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.

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

При гидравлическом расчете тепловых сетей устанавливают общий расход магистральной горячей воды отопления, кондиционирования, вентиляции и ГВС. На базе такого расчета определяются необходимые параметры насосного оборудования, теплообменников и диаметров труб магистральной сети.

Немного о теории и задачах

Главной задачей гидравлического расчета тепловых сетей является выбор геометрических параметров трубы и типоразмеров элементов управления, чтобы обеспечить:

• качественно-количественное распределения теплоносителя на отдельные отопительные приборы;
• тепло-гидравлическую надежность и экономическую целесообразность замкнутой тепловой системы;
• оптимизацию инвестиционных и эксплуатационных расходов теплоснабжающей организации.

Гидравлический расчет создает предпосылки, чтобы приборы отопления и ГВС достигали требуемой мощности при заданном температурном перепаде. Например, при Т-графике 150-70 о С, он будет равен 80 о С. Это достигается с помощью создания в каждой точке нагрева требуемого водяного напора или давление теплоносителя.

Такое обязательное условие работы тепловой системы реализуется путем грамотной настройки сетевого оборудования в соответствии с проектными условиями, монтажом оборудования на основании результатов гидравлического расчета тепловых сетей.

Этапы гидравлики сети:

1. Предпусковой расчет.
2. Эксплуатационное регулирование.

Первоначальная гидравлика сети выполняется:

• с помощью расчетов;
• измерительным способом.

В РФ метод расчета является преобладающим, в нем определяются все параметры элементов системы теплоснабжения в отдельно взятом расчетном районе (дом, квартал, город). Без этого сеть будет разрегулирована, а теплоноситель не будет подан на верхние этажи многоэтажных домов. Вот почему начало строительства любого объекта теплоснабжения, даже самого малого, начинается с гидравлического расчета тепловых сетей.

Составление схемы тепловых сетей

Перед расчетами гидравлики выполняют предварительную схему магистрали с указанием протяженности L в метрах и D инженерных водоводов в мм и расчетных объемов сетевой воды по проектным участкам схемы. Потери напора в системах теплоснабжения делятся на линейные, возникающие в связи с тернием носителя о стенки труб, и потерь на участках, вызванных местными конструкционными сопротивлениями, из-за наличия тройников, отводов, компенсаторов, поворотов и прочих устройств.

Пример расчета гидравлический расчет тепловых сетей:

1. Вначале выполняется укрупненный расчет, с целью определения максимальных показателей сети, способных полностью обеспечить жителей услугами отопления.
2. По завершению устанавливают качественные и количественные показатели магистральных и внутриквартальных сетей, в том числе итоговое давление и температуру носителя на вводных узлах потребителей тепла, с учетом тепловых потерь.
3. Выполняют проверочный гидравлический расчет теплосети отопления и ГВС.
4. Устанавливают фактические расходы на участках схемы и на вводах к жилым объектам, объем тепла, получаемого абонентами при температурном расчете теплоносителя в подающем водопроводе систем отопления и располагаемом напоре в выходном коллекторе, обоснование гидротеплового режимов, прогнозируемую температуру внутри жилых помещений.
5. Определяют необходимую температуру теплоснабжения на выходе.
6. Устанавливают предельный размер Т нагретой воды на выходе из котельной или другого теплового источника, полученного на базе гидравлического расчета теплосети. Она должна обеспечивать санитарные нормы внутри помещений.

Применения нормативного метода

Гидравлику сетей выполняют на базе таблиц предельных часовых нагрузок тепла и схемы теплоснабжения города или района с указанием источников, расположения магистральных, внутриквартальных и внутридомовых инженерных систем, с обозначением границ балансовой принадлежности собственников сетей. Гидравлический расчет трубопроводов тепловых сетей каждого участка до вышеуказанной схемы производится отдельно.

Данная методика расчета применяется не только для сетей отопления, но также для всех трубопроводов, транспортирующих жидкие среды, в том числе газоконденсата и других химических жидких сред. Для трубопроводных систем теплоснабжения должны быть внесены изменения с учетом кинематической вязкости и плотности носителей. Это связано с тем, что эти характеристики оказывают влияние на показатель удельной потери напора в трубах, а скорость потока связана с плотностью транзитной среды.

Параметры гидравлического расчета водяной тепловой сети

Расход тепла Q и количество теплоносителя G для участков указывается в таблице максимальных показателей часового потребления тепла за зимний и летний сезоны в отдельности и соответствует сумме потребления тепла для кварталов, включенных в схему.

Пример оформления гидравлического расчета тепловой сети представлен ниже.

Поскольку расчеты зависят от многих показателей, они выполняются с использованием многочисленных таблиц, диаграмм, графиков, номограмм, итоговое значение расхода тепла Q для внутридомовых систем теплоснабжения получают путем интерполяции.

Количество жидкости, циркулирующей в отопительной сети м 3 /час, при расчете гидравлического режима тепловой сети определяют по формуле:

G = (D2 / 4) х V,

• G - расход носителя, м 3 /час;
• D - диаметр трубопровода, мм;
• V - скорость потока, м/с.

Линейные падения напора при гидравлическом расчете тепловых сетей берутся из специальных таблиц. При монтаже систем отопления в них устанавливаются десятки и сотни вспомогательных элементов: клапаны, арматура, воздушники, отводы и прочие, создающие сопротивления транзитной среде.

К причинам падения давления в трубопроводах также можно отнести внутреннее состояние материалов труб и наличие солевых отложений на них. Значения коэффициента, используемые в технических расчетах, приводятся в таблицах.

Стандартная методика и стадии процесса

Согласно методике гидравлического расчета тепловых сетей, его осуществляют в две стадии:

1. Построение схемы теплосетей, на которой нумеруются участки, вначале в области центральной магистрали - более длинной и объемной по нагрузке линии сети от места подсоединения до более удаленного объекта потребления.
2. Расчет потерь напора каждого участка трубы, схемы. Его осуществляют с использованием таблиц и номограмм, которые обозначены требованиями государственных норм и стандартов.

Первым осуществляют вычисления для основной магистрали по расходам, установленным по схеме. При этом пользуются справочными данными удельных потерь напора в сетях.

1. Численность компенсаторов по схеме.
2. Сопротивления на фактически установленных элементах теплосети.

Потери напора высчитывают по формулам и номограммам. Затем, имея эти данные по всей сети, рассчитывают гидромеханический режим отдельных участков от места дробления потока вплоть до конечного абонента.

Расчеты увязывают с выбором диаметров труб ответвлений. Нестыковка не более 10 %. Лишний напор в теплосети погашается на элеваторных узлах, дроссельными соплами или авторегуляторами во внутридомовых исполнительных пунктах.

При имеющемся располагаемом давлении магистральной теплосети и ответвлений, вначале устанавливают приблизительные удельные сопротивления Rm, Па/м.

В расчетах используют таблицы, номограммы для тепловых сетей и другую справочную литературу, обязательную для всех этапов, ее легко найти в интернете и специальной литературе.

Алгоритм схемы расчета установлен нормативно-технической документацией, государственными и санитарными нормами и выполняется в строгом соответствии с установленным порядком.

В статье приведен пример расчета гидравлического расчета теплосети. Процедуру выполняют в следующей последовательности:

1. На утвержденной города и района отмечаются узловые точки расчета, источник тепла, трассировку инженерных систем с указанием всех ответвлений, подключенных объектов потребителей.
2. Уточняют границы балансовой принадлежности сетей потребителя.
3. Присваивают номера участку по схеме, начиная нумерацию от источника к конечному потребителю.

Система нумерации должна четко подразделять виды сетей: магистральные внутриквартальные, междомовые от теплового колодца и до границ балансовой принадлежности, при этом участок устанавливается как отрезок сети, заключенный двумя ответвлениями.

На схеме указывают все параметры гидравлического расчета магистральной тепловой сети от ЦТП:

• Q - ГДж/час;
• G м 3 /час;
• Д - мм;
• V - м/с;
• L - длина участка, м.

Эта тепловая сеть предназначена для системы теплоснабжения с помощью теплоносителя в виде пара.

Отличия этой схемы от предыдущей вызваны температурными показателями и давлением среды. Конструктивно эти сети отличаются более короткой протяженностью, в крупных городах к ним обычно относятся только магистральные, т. е. от источника до центрального теплового пункта. Они не применяются в качестве внутрирайонных и внутридомовых сетей, разве что на небольших промышленных площадках.

Принципиальная схема выполняется в той же очередности, что и с водяным теплоносителем. На участках указываются все параметры сети для каждого ответвления, данные берутся из сводной таблицы предельных часовых расходов тепла, с поэтапным суммированием расходных показателей от конечного потребителя к источнику.

Геометрические размеры трубопроводов устанавливаются по результатам гидравлического расчета, который выполняется в соответствии с государственными нормами и правилами, а в частности СНиП. Определяющей величиной является потеря давления газоконденсатной среды от источника теплоснабжения к потребителю. При большей потере давления и меньшем расстоянии между ними скорость движения будут большой, а диаметр паропровода потребуется меньший. Выбор диаметра осуществляют по специальным таблицам, исходя из параметров теплоносителя. После чего данные вносят в сводные таблицы.

Теплоноситель для конденсатной сети

Расчет для такой тепловой сети значительно отличается от предыдущих, поскольку конденсат одновременно пребывает в двух состояниях - в паре и в воде. Это соотношение меняется по мере продвижения к потребителю, т. е пар становится все более влажным и в конечном итоге полностью превращается в жидкость. Поэтому расчеты для труб каждой их этих сред имеют отличия и учитываются уже другими нормами, в частности СНиП 2.04.02-84.

Порядок расчета конденсатопроводов:

1. По таблицам устанавливают внутреннюю эквивалентную шероховатость труб.
2. Показатели потери давления в трубах на участке сети, от выхода теплоносителя с насосов теплоснабжения до потребителя, принимаются по СНиП 2.04.02-84.
3. В расчете этих сетей не учитывается расход тепла Q, а только расход пара.

Конструкционные особенности данного вида сети существенно влияют на качество измерений, поскольку трубопроводы для этого типа теплоносителя изготавливаются из черной стали, участки сети после сетевых насосов из-за подсосов воздуха быстро коррозируют от избытка кислорода, после чего образуется конденсат низкого качества с окисями железа, который вызывает коррозию металла. Поэтому на этом участке рекомендовано к установке трубопроводов из нержавеющих сталей. Хотя окончательный выбор будет сделан после завершения технико-экономического обоснования тепловой сети.

Потери энергии из-за клапанов, фитингов и изгибов вызываются локализованными нарушениями потока. Потеря энергии происходит по конечному и не обязательно короткому участку трубопровода, однако для гидравлических расчетов принято считать, что весь объем этой потери учитывается в месте расположения устройства. Для трубопроводных систем с относительно длинными трубами часто бывает, что итоговые потери будут незначительными по отношению к общей потере давления в трубе.

Потери трубопроводов измеряются с использованием реальных экспериментальных данных и затем анализируются для определения локального коэффициента потерь, который может быть использован для расчета потерь при подгонке, поскольку он изменяется скоростью прохождения жидкости через это устройство.

Программные продукты Pipe Flow Software позволяют легко определять фитинговые потери и другие потери при расчете перепада давления, поскольку они поставляются с предварительно загруженной базой данных арматуры, которая содержит множество стандартных факторов для клапанов и фитингов различного размера. Внутри трубопроводной системы часто используется насос, который добавляет дополнительное давление для преодоления потерь при трении и других сопротивлениях.

Производительность насоса определяется по кривой. Напор, создаваемый насосом, изменяется в зависимости от скорости потока, поиск рабочей точки на кривой производительности насоса не всегда является легкой задачей.

Если использовать программу для гидравлического расчета тепловых сетей Pipe Flow Expert, то довольно просто можно найти точную рабочую точку на кривой насоса, с гарантией того, что потоки и давление будут сбалансированы по всей системе, чтобы принять точное решение по выбору конструкции трубопроводов.

Расчет онлайн производится с целью избрания оптимального диаметра, обеспечивающего наилучшие параметры работы, низкие показатели потерь напора и высокие скорости движения сред, что обеспечит хорошие технико-экономические показатели тепловых сетей в целом.

Он минимизирует усилия и обеспечивает более высокую точность. В него включены все необходимые справочные таблицы и номограммы. Так, потери на одном метре труб приняты в размере 81 - 251 Па/м (8,1- 25,1 мм вод. ст.), что зависит от материала труб. Скорость воды в системе зависит от диаметра установленных труб и выбирается в конкретном диапазоне. Наибольшая скорость воды для тепловых сетей составляет 1,5 м/с. Расчетом предлагаются граничные значения скорости воды в трубопроводах с внутренним диаметром:

1. 15,0 мм - 0,3 м/с;
2. 20,0 мм - 0,65 м/с;
3. 25,0 мм - 0,8 м/с;
4. 32,0 мм - 1,0 м/с.
5. Для остальных диаметров не более 1,5 м/с.
6. Для трубопроводов противопожарных систем разрешена скорость среды до 5,0 м/с.

ГИС Zulu — геоинформационная программа гидравлического расчета тепловых сетей. Компания специализируется на исследованиях ГИС-приложений, которым необходима визуализация 3D-геоданных в векториальном и растровом варианте, топологическом изучении и их взаимосвязи со смысловыми базами данных. Zulu разрешает создавать разные планы и рабочие схемы, включая тепловые и паровые сети с помощью топологии, может выполнять работу с растрами и приобретать данные из разных баз, например BDE или ADO.

Вычисления проводят в тесной интеграции с геоинформационной системой, они исполнены в варианте расширенного модуля. Сеть элементарно и живо вносится в ГИС мышью либо по данным координатам. После чего незамедлительно создается расчетная схема. После устанавливаются параметры схем, и подтверждается начало процесса. Вычисления применяются для тупиковых и кольцевых теплосетей, включая сетевые насосные установки и дросселирующие приспособления, запитанных от одного либо многих источников. Расчет отопления имеет возможность выполняться с учетом утечек из распределительных сетей и тепловых потерь в трубах отопления.

Для того чтобы установить специальную программу на ПК, скачивают в Интернете через торрент "Гидравлический расчет тепловых сетей 3.5.2".

Структура этапов определения:

1. Определение коммутации.
2. Поверочный гидромеханический расчет теплосети.
3. Наладочный теплогидравлический расчет магистральных и внутриквартальных труб.
4. Конструкторский выбор оборудования теплосети.
5. Расчет пьезометрического графика.

Microsoft Excel для гидравлического расчета в тепловых сетях - самый доступный для пользователей инструмент. Его всеобъемлющий табличный редактор может разрешить много вычислительных задач. Впрочем, при выполнении расчетов тепловых систем требуется выполнения специальных требований. К таковым можно перечислить:

• нахождение предшествующего участка в направлении движения среды;
• расчет диаметра трубы по данному условному показателю и обратное вычисление;
• установление коэффициента поправки к размеру удельных потерь напора по данным и эквивалентной шероховатости материала трубы;
• вычисление плотности среды по ее температуре.

Конечно, применение Microsoft Excel для гидравлического расчета в тепловых сетях никак не дает возможность абсолютно упростить ход вычислений, который изначально создает сравнительно большие трудозатраты.

ПО для гидромеханического расчета сетей или пакет ГРТС — компьютерное приложение, которое исполняет гидромеханические подсчеты многотрубных сетей, включая тупиковую конфигурацию. Платформа ГРТС содержит языковый функционал формул, позволяющий установить необходимые характеристики расчета и подобрать формулы для точности их определения. Вследствие применения этого функционала, расчетчик имеет возможность независимо найти технологию вычислений и установить требуемую сложность.

Имеется две модификации приложения ГРТС: 1.0 и 1.1. По окончанию пользователь получит следующие результаты:

• расчет, в котором тщательно расписана методология вычислений;
• отчет в табличном виде;
• передачу вычислительных баз данных в Microsoft Excel;
• пьезометрический график;
• график температуры теплоносителя.

Приложение ГРТС 1.1 считается наиболее современной модификацией и поддерживает новейшие стандарты:

1. Расчет диаметров труб по данным напорам в концевых точках тепловой схемы.
2. Модернизирована справочная платформа. Команда "?" открывает справочную область приложения на экране монитора.

Гидравлический расчет тепловых сетей

Пример расчета представлен ниже.

Минимальные базовые параметры, необходимые для проектирования системы трубопроводов, включают:

1. Характеристики и физические свойства жидкости.
2. Требуемый массовый расход (или объем) транзитной среды, подлежащей транспортировке.
3. Давление, температура в начальной точке.
4. Давление, температура и высота в конечной точке.
5. Расстояние между двумя точками и эквивалентная длина (потери давления), установленными клапанами и фитингами.

Эти основные параметры необходимы для проектирования системы трубопроводов. Предполагая стационарный поток, существует ряд уравнений, основанных на общем энергетическом уравнении, которое может быть использовано для проектирования системы трубопроводов.

Переменные, связанные с жидкостью, паром или двухфазным потоком конденсата, влияют на результат расчета. Это приводит к выводу и разработке уравнений, применимых к конкретной жидкости. Хотя системы трубопроводов и их конструкция могут стать сложными, подавляющее большинство проблем проектирования, с которыми сталкивается инженер, могут быть решены стандартными уравнениями потока Бернулли.

Основным уравнением, разработанным для представления стационарного потока жидкости, является уравнение Бернулли, которое предполагает, что полная механическая энергия сохраняется для устойчивого, несжимаемого, невязкого изотермического потока без передачи тепла. Эти ограничительные условия действительно могут быть репрезентативными для многих физических систем.

Потери напора, связанные с клапанами и фитингами, также могут быть рассчитаны путем учета эквивалентных «длин» отрезков труб для каждого клапана и фитинга. Другими словами, расчетная потеря напора, вызванная жидкостью, проходящей через задвижку, выражается в виде дополнительной длины трубы, которая добавляется к фактической длине трубы при расчете перепада давления.

Все эквивалентные длины, вызванные клапанами и фитингами в сегменте трубы, будут добавлены вместе, чтобы вычислить падение давления для расчетного сегмента трубы.

Подводя итог, можно сказать, что целью гидравлического расчета тепловой сети в конечной точке является справедливое распределение тепловых нагрузок между абонентами тепловых систем. Тут действует простой принцип: каждому радиатору - по необходимости, то есть больший радиатор, который предназначен для обеспечения большего объема нагрева помещения, должен получать больший поток теплоносителя. Обеспечить этот принцип может правильно выполненный расчет сети.

Расчетная схема теплосети от источника теплоты (ТЭЦ) до районных тепловых пунктов (РТП) приведена на рис. 2.5. Для компенсации температурных деформаций используем сальниковые компенсаторы. Удельные потери давления по главной магистрали примем в размере 30−80 Па/м.

Рис. 2.5. Расчетная схема магистральной тепловой сети

Выполним расчет для подающего трубопровода. Примем за главную магистраль наиболее протяженную и загруженную ветвь теплосети от ТЭЦ (участки 1, 2, 3, 4, 9). По таблицам гидравлического расчета, приведенным в литературе , а также в прил. 6, на основании известных расходов теплоносителя, ориентируясь на удельные потери давления R в пределах от 30 до 80 Па/м, определим для участков 1, 2, 3, 4, 9 диаметры трубопроводов d н xS , мм, фактические удельные потери давления R , Па/м и скорости воды V , м/с.

По известным диаметрам на участках главной магистрали определим сумму коэффициентов местных сопротивлений Sx и их эквивалентные длины L э. Так, на участке 1 имеется головная задвижка (x = 0,5), поворот (x = 0,3), тройник на проход при разделении потока (x = 1,0); количество сальниковых компенсаторов (x = 0,3) на участке определим в зависимости от длины участка L и максимального допустимого расстояния между неподвижными опорами l . Согласно приложения 7 для D у = 500 мм это расстояние составляет 140 метров. Следовательно, на участке 1 длиной 2000 м следует предусмотреть пятнадцать сальниковых компенсаторов. Сумма коэффициентов местных сопротивлений на данном участке составит:

L п = L + L э = .

Затем определим потери давления DP на участке 1:

DP = R × L п = .

Аналогично выполним гидравлический расчет участков 2, 3 и 4 главной магистрали (см. табл. 2.6, 2.7).

Далее приступаем к расчету ответвлений. По принципу увязки потери давления DP от точки деления потоков до концевых точек (РТП) для различных ветвей системы должны быть равны между собой. Поэтому при гидравлическом расчете ответвлений необходимо стремиться к выполнению следующих условий:

∆P 5 = ∆P 6 ;∆P 6 = ∆P 2+ 7 ; DP 7 = DP 3+8 ;DP 8 = DP 4+9 ;DP 9 = DP 10 .

Исходя из этих условий найдем ориентировочные удельные потери давления для ответвлений. Так, для ответвления 7 получим:

.

Коэффициент a, учитывающий долю потерь давления на местные сопротивления, определяем по таблице 6.2 приложения 6:

Па/м.

Ориентируясь на R = 142 Па/м, определим по таблицам гидравлического расчета диаметр трубопровода, удельные потери давления R , скорость V , потери давления DР на участке 7. Аналогично выполним расчет ответвлений 5, 6, 8 и 10, определив предварительно для них ориентировочные значения R :

Таблица 2.6

Расчет эквивалентных длин местных сопротивлений.

Таблица 2.7

Гидравлический расчет магистральных трубопроводов

Определим невязку потерь давления на ответвлениях:

Т.к. невязка на участках 5, 6 и 7 больше 10 %, излишний напор на ответвлениях должен быть погашен соплами элеваторов, дроссельными диафрагмами и авторегуляторами потребителей.

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