Общие основы расчета свободных опор

Вопросы: 2.1 Конструкции теплопроводов в проходных каналах

Конструкции теплопроводов в полупроходных каналах

2.3 Конструкции теплопроводов в непроходных каналах

 

2.1 Конструкции теплопроводов в проходных каналах

Канал, в котором проложена тепловая сеть, называется проходным, если его габарит достаточен для свободного прохода обслуживающего персонала и свободного доступа ко всем элементам оборудования, требующим постоянного обслуживания.

Проходные каналы позволяют заменять и добавлять трубопрводы, производить ревизию, ремонт и ликвидацию аварий без разрушения дорожных перекрытий и мостовых.

Проходные каналы оборудуют естественной вентиляцией для обеспечения температуры воздуха не более 30 °С, электрическим освещением низкого напряжения 30 В, устройствами для быстрого отвода воды из канала.

Изоляционная конструкция выполняется с помощью теплоизоляционного слоя на поверхности трубопровода, покрытого сверху гидрофобным рулонным материалом.

 

Конструкции теплопроводов в полупроходных каналах

 

Канал, в котором проложена тепловая сеть, называется полупроходным, если его габарит достаточен для прохода обслуживающего персонала в полусогнутом состоянии (высота не менее 1400 мм). По и возможностям обслуживания эти каналы значительно уступают проходным. Так в полупроходных каналах можно проводить осмотр теплопроводов и мелкий ремонт тепловой изоляции, а серьезный ремонт, связанный со слесарными и сварочными работами проводит практически невозможно.

 

2.3 Конструкции теплопроводов в непроходных каналах

Для прокладки теплопроводов в непроходных каналах используют унифицированные коробчатые железобетонные элементы шириной от 600 до 2100 мм и высотой от 300 до 1200 мм.

При сборке непроходных каналов предусмотрено выполнение воздушных зазоров для создания благоприятных условий высыхания тепловой изоляции

В непроходных каналах изоляционный слой может выполняться в виде подвесной или монолитной конструкции.

Монолитная конструкция состоит из следующих основных элементов: антикоррозионного слоя, наложенного на стальной трубопровод в заводских условиях в виде нескольких слоев эмали или изола, теплоизоляционного слоя, выполненного из материалов с низким коэффициентом теплопроводности, защитно-механического покрытия в виде металлической сетки покрытой слоем асбоцементной штукатурки

 

ТЕМА 3 КОНСТРУКЦИИ БЕСКАНАЛЬНЫХ ТЕПЛОПРОВОДОВ

 

Вопросы: 3.1 Конструкции теплопроводов в монолитных оболочках

3.2 Конструкции теплопроводов в засыпных порошках

3.3 Подземные теплопроводы в литых конструкциях

 

3.1 Конструкции теплопроводов в монолитных оболочках

При прокладке тепловых сетей в монолитных оболочках на стальной трубопровод в заводских условиях накладывается оболочка совмещающая в себе изоляционную и несущую конструкцию.

Изолированные на заводе звенья длиной 6-12 м доставляются на место сборки, где производится их укладка в подготовленную траншею, стыковая сварка отдельных звеньев и накладка изоляции на стыковые соединения.

В зависимости от того как ведут себя трубопровод и изоляционный слой при термической деформации различают теплопроводы с адгезией изоляции и без адгезии.

При наличии адгезии термические деформации не приводят к нарушению контакта поверхности трубопровода и изоляционного слоя благодаря близким значениям коэффициентов линейного удлинения.

При отсутствии адгезии контакт нарушается из-за различных значений коэффициентов линейного расширения трубопровода и изоляционного слоя.

Существует несколько видов монолитных оболочек: армопобетонная (характеризуется адгезией к трубопроводу); оболочка из фенольного поропласта марки ФЛ; битумоперлитная оболочка.

Слабым местом бесканальных теплопроводов в монолитных оболочках является изоляция стыков, через эти места влага может поступать к трубопроводу и вызывать коррозию.

 

3.2 Конструкции теплопроводов в засыпных порошках

При прокладке теплопроводов в засыпных порошках изоляционный слой создается за счет засыпки и спекания в траншее с уложенными трубами гидрофобного порошка.

Сооружение теплпровода состоит из следующих основных операций: подготовка траншеи, укладка и сварка стальных труб, засыпка труб порошкообразным материалом (например, асфальтоизолом), нагрев труб до температуры 140-150°С и выдержка при этой температуре в течение 30-40 ч.

В результате спекания получают изоляционный слой, состоящий из трех участков:

– непосредственного на поверхности трубы спекшийся плотный слой асфальтоизола, имеющий адгезию к трубопроводу и защищающий его от увлажнения и коррозии;

– спекшийся пористый слой выполняющий функцию теплоизолятора;

– неспекшийся слой играет функцию дополнительно тепло- и гидроизолятора.

 

3.3 Подземные теплопроводы в литых конструкциях

При прокладке тепловых сетей в литых конструкциях изоляционный слой формируют путем заливки специального расплава в траншею с уложенными трубами и его последующего затвердевания.

Адгезия изоляционного слоя к трубопроводам недопустима, так как трубы тепловой сети имеют различные тепловые режимы и в тоже время охвачены монолитным слоем изоляционного материала.

Для избежания адгезии изоляции к поверхности трубопроводов они перед укладкой в траншею покрываются снаружи слоем антикоррозионного мастичного материала.

 

 

ТЕМА 4 КОНСТРУКЦИИ НАДЗЕМНЫХ ТЕПЛОПРОВОДОВ И ОСОБЫЕ СЛУЧАИ ПРОКЛАДКИ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

 

Вопросы: 4.1 Конструкции надземных теплопроводов

4.2 Особые случаи прокладки тепловых сетей

 

Существует несколько основных видов конструкций надземных теплопроводов:

– на отдельно стоящих низких или высоких опорах;

– на вантовых конструкциях подвешенных к пилонам мачт;

– на эстакадах.

При прокладке теплопроводов на низких опорах расстояние между нижней образующей изоляционной оболочки и поверхностью земли должно составлять не менее 0,35 м при ширине группы труб до 1.5 м и не менее 0,5 м при ширине группы труб более 1.5 м.

Высокие отдельно стоящие опоры могут выполняться жесткими, гибкими или качающимися.

 

4.2 Особые случаи прокладки тепловых сетей

Под особыми случаями прокладки тепловых сетей обычно понимают пересечение рек, железнодорожных путей и дорожных магистралей.

Наиболее простым способом пересечения рек является прокладка теплопроводов по строительным конструкциям железнодорожных или автодорожных мостов. В случае отсутствия мостов в районе прокладки тепловой сети возможным решением такой задачи является организация подвесного перехода или подводного дюкера.

Пример подводного дюкера, использованного для прокладки теплопровода по дну Москвы-реки, приведен на Рисунке 1. В этом случае длина дюкера составила 200 м, диаметр 2.5 м. Дюкер был уложен в заранее подготовленный канал на дне реки. Для исключения возможности всплывания сверху на него были надеты чугунные грузы. Для предохранения от коррозии наружная поверхность была покрыта слоем гидроизоляции.

Известным способом прокладки тепловых сетей под автодорожными магистралями с усовершенствованным покрытием без разрушения последнего является метод щитовой проходки. Щит представляет собой цилиндрическую оболочку, сваренную из стального листа. Поступательно движение щита в грунте осуществляется при помощи гидравлических домкратов, упирающихся в выложенную часть туннеля.

Пересечение теплопроводами железнодорожных или автодорожных насыпей производится без остановки движения методом прокола. Суть метода заключается в том, что при помощи мощных гидравлических домкратов в тело насыпи вдавливается мощная труба гильза, которая насквозь проходит через насыпь. После очистки от грунта гильза используется в качестве оболочки, внутри которой проходит изолированный теплопровод.

 

ТЕМА 5 ТРУБОПРОВОДЫ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

Вопросы 5.1 Общие сведения о стальных трубопроводах тепловых сетей

5.2 Расчет напряженно-деформированного состояния трубопроводов тепловых сетей

 

5.1 Общие сведения о стальных трубопроводах тепловых сетей

Для подбора сортамента стальных труб и арматуры для тепловых сетей используется специальная шкала давлений (ГОСТ 356-80).

Шкала разработана таким образом, что одна и та же труба может применяться для транспорта теплоносителя с любой температурой от 0 до установленной для данной марки предельной температуры t_пр £ 445°С, но пр различных давлениях.

Труба, рассчитанная на какое-либо условное давление р_у может быть применена для рабочего давления (р_раб): р_раб=e× р_у.

Значение коэффициента e зависит от температуры следующим образом

 

t, °С
e	1,0	0,9	0,8	0,7	0,64	0,56	0,5	0,45

 

Значения коэффициента e для промежуточных значений температуры определяется линейной интерполяцией между ближайшими значениями, указанными в таблице.

Основные типы труб для тепловых сетей:

– при диаметре труб до 400 мм включительно – бесшовные горячекатаные;

– при диаметрах выше 400 мм - электросварные с продольным швом и электросварные со спиральным швом.

Трубы для тепловых сетей изготавливаются в основном из следующих марок стали: Ст 2сп, Ст3сп, 10, 20, 10Г2С1, 15ГС, 16ГС.

Диапазон толщин стенок бесшовных труб: от 2 мм при условном проходе 15мм, до 9 мм при 400 мм

Трубопроводы тепловых сетей соединяются между собой при помощи электрической или газовой сварки

 

5.2 Расчет напряженно-деформированного состояния трубопроводов тепловых сетей

Схема трубопроводов, размещение опор и компенсирующих устройств должно быть выбрано таким образом, чтобы суммарное напряжение от всех одновременно действующих деформаций ни в одном сечении трубопровода не превышало допускаемого значения.

Наиболее слабым местом трубопроводов, по которому следует вести проверку напряжений являются сварные швы.

Коэффициент прочности сварного шва (j) представляет собой отношение допускаемого напряжения для шва к допускаемому напряжению для целой стенки

Набор значений коэффициентов прочности для различных сварных швов:

– односторонний ручной шов …………. 0,7;

– односторонний автоматический шов …0,8;

– двухсторонний ручной шов……………0,85;

– двухсторонний автоматический шов…..0,9

Трубопроводы тепловых сетей рассчитываются по формулам для тонкостенных сосудов, поскольку у них отношение толщины стенки к диаметру l/d<1/5.

В общем случае в трубопроводе могут возникать напряжения под действием внутреннего давления, изгиба и кручения.

Под действием внутреннего давления в стенке трубопровода возникает три вида напряжений:

– напряжения растяжения в торцевой плоскости (s₁), вектор которого направлен по образующей цилиндра;

– напряжения растяжения в осевой меридиональной плоскости (s₂), вектор которого направлен по касательной к окружности трубы;

– напряжения сжатия (s₃) нормальной к внутренней поверхности трубы.

Напряжения изгиба возникают в трубопроводе:

– под действием веса трубопровода, тепловой изоляции и веса теплоносителя (s₄). В надземных теплопроводах возможен также изгиб под действием ветрового напора;

– под действием термических напряжений в гнутых компенсаторах и на участках естественной компенсации (s₅).

Векторы напряжений s₄ и s₅ направлены по образующим цилиндра.

Напряжения кручения возникают только в случае термической деформации пространственных трубопроводов.

При одновременном действии всех деформаций приведенное максимальное напряжение определяется как , где s_р – суммарное напряжение растяжения от внутреннего давления, s_и – суммарное напряжение от изгиба, t – напряжение кручения.

Напряжение растяжения в торцевой плоскости (s₁) в технических расчетах определяется как

Напряжения растяжения в осевой меридиональной плоскости (s₂) определяется как

Напряжения сжатия (s₃) численно равно давление среды в трубопроводе р, поскольку s₃ значительно меньше, чем s₁ и s₂, то его значением при расчетах тепловых сетей пренебрегают.

Суммарное напряжение растяжения под действием внутреннего давления определяется по энергетической теории прочности и в технических расчетах вычисляется по следующей упрощенной зависимости:

Суммарное напряжение от изгиба определяется по следующей зависимости:

 

ТЕМА 6 ОПОРЫ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

Вопросы 6.1 Общие основы расчета свободных опор

6.2 Классификация свободных опор и расчет реакций на различных видах свободных опор

6.3 Основы расчета усилий, действующих на неподвижные опоры. Конструкции неподвижных опор

 

Общие основы расчета свободных опор

Опора – деталь теплопровода, воспринимающая усилия от трубопровода и передающая их на грунт или несущие конструкции.

Опоры делятся на две группы: свободные и неподвижные

Свободные опоры воспринимают вес трубопровода и обеспечивают его свободное перемещение при температурных деформациях

Неподвижные опоры фиксируют положение трубопровода в определенных точках и наряду с весом теплопровода воспринимают усилия, возникающие в местах фиксации под действием температурной деформации и внутреннего давления

При бесканальной прокладке свободные опоры во избежание их неравномерной просадки не используются, трубы укладываются на нетронутый грунт или тщательно утрамбованный слой песка.

При расчете изгибающих напряжений и деформаций трубопровод, лежащий на свободных опорах рассматривается как многопролетная балка.

При одинаковой длине пролета между всеми свободными опорами максимальный изгибающий момент в многопролетном трубопроводе возникает на опоре: , где q – удельная нагрузка на единицу длины трубопровода, Н/м; l – длина пролета между опорами, м.

В середине пролета возникает изгибающий момент

На расстоянии 0,2 l от опоры изгибающий момент равен нулю.

Результирующая удельная нагрузка q определяется с учетом вертикальной составляющей (q_в учитывает вес теплопровода) и горизонтальной составляющей (q_г учитывает ветровое усилие)

Максимальный прогиб трубопровода (стрела прогиба) имеет место в середине пролета и определяется как , где Е – модуль продольной упругости материала трубопровода, – экваториальный момент инерции трубы.

Длина пролета между опорами определяется как , где – экваториальный момент сопротивления трубы; – закладываемое при расчете значение напряжения от изгиба.

 

6.2 Классификация свободных опор и расчет реакций на различных видах свободных опор

По принципу действия свободные опоры делятся на скользящие, роликовые, катковые и подвесные.

В скользящих опорах термическая деформация трубопровода реализуется за счет скольжения трубопровода по опоре (опорного полуцилиндра по стальной скобе или бетонному камню).

В роликовых опорах термическая деформация трубопровода реализуется за счет качения трубопровода по ролику, вращение цапф которого сопровождается трением скольжения.

В катковых опорах термическая деформация трубопровода реализуется за счет качения трубопровода по катку, установленному между трубопроводом и специальной ограничительной подкладкой.

В роликовых опорах термическая деформация трубопровода реализуется за счет поворота подвесок.

Вертикальная реакция всех видов опор вычисляется одинаково, при одинаковом расстоянии между свободными опорами пользуемся следующим выражением: .

Горизонтальная реакция на свободных опорах вычисляется в зависимости от вида опор и их конструктивных характеристик.

Горизонтальная реакция на скользящей опоре определяется как , где m – коэффициент трения скольжения между перемещающимися друг относительно друга элементами (для стали по стали принимаем m равным 0,4, для стали по бетону – 0,6, для чугуна по чугуну или чугуна по стали – 0,35).

Горизонтальная реакция на роликовой опоре рассчитывается из условия равновесия действующих силовых моментов , где S – плечо трения качения ролика, m – коэффициент трения скольжения на поверхности цапфы, r– радиус цапфы, R – радиус ролика.

Горизонтальная реакция на катковой опоре рассчитывается из условия равновесия действующих силовых моментов , где S₁ – плечо трения качения при перемещении катка по опорной поверхности, S₂ – плечо трения качения при перемещении стальной поверхности трубопровода или подкладки под трубопроводом по поверхности катка, R – радиус катка.

Недостатком простых подвесных опор является деформация (перекосы и изгибы) труб вследствие различной амплитуды подвесок, находящихся на различном расстоянии от неподвижной опоры

При недопустимости перекосов труб и невозможности применения скользящих опор следует применять пружинные подвесные опоры или опоры с противовесом.

 

 

6.3 Основы расчета усилий, действующих на неподвижные опоры. Конструкции неподвижных опор

Усилия, воспринимаемые неподвижными опорами складываются из неуравновешенных сил внутреннего давления, реакций свободных опор и реакций компенсаторов температурных деформаций.

Когда с обеих сторон неподвижной опоры установлены сальниковые компенсаторы усилие внутреннего давления на неподвижную опору (и теплопровод в целом) не передается.

Когда с обеих сторон неподвижной опоры установлены участки с естественной компенсацией усилие внутреннего давления на неподвижную опору не передается.

Когда с обеих сторон неподвижной опоры установлены сальниковые компенсаторы, но при этом непосредственно за опорой установлена задвижка, то усилие внутреннего давления на неподвижную опору не передается если задвижка полностью открыта и передается, достигая максимального значения pF_в, когда задвижка полностью закрыта.

Когда с одной стороны неподвижной опоры установлен сальниковый компенсатор, а с другой имеется участок естественной компенсации, усилие внутреннего давления передается на неподвижную опору и его значение составляет pF_в.

Усилие вызванное различной реакцией свободных опор по разные стороны неподвижной опоры определяется как , где m – коэффициент трения на свободных опорах, q_в – вертикальная удельная нагрузка на единицу длины трубопровода, Н/м; Dl – разница длин участков теплопровода с обеих сторон неподвижной опоры, м.

 

ТЕМА 7 КОМПЕНСАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

 

Вопросы: 7.1 Физика температурных деформаций

7.2 Осевые компенсаторы температурных деформаций (сальниковые и линзовые)

7.3 Радиальные компенсаторы температурных деформаций

 

7.1 Физика температурных деформаций

Значение напряжений в стенке трубопровода при полном отсутствии компенсации температурных деформаций составляет , где a – коэффициент линейного удлинения материала трубопровода, 1/к; Е – модуль упругости материала трубопровода, Па; Dt – изменение температуры трубопровода, °С.

Напряжение в прямолинейном защемленном участке трубопровода не зависит от диаметра, толщина стенки и длины трубопровода, а определяется только свойствами материала (модуль, упругости и коэффициент линейного удлинения) и перепадом температур.

Усилие сжатия, возникающее при нагревании в прямолинейном участке трубопровода без компенсации составляет , где f – площадь поперечного сечения стенок трубопровода, м².

 

7.2 Осевые компенсаторы температурных деформаций (сальниковые и линзовые)

По способу компенсации все компенсаторы можно разбить на две группы: осевые и радиальные.

Осевые компенсаторы применяются для компенсации температурных удлинений линейных участков трубопроводов.

Семейство осевых компенсаторов включает в себя два вида устройств: сальниковые компенсаторы и упругие компенсаторы.

Принцип действия сальникового компенсатора заключается в том, что он состоит из двух частей корпуса и стакана, между которыми установлено сальниковое уплотнение, таким образом, что стакан может перемещаться внутри корпуса при сохранение водоплотности устройства

Установка сальникового компенсатора не требует применения фланцевых соединений, так как сальниковый компенсатор непосредственно вваривается в трубопровод.

Недостатком сальниковых компенсаторов является необходимость тщательного ухода за сальниковой набивкой, которая со временем теряет эластичность и потому нуждается в периодической подтяжке и замене.

Принцип действия линзового компенсатора основан на его способности удлиняться или укорачиваться за счет деформации упругих элементов – волн.

Линзовый компенсатор также как и сальниковый вваривается непосредственно в трубопровод.

Для уменьшения гидравлического сопротивления линзовых компенсаторов внутрь его корпуса вваривается гладкая труба.

Линзовые компенсаторы сварного типа находят применение на трубопроводах низкого давления (до 0,5 МПа). При более высоком давлении возможно выпучивание волн.

 

 

7.3 Радиальные компенсаторы температурных деформаций

Принцип действия радиального компенсатора основан на изгибе специальных вставок или отдельных участков самого трубопровода.

В случае если компенсация достигается за счет изгиба участков самого трубопровода, то компенсация называется естественной.

Преимуществом радиальной компенсации является простота устройства, надежность, отсутствие необходимости в надзоре и уходе, разгруженность неподвижных опор от усилий внутреннего давления.

Недостатком радиальной компенсации является поперечное перемещение деформируемых участков трубопровода

Участки трубопровода воспринимающие температурные деформации при естественной компенсации состоят из гнутых колен и прямых участков. Гнутые колена повышают гибкость трубопровода и увеличивают его компенсирующую способность.

 

ТЕМА 8 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

Вопросы: 8.1 Методика теплового расчета тепловых сетей

Задачи теплового расчета: определение тепловых потерь теплопровода; расчет температурного поля вокруг теплопровода (определение температуры изоляции, воздуха в канале, стен канала, грунта); расчет падения температуры теплоносителя вдоль теплопровода; выбор толщины тепловой изоляции теплопровода.

В надземных теплопроводах между теплоносителем и наружным воздухом последовательно включены следующие сопротивления: сопротивление конвективной теплоотдаче от теплоносителя к внутренней поверхности теплопровода, сопротивление теплопроводности стенки трубопровода, сопротивление теплопроводности слоя изоляции, сопротивление теплоотдаче от наружной поверхности изоляции к наружному воздуху

В практических расчетах обычно пренебрегают первыми двумя сопротивлениями и учитывают только сопротивление теплопроводности слоя изоляции (R_и), сопротивление теплоотдаче от наружной поверхности изоляции к наружному воздуху (R_н).

Тепловые потери надземного теплопровода определяются следующим образом: , где t – температура теплоносителя, °С; t₀ – температура наружного воздуха, °С.

Если изоляция состоит из нескольких слоев (n слоев), то суммарное сопротивление передаче тепла теплопроводностью через составной слой изоляции составит

В подземных теплопроводах в качестве одного из последовательно включенных сопротивление выступает сопротивление грунта, которое вычисляется по формуле Форхгеймера: , где l_гр – коэффициент теплопроводности грунта, Вт/(м×К); h – глубина заложения оси теплопровода, м; d – диаметр контакта теплопровода с грунтом (для бесканального – наружный диаметр теплопровода, для канального эквивалентный диаметр канала).

В случае когда отношение , пользуемся упрощенной формулой

При малой глубине заложения подземного теплопровода температура поверхности грунта над теплопроводом может существенно отличаться от естественной температуры поверхности грунта.

В случае расчет теплопотерь ведут по температуре наружного воздуха и приведенной глубине закладки (h_п), которая отличается от действительной (h_д) добавкой толщина фиктивного слоя грунта (h_ф) (h_п =h_д+ h_ф) сопротивление которого численно равно сопротивлению теплопередачи от поверхности грунта к воздуху: , где a – коэффициент теплоотдачи на поверхности грунта, Вт/(м²×К).

Тепловые потери сети состоят из двух видов потерь: потери участков теплопровода не имеющие арматуры и фасонных частей (линейные потери) и теплопотери фасонных частей, арматуры, опорных конструкций, фланцев (местные теплопотери).

Линейные тепловые потери вычисляются исходя из удельных тепловых потерь q (Вт/м): , где l – длина теплопровода, м.

Местные тепловые потери определяются как правило в местных эквивалентных длинах трубы , l_э – эквивалентная длина местных сопротивлений, м.

Суммарные тепловые потери определяются по формуле: , где – доля местных теплопотерь, которая в предварительных расчетах принимается 0,2-0,3.

Для оценки эффективности изоляционной конструкции вводится коэффициент эффективности изоляции: , где Q_и , Q – тепловые потери изолированного и голого теплопроводов соответственно.

 

 

ТЕМА 9 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

 

Вопросы 9.1 Задачи теплового расчета и виды конфигурации тепловых сетей

9.2 Теоретические основы гидравлического расчета

9.3 Методика гидравлического расчета тепловых сетей

9.1 Задачи теплового расчета и виды конфигурации тепловых сетей

При проектировании тепловой сети в задачами гидравлического расчета являются: определение диаметров трубопроводов; определение падения давления напора, определение давлений в различных точках сети, увязка всех точек системы при статическом и динамическом режимах с целью допустимых давлений и требуемых напоров в сети и абонентских системах.

При выборе конфигурации тепловой сети следует стремиться к получению наименьшей длины теплопроводов в сочетании с достаточной надежность системы теплоснабжения.

Радиальные тепловые сети представляют собой лучи отходящие от источника теплоснабжения, от которых имеются ответвления к абонентским установкам.

Радиальные тепловые сети наиболее просты в эксплуатации, имеют наименьший расход металла, но авария на магистрали радиальной тепловой сети приводит к автоматическому прекращению теплоснабжения абонентов, присоединенных за местом аварии.

Для обеспечения бесперебойного теплоснабжения абонентов в случае аварий применяют кольцевые тепловые сети, в которых магистральные трубопроводы связывают между собой блокировочными перемычками.

 

9.2 Теоретические основы гидравлического расчета

Для гидравлического расчета установившегося движения несжимаемой жидкости используется уравнение Бернулли.

Падение давления в трубопроводе может быть представлено как сумма двух слагаемых: линейного падения (dр_л) и падения в местных сопротивлениях (dр_м): dр_л=dр_л+dр_м.

Линейное падения давления в трубопроводах, транспортирующих жидкость или газы определяется как: , где R_л – удельное падение давления, Па/м; l – длина трубопровода, м.

Удельное падение давления определяется при помощи уравнения д’Арси: , где l – коэффициент гидравлического трения; w– скорость среды, м/с; d – внутренний диаметр трубопровода, м; G – массовый расход среды, кг/с.

Коэффициент гидравлического трения (l) зависит от характера стенки трубы (гладкая или шероховатая) и режима движения жидкости (ламинарное и турбулентное)

15.8 В качестве первого характеристического параметра шероховатости принимают высоту выступа называемую абсолютной шероховатостью k_э . У большинства работающих стальных трубопроводов k_э составляет от 0,05 до 0,2 мм.

В качестве второго характеристического параметра шероховатости принимают отношение абсолютной шероховатости к радиусу трубопровода.

Коэффициент гидравлического трения (l) имеет максимальное значение при малых значениях критерия Рейнольдса (Re).

С увеличением значения критерия Рейнольдса (Re) коэффициент гидравлического трения (l) монотонно снижается и при некотором значении Re_пр достигает минимального значения. При дальнейшем увеличение Re коэффициент гидравлического трения остается постоянным.

С достаточной для практических расчетов точностью принимают, что в переходной области коэффициент гидравлического трения зависит как от относительной эквивалентной шероховатости k_э/r, так и от числа Re, а в области коэффициент гидравлического трения зависит только от k_э/r и не зависит от числа Re.

Предельное значение числа Re определяется как .

При Re<Re_пр коэффициент гидравлического трения определяют при помощи зависимости:

При Re³Re_пр коэффициент гидравлического трения определяют при помощи зависимости: . То есть в этом случае имеем квадратичную зависимость падения давления в трубопроводе от расхода.

Тепловые сети как правило работают в квадратичной области и для них используют следующие удобные для практических расчетов зависимости:

, где

A_R, A_d, A_G – вспомогательные табличные коэффициенты для определения удельного падения давления (при заданных массовом расходе и диаметре трубопровода), диаметра (при заданных массовом расходе и линейном падении давления) и массового расхода (при заданных диаметре и линейном падении давления) соответственно.

эквивалентная длина местных сопротивлений – такая длина прямолинейного трубопровода с диаметром d падение давления на котором равно падению давления в местных сопротивлениях.

Эквивалентная длина местных сопротивлений определяется как или при работе в квадратичной области , где Sx – сумма коэффициентов местных сопротивлений установленных на участке, А_l – вспомогательный табличный коэффициент для определения l_э при работе в квадратичной области

Доля местных потерь – это отношение падения давления в местных сопротивлениях к линейному падению давления

В практических расчетах доля местных потерь определяется по следующей приближенной зависимости:

 

9.3 Методика гидравлического расчета тепловых сетей

Порядок предварительного расчета:

– определяем долю местных потерь;

– определяем линейное падение давления ;

– определяем среднюю плотность теплоносителя на участке ;

– определяем диаметр работы трубопровода из предположения его работы в квадратичной области по формуле ()

Порядок поверочного расчета:

– округляем предварительно определенный диаметр до ближайшего по стандарту;

– Определяем число Re и сравниваем его с Re_пр;

– Если трубопровод работает в квадратичной области, то определяем линейное удельное падение давления по (), эквивалентную длину местных сопротивлений по (), суммарное падение давления по ().

– Если трубопровод работает в квадратичной области, то определяем коэффициент гидравлического трения по (), линейное удельное падение давления по (), эквивалентную длину местных сопротивлений по (), суммарное падение давления по ().

Определение области, в которой работает трубопровод следует проводить только при работе участков с малой нагрузкой (абонентские ответвления с малым расходом теплоносителя). При расчете магистральных линий и основных ответвлений проверку расчетной области можно не проводить, считая ее квадратичной.

При расчете паропроводов при проведении поверочного расчета следует сравнить вновь полученное значение r_ср с предварительно принятым. При большом расхождении необходимо заново задать r_ср и вновь провести поверочный расчет.

 

ТЕМА 10 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЬЕЗОМЕТРИЧЕСКОГО ГРАФИКА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

Вопросы: 10.1 Основы построения и использования пьезометрического графика при проектировании и эксплуатации тепловых сетей

 

Пьезометрическим графиком называется график, на котором в определенном масштабе нанесены рельеф местности, высота присоединенных зданий, напор в сети

Напор в какой-либо точке тепловой сети называется полным, если отсчитан от нулевой вертикальной отметки на пьезометрическом графике.

Разница полного напора и геодезической высоты рассматриваемой точки над вертикальной нулевой отметкой называется пьезометрическим напором.

Основные требования к режиму давлений водяных тепловых сетей из условия надежности работы системы теплоснабжения сводятся к следующему:

1.Непревышение допустимых давлений в оборудовании источника теплоснабжения, тепловой сети и абонентских установок. Допустимое избыточное (сверх атмосферного) давление в стальных трубопроводах и арматуре тепловых сетей зависит от применяемого сортамента труб и в большинстве случаев составляет 1,6 – 2,5 МПа.

2. Обеспечение избыточного (сверх атмосферного) давления во всех элементах системы теплоснабжения для предупреждения кавитации насосов (сетевых, подпиточных, смесительных) и защиты системы теплоснабжения отподсоса воздуха. Невыполнение этого требования приводит к коррозии оборудования и нарушению циркуляции воды. В качестве минимального значения избыточного давления принимают 0,05 MПа (5 м вод. ст.).

3. Обеспечение невскипания воды при гидродинамическом режиме системы теплоснабжения, т.е. при циркуляции воды в системе.

Во всех точках системы теплоснабжения должно поддерживаться давление, превышающее давление насыщения водяною пара при температуре воды в системе.

На рисунке 10.1 приведены схема и пьезометрический график двухтрубной тепловой сети.

 

За горизонтальную плоскость отсчета напоров принят уровень 1-1, имеющий горизонтальную отметку О; П1 - П4 - график напоров подающей линии сети; О1 - О4 - график напоров обратной линии сети; H_о1 - полный напор на обратном коллекторе источника теплоснабжения; Н_н - напор, развиваемый сетевым насосом I; Н_ст - полный напор, развиваемый подпиточным насосом, или, что то же, полный статический напор в тепловой сети, принять равным 50 м; Н_к - полный напор в точке К на нагнетательном патрубке сетевого насоса I; dНт - потеря напора сетевой воды в теплоподготовительной установке III; Н_п1 - полный напор на подающем коллекторе источника теплоснабжения; H_п1=Н_к - dН_т. Располагаемый напор сетевой воды на коллекторе ТЭЦ Н₁=Н_п1 – H_о1. Напор в любой точке тепловой сети, например, в точке 3, обозначается следующим образом: Н_п3 - полный напор в точке 3 подающей линии сети, H_о3 - полный напор в точке 3 обратной линии сети.

Если геодезическая высота оси трубопровода над плоскостью отсчета в этой точке сети равна Z₃, то пьезометрический напор в точке 3 подающей линии равен Н_п3-Z_3, а пьезометрический напор в обратной линии Н_о3-Z₃. Располагаемый напор в точке 3 тепловой сети равен разности пьезометрических напоров подающей н обратной линии тепловой сети или, что одно и то же, разности полных напоров Н₃=Н_п3 – Н_о3. Располагаемый напор в тепловой сети в узле присоединения абонента D: Н₄=H_п4-Н_о4, где Н_п4 и Н_о4 - полные напоры в подающей и обратной линиях тепловой сети в точке 4. Потеря напора в подающей линии тепловой сети на участке между коллектором источника теплоснабжения и абонентом D dН^п_1-4= Н_п1- Н_п4.

Потеря напора в обратной линии на этом участке тепловой сети

dН^о_о4=H_o4-H_ol.

При работе сетевого насоса I напор Н_ст, развиваемый подпиточным насосом II, дросселируется регулятором давления IV до H_о1.

При остановке сетевого насоса I в тепловой сети устанавливается статическое давление Н_ст, развиваемое подпиточным насосом.

 

ТЕМА 11 АРМАТУРА ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

 

Вопросы: 11.1 Классификация арматуры тепловых сетей

11.2 Примеры конструкции трубопроводной арматуры

11.3 Павильоны и камеры тепловых сетей

 

11.1 Классификация арматуры тепловых сетей

Арматура тепловых сетей – вспомогательные устройства для наблюдения, управления и обслуживания тепловых сетей и аппаратов теплоснабжения.

Возможными материалами для изготовления трубопроводной арматуры являются сталь, чугун, цветные металлы и пластмасса.

Наиболее распространена стальная арматура благодаря своей прочности. Применение чугунной арматуры ограничено давлением 0,07 МПа (для пара_ и температурой 116°С (для воды). Чугунная арматура должна размещаться на прямолинейных участках труб, не испытывающих изгибающих усилий. Также ограничено применение чугунной арматуры на открытом воздухе с низкими отрицательными температурами.

Арматура из цветных металлов не получила распространения из-за дефицитности, а пластмассовая – из-за недостаточной прочности.

Вся трубопроводная арматура имеет условное обозначение по классификации Центрального конструкторского бюро арматуростроения (ЦКБА). Условное обозначение состоит из букв и цифр. Первые две цифры обозначают тип арматуры:

10 – спускные краны;

14 и 15 – вентили;

16 – обратные подъемные клапаны;

17 – предохранительные клапаны;

18 – редукционные клапаны;

25 – регулирующие клапаны;

30 – задвижки;

45 – конденсатоотводчики.

Буквы после первой группы цифр обозначают материал, из которого изготовлена арматура:

С – сталь углеродистая;

ЛС – сталь легированная;

НЖ – сталь коррозионно-стойкая;

КЧ – ковкий чугун;

Ч – серый чугун;

Б – бронза;

Л – латунь;

А – алюминий;

П – пластмассы.

Цифры (одна или две) после буквенного обозначения указывают конфигурацию арматуры. Если цифр три, то первая указывает вид привода:

3 – механический ч червячной передачей;

4 – цилиндрический с зубчатой передачей;

5 – с конической зубчатой передачей;

6 – пневматический;

7 – гидравлический;

8 – электромагнитный;

9 – электрический.

Последний буквы в шифре указывают материал уплотнительных поверхностей:

БР – бронза;

Л – латунь;

НЖ – нержавеющая сталь;

К – кожа;

Р – резина.

Арматура специального назначения также в конце шифра дополняется указанием материала внутренних поверхностей:

ГМ – гуммирование;

ЭМ – эмалирование;

СВ – свинцевание.

Например, задвижка из углеродистой стали с коррозионно-стойкими уплотнительными кольцами обозначается – 30С64НЖ, а задвижка с электроприводом и бронзовыми уплотнительными кольцами – 30С964БР.

 

 

11.2 Примеры конструкции трубопроводной арматуры

Вентиль – запорное приспособление для включения или выключения участка трубопровода, а также для регулирования расхода среды в трубопроводе.

Вентили (рисунок) имеют запорный орган в виде золотника, который при закрытии плотно прилегает к седлу, создавая высокую герметичность открывания проходного отверстия. Крышка вентиля крепится на корпусе болтами или на резьбе. Подтяжка сальникового уплотнения производится двумя откидными болтами, установленными на крышке, или накидной гайкой.

Вентили бывают фланцевые и бесфланцевые. Бесфланцевые вентили подразделяются на приварные и муфтовые. Бесфланцевые приварные вентили соединяются с трубами сваркой.

Потеря давления теплоносителя в проходных сечениях вентиля зависит от расположения шпинделя. Вентили с наклонным расположением шпинделя (типа «Косва») и прямоточные имеют наименьшее гидравлическое сопротивление. На трубопроводах вентили устанавливают так, чтобы теплоноситель поступал под золотник, чем достигается уменьшение усилий на открытие и предупреждается отрыв золотника от шпинделя.

Задвижка – устройство для полного или частичного закрытия отверстия посредством перемещающегося перпендикулярно к оси канала запорного органа.

Задвижки (рисунок) по конструктивному исполнению разделяются на клиновые и параллельные, с выдвижным и невыдвижным шпинделем. Стальные задвижки имеют клиновое уплотнение, чугунные – параллельное. Для уплотнения используются кольца из бронзы или нержавеющей стали. Кольца запрессовываются на дисках клиньев ив корпусе.

В клиновых задвижках затвор состоит из сплошного или двухдискового клина, уплотнение достигается путем прилегания плоскостей колец клина к плоскостям колец корпуса. При опускании двухдискового клина разжимной клин, находящийся между дисками, упирается в дно корпуса и распирает диски, плотно прижимая их к уплотнительным кольцам корпуса.

В параллельных задвижках затвор состоит из двух дисков с плоскими параллельно расположенными уплотнительными поверхностями. Закрытие задвижки производится аналогично клиновой задвижке с двухдисковым клиновым затвором.

В задвижках с выдвижным шпинделем маховиком вращается запрессованная в его гайку ступица, которая сообщает шпинделю поступательное движение. Диски или клин соединены с выдвижным шпинделем шарнирно. В задвижках с невыдвижным шпинделем при вращении маховика происходит подъем или опускание дисков при помощи гайки, навернутой на нижнем конце шпинделя.

Крупные задвижки выпускаются с обводными линиями. Открытием байпасных задвижек на таких линиях давление с обеих сторон запорного диска выравнивается, в результате чего усилие открытия арматуры уменьшается. На трубопроводах с диаметром более 500 мм устанавливаются задвижки с электроприводом.

 

11.3 Павильоны и камеры тепловых сетей

Задвижки, сальниковые компенсаторы, дренажи и другая арматура подземных теплопроводов, требующая обслуживания, располагаются обычно в камерах. На магистральных линиях теплопроводов диаметром 500 мм и выше в камерах размещаются задвижки с электро- или гидроприводом, имеющие значительные наружные габариты. Для создания условий обслуживания теплопроводов с крупногабаритной арматурой камеры располагаются вне проезжей части, а над ними надстраиваются надземные сооружения ­– павильоны.

При отсутствии на теплопроводе задвижек с электро- или гидроприводом подземные камеры устраиваются без надземного павильона. Высота камеры в свету должна быть не меньше 1,8-2,0 м. Каждая камера должна иметь не меньше двух люков, которые обязательно должны быть открыты при нахождении в камере рабочего персонала. В днище камеры должны быть устроены приямки для сбора и спуска или откачки дренажных вод. Еще одним требованием является надежная гидроизоляционная защита камеры от грунтовых вод.