Расчетные зависимости

Основные задачи

При проектировании тепловых сетей основная задача гидравлического расчета состоит в определении диаметров труб по заданным расходам теплоносителя и располагаемым перепадам давлений во всей сети или в отдельных ее участках.

В процессе эксплуатации тепловых сетей возникает необходимость решения обратных задач по определению расходов теплоносителя на участках сети или давлений в отдельных точках при изменении гидравлических режимов.

Таким образом, в задачу гидравлического расчета входит:

1) определение диаметров трубопроводов;

2) определение падения давления (напора);

3) установление величин 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.

Результаты гидравлического расчета дают исходный материал для решения следующих задач:

1) определение капиталовложений, расхода металла (труб) и основного объема работ по сооружению тепловой сети;

2) установление характеристик циркуляционных и подпиточных насосов, количества насосов и их размещения;

3) выяснение условий работы тепловой сети и абонентских систем и выбор схем присоединения абонентских установок к тепловой сети;

4) выбор авторегуляторов для тепловой сети и абонентских вводов;

5) разработка режимов эксплуатации.

Для проведения гидравлического расчета должны быть заданы схема и профиль тепловой сети, указаны размещение станции и потребителей и расчетные нагрузки.

Расчетные зависимости

Падение давления в трубопроводе может быть представлено как сумма двух слагаемых – линейного падения и падения в местных сопротивлениях:

, Па,

(6.1)

где D р _л – падение давления вследствие трения на прямолинейных участках трубопровода, Па;

D р _м – падение давления в арматуре (вентилях, задвижках, кранах и т. д.) и других элементах оборудования (коленах, шайбах, переходах и т. д.).

Формулы для гидравлического расчета трубопроводов водяных тепловых сетей [20] приводятся ниже.

Суммарные потери давления в трубопроводах на трение и в местных сопротивлениях

, Па,

(6.2)

где l _пр – приведенная длина трубопровода, м;

, м,

(6.3)

где l – длина участка трубопровода по плану, м.

Эквивалентная длина местных сопротивлений

, м,

(6.4)

где S – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

D_i – внутренний диаметр, м;

l – коэффициент гидравлического трения.

Удельные потери давления на трение

, Па/м,

(6.5)

где G_i – суммарный расчетный расход сетевой воды в двухтрубных тепловых сетях открытых и закрытых систем теплоснабжения, кг/ч;

r – средняя плотность теплоносителя на рассчитываемом участке, кг/м³.

Внутренний диаметр труб

, м.

(6.6)

Коэффициент гидравлического трения:

– для области квадратичного закона (при Re ³ Re_пр)

;

(6.7)

– для любых значений числа Рейнольдса (приближенно)

,

(6.8)

где k _э – коэффициент эквивалентной шероховатости, м.

Предельное число Рейнольдса, характеризующее границы переходной области и области квадратичного закона,

.

(6.9)

Предельная скорость, т. е. скорость потока, при которой (и выше) имеет место квадратичная зависимость падения давления от расхода,

, м/с.

(6.10)

6.5. Поверочный гидравлический расчет
двухтрубной водяной сети

Цель поверочного расчета – определение потерь давления на участках трубопроводов двухтрубной водяной сети и располагаемых напоров на тепловых вводах потребителей. Методика предназначена для действующей сети (известны диаметры трубопроводов и расходы теплоносителей по участкам).

Перед гидравлическим расчетом определяется суммарный расчетный расход сетевой воды (на основании результатов расчета тепловых нагрузок заданного района теплоснабжения), складывающийся из расчетных расходов на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение.

Если отсутствуют проектные данные по объектам теплопотребления, то для определения расхода сетевой воды для каждого объекта (и соответствующего присоединенного к нему участка тепловой сети) по укрупненным показателям рассчитывают тепловые нагрузки данного объекта, а затем из уравнения теплового баланса находится расход сетевой воды на этот объект.

Составляется расчетная схема тепловой сети с нанесением на ней длин и диаметров трубопроводов, местных сопротивлений и расчетных расходов теплоносителей по всем участкам сети (см. рис. 6.2).

Для заполнения таблицы исходных данных рассчитывается расход воды для участка, как сумма расходов воды для тепловых вводов, входящих в данный участок. Расчет производится, начиная от концевых участков (т. е. участков без предшественников). Далее рассчитывается расход для тех участков, которые являются предшествующими для концевых. Результирующим является расход последнего участка (ближайшего к источнику тепла) перечня в описании наружной сети. Поэтому для ускорения просчета в характеристике наружной сети рекомендуется сначала располагать конечные участки, потом те, которые входят в них. Последним в перечне должен быть участок, определяющий начало тепловой сети. Если участок не содержит тепловых вводов, тогда расход воды для этого участка определяется как сумма расходов воды предыдущих участков (см. рис. 6.2).

Ниже приводится последовательность гидравлического расчета двухтрубной тупиковой водяной сети.

Потери напора на i -м участке трубопровода определяются

, м вод. ст.,

(6.17)

где – поправочный коэффициент, применяемый при коэффициенте эквивалентной шероховатости отличном от К _э = 0,5 мм [24];

– длина трубопровода на i -м участке, м;

– удельные линейные потери напора на трение, мм/м:

, мм/м,

(6.18)

где внутренний диаметр трубопровода, м;

– коэффициент гидравлического трения.

Тепловые сети, как правило, работают при турбулентном режиме движения теплоносителя в квадратичной области, поэтому коэффициент гидравлического трения определяется по формуле (6.7).

Скорость теплоносителя находится из уравнения неразрывности

, м/с.

(6.19)

Потери напора в местных сопротивлениях

м вод. ст.

(6.20)

Расчетные потери напора от источника тепла определяются из потерь на двух трубопроводах (подающем и обратном) на каждом участке, учитывая структуру наружной тепловой сети.

Потери напора на участке (на двух трубопроводах) равны удвоенным потерям (для закрытых систем теплоснабжения)

, м вод. ст.

(6.21)

Потери напора от источника тепла на i -м участке определяются с учетом потерь напора на предшествующих участках

, м вод. ст.

(6.22)

Для расчета потерь напора системы Н _с необходимо просчитать сумму значений потерь на последовательности участков от источника до конечного участка (наиболее удаленного от источника тепла). Расчет начинается с наиболее удаленного от источника концевого участка. Дальше рассчитывается участок, предшествующий этому концевому, и т. д. до узловой точки, от которой начинается ответвление, и далее до источника. Затем берется концевой участок другого ответвления и проводится расчет сопротивления другой последовательности участков (концевой участок – источник) и т. д., пока не будут рассчитаны все возможные цепочки участков. Значение расчетных потерь напора от источника тепла до каждого концевого участка заносится в базу данных для соответствующего концевого участка.

Располагаемый напор в конце участка

м вод. ст.,

(6.23)

где – располагаемый напор в конце участка, м вод. ст.;

– располагаемый напор в начале участка, м вод. ст.;

– потери напора в двух трубопроводах в (подающем и обратном) на данном участке, м вод. ст.

Ниже построчно приводится структура файла.

1-я строка:

m [1,1] – количество участков тепловой сети.

2-я строка:

m [1,2] – плотность сетевой воды, кг/м³;

m [2,2] – вязкость сетевой воды, м²/c;

m [3,2] – располагаемый напор на начальном участке сети, м;

m [4–6,2] – температуры сетевой воды соответственно в подающей, обратной линиях и во внутренней системе теплопотребителя, °С.

3-я строка:

Задается исходная информация для 1-го участка.

m [1,3] – номер участка;

m [2,3] – количество предыдущих участков тепловой сети;

m [3,3] – массив номеров предыдущих участков (если предыдущие участки отсутствуют, то можно ограничиться одним элементом массива – m [3,3] = 0);

m [4,3] – внутренний диаметр трубопровода на участке, м;

m [5,3] – длина участка, м;

m [6,3] – коэффициент эквивалентной шероховатости, мм;

m [7,3] – сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке;

m [8,3] – расход сетевой воды на участке, т/ч;

m [9,3] – сопротивление внутренней системы теплопотребителя, м;

m [10,3] – задается тип присоединения потребителей к концевым участкам (0 – безэлеваторное присоединение, 1 – элеваторное).

4-я – 11-я строки содержат информацию о характеристиках участков №№ 2–7. Порядок их формирования аналогичен структуре 3-й строки.

Для определения поправочных коэффициентов на коэффициент эквивалентной шероховатости целесообразно организовать второй файл, содержащий массив табличных значений К _э (Stk[ i ], где i – 1, n), массив стандартных внутренних диаметров (Std[ i ], j – 1, m) и матрицу поправочных коэффициентов размером [ n×m ].