Гидравлический расчет водяной тепловой сети

Задачами гидравлического расчета водяной тепловой сети явля­ется определение диаметров трубопроводов на всех участках, опре­деление падения давления (напора) в подающей и обратной линиях, определение напора сетевого насоса, построение пьезометрического графика.

Расчет диаметров водяных сетей производится по максимальной тепловой нагрузке на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение в зимнее время. Независимо от результатов расчета наименьшие диаметры труб принимаются: для распределительных сетей 50 мм и для ответвлений к отдельным зданиям 25 мм.

Для выбранных диаметров трубопроводов водяных тепловых сетей в случае необходимости определяются потери давления при рас­ходах воды, отличающихся от расчетных, например: расход в летнее время, при максимальном отборе на горячее водоснабжение в двух­трубных сетях при открытой системе и др. Гидравлический расчет разделяется на два этапа: предварительный и проверочный.

Предварительный расчет

Выбирается расчетная магистраль, т.е. направление от станции до одного из абонентов, которое характеризуется наименьшим удель­ным падением давления. Если падение давления между станцией и любым потребителем одно и то же, то расчетной магистралью являет­ся линия, соединяющая станцию с наиболее удаленным потребителем. Такое положение имеет место в паровой сети при одинаковых давле­ниях пара у всех потребителей, а в двухтрубной водяной сети при одинаковом располагаемом напоре у всех потребителей. В примере приведенном на рис.3 и рис.4 магистральной трассой будет направление 0-1-2, так как располагаемые напоры у абонентов 2 и 3 приняты одинаковыми, а абонент 2 является наиболее удаленным.

Расчет начинается с начального участка расчетной магистрали (0-1). По формуле Б.Я.Шифринсона определяется предварительное значение средней доли местных потерь давления на данном участке:

(5.1)

где: - расход теплоносителя на рассматриваемом участке 0-1, кг/с;

z - постоянный коэффициент, зависящий от вида теплоноси­теля. Для воды рекомендуется принимать z = 0,03…0,05

 

Предварительное значение удельного линейного падения давле­ния на участке 0-1, т. е. падение давления на единицу длины трубопровода определяется по формуле:

(5.2)

где: - объемная плотность воды (приложение 10), кг/м3;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

- потеря напора на всей длине трассы 0-1-2, м. Принимается равной потере напора в подающей линии ;

- длина трубопровода на трассе 0-1-2,м.

Определяется предварительное значение диаметра трубопровода на участке 0-1

(5.3)

где: - постоянный расчетный коэффициент для определения диаметра трубопровода (приложение II).

 

Проверочный расчет

Ориентировочное значение диаметра трубопровода округляется до ближайшего большего стандартного внутреннего диаметра (приложение 13).

С помощью скелетной схемы тепловой сети и профиля трассы (рис.3 и рис.4) определяется количество запорной арматуры, пово­ротов, компенсаторов, переходов диаметров, и наносится на схему (рис. 4). При этом необходимо руководствоваться следующими прави­лами.

На водяных тепловых сетях секционирующие задвижки устанавли­ваются не реже, чем через каждые 1000 м с перемычкой между подаю­щей и обратной линиями, задвижки устанавливаются также на всех ответвлениях и на вводах к крупным потребителям тепла. Число ком­пенсаторов определяется в зависимости от расстояния между неподвижными опорами. Неподвижные опоры предусматриваются на трубопро­водах при всех способах прокладки тепловых сетей. Рекомендуемые расстояния между неподвижными опорами приведены в приложении 14.

Тогда количество компенсаторов установленных на участке 0-1 бу­дет равно:

(5.4)

где: - длина рассматриваемого участка, м;

- расстояние между неподвижными опорами, м.

В тех случаях, когда паропровод проложен совместно с водяными линиями, необходимо расстояние между неподвижными опорами вы­бирать с учетом обоих теплопроводов.

При установке П-образных компенсаторов длина трубопровода на участке 0-1 увеличивается на величину

(5.5)

где: - вылет (плечо) компенсатора, м.

Вылет П - образного компенсатора можно определить по формуле:

 

(5.6)

где: с_x - коэффициент конфигурации теплопровода, рекомендуется принимать с_х = 0,3;

E - модуль упругости первого рода (приложение 15), МН/м²;

- наружный диаметр трубопровода, м;

- максимальное допустимое напряжение при расчете усилий тепловых удлинений, рекомендуется принимать = 100 МН/м²;

- расчетное тепловое удлинение трубопровода, м.

Расчетное тепловое удлинение трубопровода можно определить по формуле:

(5.7)

где: - коэффициент зависящий от температуры теплоносителя (таблица 4);

- коэффициент линейного расширения материала трубопровода (приложение 15), мм/м.град;

- максимальная температура теплоносителе (принимается для прямой и обратной линией, равной температуре в прямой линии), °С;

- температура окружающей среды, °С.

Температура окружающей среды принимается:

- при надземной прокладке равной среднегодовой температуре наружного воздуха (приложение 6);

- при подземной бесканальной прокладке или в непроходных каналах равной температуре грунта на глубине заложения оси тру­бопровода + 5°С;

- при подземной прокладке в тоннелях или полупроходных ка­налах равной температуре воздуха в канале + 40°С.

 

Таблица 4 - Коэффициент для расчета теплового удлинения трубопровода

№№ п/п	Температура теплоносителя, °С.	Коэффициент,к1.
	Менее 250	0,5
	От 250 - 300	0,6
	От 300 – 400	0,7
	Более 400

 

Уточненное значение удельных линейных потерь на участке 0-1 будет равно:

(5.8)

где: - вспомогательный расчетный коэффициент (приложение11);

- расход теплоносителя на данном участке, кг/с.

При выполнении гидравлического расчета величину местных потерь выражают через эквивалентные линейные потери условных участков, имеющих эквивалентную длину l_Э.

 

Эквивалентную длину всех местных сопротивлений участка 0-2 можно определить по формуле:

(5.9)

где: - вспомогательный расчетный коэффициент (приложение 11);

- сумма коэффициентов местных сопротивлений на данном участке;

- коэффициент отдельного местного сопротивления (приложение 17);

п - количество местных сопротивлений на данном участке.

 

Падение давления на участке 0-1 будет равно:

 

(5.10)

Потеря напора на участке 0-1

(5.11)

Тогда располагаемый напор в т.1 тепловой сети (см.рис. 5 и рис.7) с учетом потери напора в подающей и обратной линиях будет:

 

(5.12)

На этом заканчивается расчет участка 0-1

Аналогично рассчитываются все остальные участки расчетной магистрали. Так, например, расчет следующего участка 1-2 начинается с предварительного определения доли местных потерь давления на этом участке:

Участок 1-2

, (5.13)

Далее определяются предварительное значение удельных линейных потерь давления на участке 1-2

(5.14)

 

где: - длина трубопровода на участке 1-2, м;

- потеря напора на участке 1-2 расчетной магистрали, м.

Потеря напора на участке 1-2 будет равна

 

= 1/2 (DН₁ - DН_аб), м (5.15)

и так далее.

В аналитической последовательности производится также расчет ответвлений. Все расчеты сводятся в таблицу 5.

 

 

Таблица 5 - Сводная таблица гидравлического расчета водяных тепловых сетей

Участок тепловой сети	Расход воды на участке	Длина участка в начале     l,м	Располаг. напор в нач.участка	Предварител. доля мест-ных потерь	Предварител. удельные ли-нейн.потери напора	Предварит.диаметр трубопрова Участка   dв,м
0-1
1-2
1-3

 

продолжение табл.5

Стандартн. внутрений диаметр трубопровод участка	Кол-во компенса-торов   п к	Длина вылета всех компен-саторов   l к,м	СССумма коэффициетов местных сопротивле-ний	Эквивалент длина всех местных сопротивлений   lэ,м	Удельные линейные потери напо- ра	Потери напора на участке   ,м

 

При гидравлических расчетах водяных тепловых сетей удельные потери давления в трубопроводах рекомендуется принимать [8]:

- для участков расчетной магистрали от источника тепла до наиболее удаленного абонента - не более 80 Па/м;

- для ответвлений от расчетной магистрали - по располагае­мому перепаду давления, но не более 300Па/м.

В случае, если действительные удельные потери давления пре­вышают допустимые, то следует принять больший стандартный диаметр трубопровода.

По результатам гидравлического расчета строятся пьезометри­ческий график водяной тепловой сети (см. рис.7)

 

РАСЧЕТ ПАРОВОЙ ЛИНИИ

 

Гидравлический расчет паропроводов производится по заданию в исходных данных расходу и давлению пара с учетом изменения состояния пара за счет падения давления при движении его по паропроводу и падения температуры за счет потерь тепла в окружающую среду.

Таким же образом, как и для водяных тепловых сетей, составляется профиль и скелетная схема паропровода. Расчетным участком считается участок между двумя ближайшими ответвлениями. При расчете паропроводов большой протяженности длина расчетного участка принимается равной 300…500 м, при большом перегреве пара длину расчетного участка можно увеличить до 1000м.

Расчет разбивается на два этапа: предварительный и проверочный.

 

Предварительный расчет

Выбор расчетной магистрали производится методом, указанным в главе 5.

Расчет разветвленной паровой сети выполняется в такой же последовательности, как и расчет тепловой водяной сети.

Предварительное значение доли местных сопротивлений a определяется по формуле (26).

Задаются значением температуры пара у потребителя t_пк таким образом, чтобы она была существенно выше чем температура насыщенного водяного пара при давлении Р_пк, заданном в исходных данных. Температуру насыщения водяного пара можно определить из приложения 16. Затем задаются падением температуры пара на рассматриваемом участке, рекомендуется принимать Dt_п =10…20⁰С на 1 км длины паропровода.

Задаются предварительным значением падения давления пара DР_п на расчетных участках паропровода в пределах 0,05…0,1 Мпа на 1 км длины паропровода.

В примере приведенном на рис. 3 и рис. 4 потребителем пара является только промышленное предприятие (абонент 3), расчетная магистраль 0-1-3. Так как паропровод является транзитным, то расчет можно выполнять сразу для всей магистрали 3-0. Падение давления пара DР_п будет равно разности давлений на станции Р_пн и у абонента Р_пк.

Предварительное значение удельного линейного падения давления на рассматриваемом участке паропровода будет равно:

R_л = , Па/м (6.1)

где: l – длина участка паропровода по генплану,м.

Предварительное значение внутреннего диаметра паропровода можно вычислить по формуле:

d_в =А_d × ,м (6.2)

где: А_d – вспомогательный расчетный коэффициент (приложение 11).

D - расчетный расход пара на участке, задается в исходных данных к проекту, кг/м².

- средняя плотность пара на участке, кг/м³.

Состояние пара принимается для каждого расчетного участка при средней плотности. С достаточной степенью точности средняя плотность пара на участке определяется по формуле:

= , кг/м³. (6.3)

где: _пн, _пк –соответственно плотности пара в начале и конце расчетного участка (приложение 18), кг/м³.

 

Проверочный расчет

Предварительное значение диаметра трубопровода округляется до ближайшего большего стандартного внутреннего диаметра d ¹ (приложение 13).

Местные сопротивления, а также эквивалентная длина местных сопротивлений l_э, количество и размеры компенсаторов, а также суммарная длина вылета П- образного компенсаторов l_к вычисляются аналогично указанному для водяных сетей (см.главу 5).

Следует иметь в виду, что секционирующие задвижки на паропроводах расчетной магистрали не устанавливаются. Задвижки устанавливаются на ответвлениях, а также перед вводом паропровода к абонентам. При совместной прокладке паропроводов и трубопроводов горячей воды принятые расстояния между мертвыми опорами должны быть одинаковыми или чтобы между наибольшими пролетами можно было разместить дополнительные компенсаторы на трубопроводах с меньшими пролетами.

Уточненное значение удельных линейных потерь давления вычисляется по формуле Д''Арси:

,Па/м, (6.4)

где: - коэффициент гидравлического трения.

Коэффициент гидравлического трения при любых значениях числа Рейнольдса допускается определять по формуле:

 

(6.5)

где: К_э – абсолютная эквивалентная шероховатость паропровода (приложение 11), м.

Rе – число Рейнольдса.

Число Рейнольдса определяется по формуле:

Rе = , (6.6)

где: - кинематическая вязкость перегретого пара (приложение 19),м²/с.

Падению давления на рассматриваемом участке трубопровода будет равно:

,Па (6.7)

где: l –длина участка паропровода по генплану, м.

Определяется скорость пара в паропроводе:

Wп = , м/с (6.8)

Полученное значение скорости не должно превышать величины указанные в таблице 6. На ответвлениях к отдельным абонентам допускается увеличивать скорость пара по сравнению с предельными значениями, но не более чем на 30 %.

 

Таблица 6- Предельные скорости пара в паропроводах, м/с

Условный диаметр паропровода	Перегретый пар	Насыщенный пар
до 0,2 м
более 0,2 м

 

Потеря тепла паропроводом в окружающую среду определяется по формуле:

Q_п = q_е ×(t_ср + t_о )×(l + l_к ), кДж/с, (6.9)

 

где: q_е – удельные тепловые потери 1 метром изолированных паропровода при разности температур между температурой пара и окружающей средой в 1 градус (приложение 21), кДж/(с.м).

t_ср – средняя температура пара на рассматриваемом участке,⁰С.

t_о – температура окружающей среды (см. пояснения к формуле 32), ⁰С.

Падение температуры перегретого пара на участке паропровода за счет теплопотерь в окружающую среду определяются по формуле:

, ⁰С, (6.10)

где: -теплоемкость перегретого пара при постоянном давлении и средней температуре пара на участке (приложение 20), кДж/(кг.град).

 

По результатам расчета определяют параметры пара на станции (давление температура и плотность ), находят значение . Если значение средней плотности пара отличается от ранее принятого значения более чем на 5%, то уточняют значения и R_л и расчет повторяют. Если расхождения невелики, то расчет считается законченным.

Результаты расчетов сводятся в таблицу 7.

Гидравлический расчет напорных конденсатопроводов производится аналогично гидравлическому расчету водяных тепловых сетей.

 

Таблица7 - Сводная таблица результатов расчета паропровода

Участок сети	Расход пара     D,кг/с	Длина участка     l, м	Температпара у абонента   t , 0C	Плотность пара у абонента   ,кг/м3	Предварит. доля местных потерь	Предвар. удельн. линейные потери пара Rл, Па/м	Предвар.диаметр паро-провода dв ,м	Стандарт диа-метр d1в,м

 

продолжение таблицы 7

Давление пара у абонента	Кол-во компенса-торов   пк	Длина вы- лета всех компенса-торов lк,м	Предвар средняя плотность пара	Сумма коэфициента местных сопротивле-ний	Эквив.дли-на всех местных потерь   L э, м	Удельн. линейные потери     R1л,Па/м	Число Рейноль-дса     Re

 

продолжение таблицы 7

Коэффиц.ги-дравлических сопротивлений	Скорость пара     Wп ,м/с	Потери тепла паропрово-дами Qп, кДж/с	Падение темпер-ры пара 0С	Давление пара на станции   Рпн, Мпа	Темпера-тура пара на станции tпн,0C	Плотность пара на станции кг/м3	Средняя плотность пара на участке ,кг/м3