давления и напора рассчитываются как:

Δh = ΔhТР + ΔhМ.С. = [(RЛ*L)/(рВСР*g)] + [(RЛ*LЭ) / (рВСР*g)] =

= [RЛ /(рВСР*g)]*(L + LЭ) =  [RЛ /(рВСР*g)]*(1 + аМ.С.)

Δр = ΔрТР + ΔрМ.С. = RЛ*L + RЛ*LЭ = RЛ (L + LЭ) = RЛ*(1 + аМ.С.)

аМ.С. – коэффициент местных потерь на участке водяной тепловой сети.

При отсутствии точных данных о количестве, типе и расстановке местных сопротивлений, значение аМ.С. можно принимать от 0,3 до 0,5.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *