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.
Здравствуйте! Основной целью гидравлического расчета на стадии проектирования является определение диаметров трубопроводов по заданным расходам теплоносителя и располагаемым перепадам давления в сети, или на отдельных участках теплосети. В процессе же эксплуатации сетей приходиться решать обратную задачу – определять расходы теплоносителя на участках сети или давления в отдельных точках при изменении гидравлических режимов. Без расчетов по гидравлике не построить пьезометрический график теплосети. Также этот расчет необходим для выбора схемы подключения внутренней системы теплоснабжения непосредственно у потребителя и выбора сетевых и подпиточных насосов.
Как известно, гидравлические потери в сети складываются из двух составляющих: из гидравлических линейных потерь на трение и потерь даления в местных сопротивлениях. Под местными сопротивлениями подразумеваются – задвижки, повороты, компенсаторы и т.п.
То есть ∆P = ∆Pл + ∆Pмест,
Линейные потери на трение определяют из формулы:
где λ – коэффициент гидравлического трения; l – длина трубопровода, м; d – диаметр трубопровода внутренний, м; ρ – плотность теплоносителя, кг/м³; w² — скорость движения теплоносителя, м/с.
В этой формуле коэффициент гидравлического трения определяем по формуле А.Д.Альтшуля:
где Re — число Рейнольдса, kэ/d — эквивалентная шероховатость трубы. Это справочные величины. Потери в местных сопротивлениях определяем по формуле:
где ξ – суммарный коэффициент местных сопротивлений. Его необходимо просчитать вручную используя таблицы со значениями коэффициентов местных сопротивлений. В прилагаемом к статье расчете в формате Exel я добавил таблицу с коэффициентами местных сопротивлений.
Для выполнения гидравлического расчета вам обязательно потребуется схема тепловой сети, вот примерно в таком виде:
На самом деле схема, конечно, должна быть более развернутой и подробной. Эту схемку я привел только в качестве примера. Из схемы теплосети нам нужны такие данные как: длина l трубопровода, расход G, и диаметр трубопровода d.
Как выполнять гидравлический расчет? Вся тепловая сеть, которую необходимо просчитать, делится на так называемые расчетные участки. Расчетный участок – это участок сети, на котором расход не изменяется. Сначала гидравлический расчет ведут по участкам в направлении главной магистрали, которая соединяет теплоисточник с наиболее удаленным потребителем тепла. Затем уже рассчитывают второстепенные направления и ответвления теплосети. Мой гидравлический расчет участка тепловой сети можно скачать здесь:
Это, конечно, расчет только одной ветки теплосети (гидравлический расчет теплосети большой протяженности достаточно трудоемкое дело), но достаточно для того, чтобы понять, что такое расчет гидравлики, и даже неподготовленному человеку начать считать гидравлику.
Буду рад комментариям к статье.
Трасса тепловой сети
На плане жилого района нанести трассу тепловой сети от источника теплоснабжения до каждого квартала. Рекомендуется применять радиальную схему тепловой сети. При трассировке следует стремиться к наименьшей протяженности сети и двухсторонней нагрузке магистралей. В каждый квартал следует предусматривать по одному вводу и только в отдельные крупные кварталы допускается по два ввода. Подключение противолежащих кварталов целесообразно осуществлять в одной точке.
В пределах городской застройки прокладку тепловых сетей по архитектурным условиям следует принять подземную канальную. По территории вне городской черты прокладку тепловой сети студент может выбрать по своему усмотрению подземную или надземную на низких опорах.
Задачей гидравлического расчета является определение диаметров труб и потерь давления в них.
Расчетный расход сетевой воды для определения диаметров труб в водяных тепловых сетях следует определять отдельно для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения с последующим суммированием этих расходов .
Расчетный расход сетевой воды, кг/ч, для определения диаметров труб в водяных тепловых сетях при качественном регулировании отпуска теплоты следует определять отдельно для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения по формулам:
а) на отопление
б) на вентиляцию
; (2.41)
в) на горячее водоснабжение в открытых системах теплоснабжения:
среднечасовой
; (2.42)
максимальный
; (2.43)
г) на горячее водоснабжение в закрытых системах теплоснабжения:
среднечасовой, при параллельной схеме присоединения водоподогревателей
; (2.44)
максимальный, при параллельной схеме присоединении водоподогревателей
; (2.45)
среднечасовой, при двухступенчатых схемах присоединения водоподогревателей
; (2.46)
максимальный, при двухступенчатых схемах присоединения водоподогревателей
; (2.47)
В формулах (2.40 - 2.47) расчетные тепловые потоки приведены в Вт,
теплоёмкость с принимается равной 4,198 кДж/(кг °С).
Суммарные расчетные расходы сетевой воды, кг/ч, в двухтрубных тепловых сетях в открытых и закрытых системах теплоснабжения при качественном регулировании отпуска теплоты следует определять по формуле
Коэффициент k 3, учитывающий долю среднечасового расхода воды на горячее водоснабжение при регулировании по нагрузке отопления, следует принимать по таблице 4. При регулировании по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения коэффициент k 3 принимается равным нулю.
Таблица 4 – Значения коэффициента k 3
Для проведения гидравлического расчета составляется расчетная схема сети, на которой показывается источник теплоснабжения, трасса тепловой сети и подсоединяемые к ней ЦТП или узловые камеры кварталов. Трассу разбивают на расчетные участки, указывая на каждом номер, длину и расход теплоносителя.
Рис.3. Расчётная схема тепловой сети (пример).
Расход сетевой воды по жилым кварталам распределяют пропорционально их тепловой нагрузке (или площади).
В целях сокращения однотипных расчетов разрешается выполнить гидравлический расчет магистрального направления (от источника до самого удаленного квартала) и одного ответвления трассы.
Для предварительного расчета удельные потери давления (R Λ) могут быть приняты для участков магистрального направления до 80 Па/м, для участков ответвления трассы до 300 Па/м.
Расчет начинают с головного участка, т.е. от источника до первого ответвления. По расчетному расходу теплоносителя на участке и предварительно принятым удельным потерям давления по номограмме для гидравлического расчета, согласно приложения 5 данного учебного пособия, а также по таблицам и номограммам находят диаметр трубопровода. По таблицам 3.4 и 3.7 «Трубы стальные» выбирают стандартный диаметр трубы близкий к предварительно полученному по номограмме. Для стандартной трубы уточняют удельные потери давления и скорость движения теплоносителя. Для рассматриваемого участка разрабатывают монтажную схему, на которой указывают трубопроводы, арматуру, неподвижные опоры, компенсаторы, углы поворота, переходы. Выделяют виды местных сопротивлений и подсчитывают эквивалентную длину участка . Расчеты сводят в таблицу 5.
Таблица 5 – Гидравлический расчет водяной тепловой сети
Трубопроводы тепловой сети на схеме показываются двумя параллельными линиями и обозначаются Т1 и Т2. Подающий трубопровод Т1 располагается обязательно справа по ходу теплоносителя от источника. Все точки ответвлений закрепляются неподвижными опорами и обозначаются УТ – узлы трубопроводные. На ответвлениях тепловой сети устанавливается запорная арматура – стальные задвижки, для обслуживания которых предусматриваются тепловые камеры [приложение 16 данного учебного пособия].
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
