НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТРАНСПОРТИРОВКИ ТЕПЛОТЫ
Цель работы - ознакомиться с режимными и конструктивными параметрами тепловой сети и методом расчета затрат энергии при транспортировке теплоносителя; провести расчет энергетических характеристик тепловой сети при изменении режимных (температур теплоносителя и окружающей среды) и конструктивных (длина и диаметр участка теплопровода) параметров; провести сравнительный анализ результатов расчета и дать рекомендации для выбора оптимальных режимных и конструктивных параметров, обеспечивающих минимальные потери теплоты и энергии на прокачку теплоносителя в тепловой сети.
Работа выполняется в течение 2-х академических часов.
Введение
К режимным параметрам тепловой сети относятся температуры теплоносителя и окружающей среды, расход или скорость теплоносителя. К конструктивным параметрам относятся протяженность участков теплопроводов, их диаметры, толщина тепловой изоляции и размеры каналов при канальной прокладке теплопроводов, а также уровень высоты подъема теплопровода. В данном исследовании переменными являются температуры окружающей среды tо.с. и теплоносителя t1ТЭЦ на выходе энергетической установки, длина L и проходной диаметр Dу наиболее удаленного участка теплопровода s09 с потребителем N08 (см. рис. 6).
Метод анализа
Удельные потери тепла в окружающую среду, как видно из формулы (4), зависят от температурного напора между энергоносителем t и окружающей средой tо.с. и теплотехнических свойств теплопроводов, выраженных через коэффициент тепловых потерь K. Количество теплоты Qi, теряемой энергоносителем в окружающую среду i-м участком теплопровода, можно также рассчитать по данным измерений согласно уравнения теплового баланса:
, (7)
где Gi - массовый расход энергоносителя;
ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении;
tN1,i, tN2,i - температура энергоносителя соответственно на входе и выходе i-го участка.
Распределение расхода энергоносителя по участкам рассчитывается методом итераций на основании законов Кирхгофа. При этом совместно рассчитываются потери давления на каждом участке. В свою очередь, потери давления в сочетании с расходами позволяют найти энергетические затраты на транспорт энергоносителя.
Потери давления (напора) на каждом участке могут включать три составляющие
, (8)
где 
РТ, РМ, Рh - потери давления соответственно за счет сопротивления трения, местных сопротивлений (сужений, расширений, поворотов) и перепада высот.
Для предварительного анализа потери напора на участке трубопровода можно приближенно рассчитать на основании теоретических зависимостей и стандартных опытных данных.
Потери давления за счет сопротивления трения в трубах
, (9)
где λ - коэффициент сопротивления трения;
L - длина участка теплопровода;
Dу - диаметр теплопровода;
ρ - плотность энергоносителя;
w - скорость энергоносителя.
Перепад давления в местном сопротивлении
(10)
где λМ - коэффициент местного сопротивления для типичных геометрий, определяется на основании эмпирических справочных данных [9, 10]. Потери давления за счет перепада высот
(11)
где h0 - нулевой уровень.
Энергоноситель может перемещаться по трубам при различных режимах течения в зависимости от числа Рейнольдса для потока Re=wDу/ν. Различают три режима гидродинамического течения: ламинарный (Re<2200), переходный (2200≤Re≤4000) и турбулентный (Re>4000). Коэффициент сопротивления трения для гидродинамически гладких труб:
(12)
В реальных теплопроводах дополнительно учитывается шероховатость труб на основании формулы Альтшуля. Тогда
(13)
где - эквивалентная абсолютная шероховатость, мм.
Для новых и чистых стальных сварных труб =0,05 мм, после нескольких лет эксплуатации - 0,2 мм, для сильно заржавевших или с большими отложениями - 3,0 мм.
На основании вычисленных интегральных потерь давления определяются затраты энергии, потребляемой приводом насоса, на прокачку энергоносителя:
(14)
где ηн - КПД привода, ρ - плотность энергоносителя, G - массовый расход энергоносителя.
Проведение расчета
Расчет проводится с использованием основных рабочих файлов исходных данных BER.CMD, EDGE.CMD и других вспомогательных файлов, содержащихся в каталоге. Расчетные варианты устанавливаются предварительно на каждом компьютере изменением мощности потребителя QN08 в файле CONS.CMD в соответствии с табл.3 работы №2.
Выполнение работы
1. Расчет проводится для одного типа надземного
теплопровода С4 (λi = 0,027 Вт/(м °С), δ = 0,003 м).
2. Для проведения вычислительного эксперимента загрузите
программу CONDORS. На рабочем столе монитора найдите значок с
имен программы, подведите к нему курсор и дважды нажмите левую
кнопку мыши. После появления главной формы нажмите
кнопку <Работа №3>. Исходные данные задаются в файлах EDGE.CMD и BER.CMD.
3. Первоначально проверяется соответствие исходных данных
конструктивным параметрам тепловой сети. Откройте файл Edge.cmd,
измените код теплопровода на С4. Пример структуры файла Edge.cmd с
описанием основных идентификаторов дан на рис.7 (работа №2).
Обратите внимание, чтобы длина участка LS09 и диаметр трубы DS09 соответствовали расчетному варианту. Дальнейшее
обращение к файлу EDGE.CMD с целью его редактирования будет
использоваться лишь в вариантах 11-20 табл.5. После редактирования
текущего варианта сохранить данные, нажав кнопку <Сохранить>.
4. Выберите из списка и откройте файл исходных данных
BER.CMD. Данный файл применяется для редактирования данных в
вариантах 1-11 табл.5. Проведите редактирование текущего варианта в
соответствии с табл.5, используя образец файла BER.CMD на рис.9.
Переменные t1ТЭЦ (TF) и t0 (TJ) выделены подчеркиванием. После
редактирования текущего варианта сохранить данные, нажав кнопку
<Сохранить>.
Таблица 5
Исходные данные и результаты расчета
| № п/п | t1ТЭЦ, оС | tо.с., оС | Q1ТЭЦ, МВт | Q, МВт | tN08, оС | η | LS09, м | DS09, м | ΔPS09, бар | GS09, | N, кВт |
| - | |||||||||||
| - | |||||||||||
| - | |||||||||||
| - | |||||||||||
| - | |||||||||||
| - | |||||||||||
| -24 | - | ||||||||||
| -16 | - | ||||||||||
| -8 | - | ||||||||||
| - | |||||||||||
Рис.9. Образец файла BER.CMD
5. Нажатием кнопки <Счет> провести расчет по программе
CONDORS с выполнением следующих операций:
5.1. При появлении запроса «Please type file name for output or...» введите имя файла результата расчета 1 и нажмите два раза подряд клавишу <Enter>.
5.2. После появления меню типа расчета выполните пункт «2. Consumpsion, temperatures,... (Потребление, температуры,...)». Для этого введите символ 2 и нажмите клавишу <Enter>.
5.3. Затем выполните пункт «6. Heatloss in pipe (Потери тепла в трубопроводах)». Для этого введите символ 6 и нажмите клавишу <Enter>.
5.4. Завершите расчет варианта выполнением пункта меню «1. Stop for output (Стоп для выхода)». Для этого введите символ 1 и нажмите клавишу <Enter>.
5.5. При появлении обратного оператора «FJU>» введите символ q и нажмите клавишу <Enter>.
5.6. После нажатия кнопки <Результат> в окне отображаются результаты расчета текущего варианта.
5.7. Для вариантов 11-20 дополнительно выполните пункт «5. Pressure loss, flow,... (Потери давления, расход,...)». Для этого введите символ 5 и нажмите клавишу <Enter>. После появления на экране таблицы с результатами расчета в соответствии с образцом на рис.10 выпишите параметры GS09 и ∆PS09 для участка s09, которые выделены подчеркиванием.
6. Для одного из вариантов ознакомьтесь с графическим представлением результатов. Нажмите кнопку <Графика>, затем, последовательно нажимая клавишу <Enter>, ознакомьтесь с изменением температуры энергоносителя и давления вдоль критического пути тепловой сети между энергетической установкой 1ТЭЦ и потребителем N08. Пример графического представления на экране монитора потерь давления и температуры энергоносителя вдоль критического пути дан на рис. 11.
7. Проведите расчет и обработку всех вариантов в соответствии с табл.5.
8. Проведите сравнительный анализ для каждой серии результатов расчета, дополнительно вычислив по формуле (6) КПД тепловой сети во всех вариантах, а для вариантов 11-20 дополнительно по формуле (14) затраты энергии на прокачку энергоносителя на участке s09. При вычислении мощности, потребляемой приводом насосов, принимается, что ρ=1000 кг/м3 и ηн=0,9. Постройте графические зависимости, показывающие изменение η=f1(t1ТЭЦ, tос) и N=f2(LS09,DS09). Покажите, в каких случаях и на сколько по сравнению с другими вариантами потери энергии при транспортировке теплоты будут минимальными. Дайте рекомендации по выбору режимных и конструктивных параметров теплопроводов.
Рис.10. Фрагмент таблиц результатов расчета, соответственно для пунктов меню 2 (Side 1), 5 (Side 2) и 6 (Side 3) программы CONDORS
Работа № 4
