Раздел 3. Расчеты при проектировании и эксплуатации сетей

Раздел 3. Расчеты при проектировании и эксплуатации сетей

Тепловой расчет тепловых сетей

Основные расчетные зависимости

В задачу теплового расчета входит решение следующих вопросов: определение тепловых потерь теплопровода; расчет температурного поля вокруг теплопровода, т.е определение температур изоляции, воздуха в канале, стен канала, грунта; расчет падения температуры теплоносителя вдоль теплопровода; выбор толщины тепловой изоляции теплопровода.

Количество теплоты от одного погонного метра теплопровода, проходящей в единицу времени через цепь последовательно соединенных термических сопротивлений, вычисляется, в соответствии с общими представлениями о передаче теплоты через ограждающую стенку, по формуле

q=(τ-t₀)/∑ ni =1 Ri,(3.1)

где q- удельные тепловые потери теплопровода, Вт/м; τ- температура теплоносителя, ⁰С; t₀ - температура окружающей среды, ⁰С; ∑ ni =1 Ri - суммарное термическое сопротивление цепи теплоноситель – окружающая среда (термическое сопротивление изоляции теплопровода), м•K/Вт.

При тепловом расчете тепловых сетей как правило приходится определять тепловые потоки через слои и поверхности цилиндрической формы. Удельные тепловые потери и термические сопротивления относятся обычно к единице длины теплопровода.

В теплоизолированном трубопроводе, окруженном наружным воздухом, теплота должна пройти минимум через четыре последовательно соединенных сопротивления: (внутреннюю поверхность рабочей трубы, стенку трубы, слой изоляции и наружную поверхность изоляции). Так как суммарное сопротивление равно арифметической сумме последовательно соединенных сопротивлений, то

R=R_в+R_тр+R_и+R_н,(3.2)

где R_в,R_тр,R_и,R_н - термические сопротивления внутренней поверхности рабочей трубы, стенки трубы, слоя изоляции и наружной поверхности изоляции, м*К/Вт.

В тепловом расчете встречается два вида термических сопротивлений:

• сопротивление поверхности (в рассмотренном примере R_в,R_н);
• сопротивление слоя (в рассмотренном примере R_тр,R_и)

В изолированных теплопроводах основное значение имеет термическое сопротивление слоя тепловой изоляции.

Термическое сопротивление слоя

Выражение для термического сопротивления однородного цилиндрического слоя легко выводится из уравнения Фурье, которое имеет вид R =12∗ π ∗ λ ∗ln d 2 d 1, (3.10)

где λ - коэффициент теплопроводности слоя; где d₁,d₂ и - внутренний и наружный диаметры слоя.

Для теплового расчета существенное значение имеют только массивные слои с большим термическим сопротивлением. Такими слоями являются тепловая изоляция, стенка канала, массив грунта и т.п. По этим соображениям при тепловом расчете изолированных теплопроводов обычно не учитывается термическое сопротивление относительно тонкой металлической стенки рабочей трубы и ее температура принимается равной температуре теплоносителя.

Многотрубный теплопровод

Если несколько трубопроводов проложены в общем канале, то тепловой поток (тепловые потери) от каждого из них поступают в канал, а затем общий тепловой поток отводится через стенки канала и грунт в окружающую среду. Задача теплового расчета многотрубного теплопровода в канале сводится в первую очередь к нахождению температуры воздуха в канале. Зная температуру воздуха в канале, можно определить теплопотерю каждого трубопровода по общим правилам теплового расчета трубопроводов, окруженных воздухом.

Температура воздуха в канале определяется по уравнению теплового баланса. При установившемся тепловом состоянии количество теплоты, подводимой от трубопроводов к воздушной прослойке канала, равно количеству теплоты, отводимой от воздушной прослойки через стенки канала и массив грунта в окружающую среду.

Предположим, что в подземном канале проложено трубопроводов, термическое сопротивление изоляционной конструкции (слоя и наружной поверхности изоляции) каждого из теплопроводов соответственно равны R 1, R 2,…, Rn, а температуры теплоносителя в каждом из трубопроводов τ 1, τ 2,…, τn.

Суммарное термическое сопротивление внутренней поверхности канала, стенок канала и грунта R к−0= R п.к+ R к+ R гр.

Температура грунта на глубине заложения оси теплопровода равно t₀. Уравнение теплового баланса для такой много трубной системы будет иметь следующий вид

(τ1−tк) / R1+(τ2−tк)/R2+…+(τn−tк)/Rn=(tк−t0)/Rк−0, (3.28)

откуда температура воздуха в канале многотрубного теплопровода t _к=(τ 1/ R 1+ τ 2/ R 2+…+ τn/Rn + t 0/ R _к−0) / (1/ R 1+1/ R 2+…+1/ Rn +1/ R _к−0), (3.29)

Зная температуру воздуха в канале, легко найти теплопотери каждого трубопровода.

Расчет теплопотерь моноготрубного бесканального теплопровода может быть проведен по методу, разработанному Е.П. Шубиным.

Взаимное влияние соседних труб учитывается условным дополнительным термическим сопротивлением. При двухтрубном теплопроводе условное дополнительное сопротивление (рис. 3.3)

где h - глубина заложение оси теплопровода от поверхности земли; b - расстояние по горизонтали между осями труб.

Потери двухтрубного бесканального теплопровода рассчитываются по следующим формулам:

теплопотери первого трубопровода

теплопотери второго трубопровода

где τ 1 и τ 2 - температуры теплоносителя в первой и во второй трубах; t 0- естественная температура грунта на глубине оси теплопровода; R 1- суммарное термическое сопротивление изоляции первой трубы и грунта

R 1= R и1+ R гр

; R 2 - суммарное термическое сопротивление изоляции второй трубы и грунта

R 2= R и2+ R гр

Температурное поле в грунте вокруг однотрубного бесканального теплопровода рассчитывается по формуле

где t - температура любой точки грунта, удаленной на расстояние x от вертикальной плоскости, проходящей через ось теплопровода, и на расстоянии C от поверхности грунта, 0С (см. рис. 3.1); \tau −температуратеплоносителя,{}^{0}С;R$- суммарное термическое сопротивление тепловой изоляции и грунта.

Температурное поле в грунте вокруг двухтрубного бесканального теплопровода вычисляется по формуле

где t - температура любой точки грунта, удаленной на расстояние x от вертикальной плоскости, проходящей через ось трубы с более высокой температурой теплоносителя (в двухтрубных водяных сетях – через ось подающей трубы), и на расстоянии y от поверхности грунта, ⁰С (см. рис. 6.3).

Рис.3.3. Схема двухтрубного бесканального трубопровода

Расчет температурного поля в грунте вокруг теплопровода в канале с воздушным зазором может проводится по (3.32). В этом случае под τ следует понимать температуру воздуха в канале, а под R - суммарное термическое сопротивление внутренней поверхности, стенок канала и грунта.

Однотрубный теплопровод

При бесканальной прокладке термическое сопротивление теплопровода представляет собой сумму двух слагаемых – сопротивления слоя изоляции и сопротивления грунта (см. рис. 3.1).

R = R и+ R гр, (3.24)

При наличии воздушной прослойки между изолированным трубопроводом и стенкой канала термическое сопротивление теплопровода определяется как сумма последовательно соединенных сопротивлений (см. рис. 3.2)

R = R и+ R н+ R п.к+ R к+ R гр

, (3.25)

где R и, R н, R п.к, R к, R гр - сопротивление соответственно слоя изоляции, наружной поверхности изоляции, внутренней поверхности канала, стенок канала и грунта.

Рис.3.2. Схема однотрубного теплопровода в канале

Температура воздуха в канале однотрубного теплопровода определяется из уравнения теплового баланса разрешенного относительно - температуры воздуха в канале

τ − t к R и+ R н= t к− t 0 R п.к+ R к+ R гр, (3.26)

откуда t к= τR и+ R н+ t о R п.к+ R к+ R гр1 R и+ R н+1 R п.к+ R к+ R гр, (3.27)

Изменение температуры теплоносителя вызывает тем меньшее изменение температуры воздуха в канале, чем больше термическое сопротивление изоляционной конструкции и чем меньше термическое сопротивление канала и грунта.

Гидравлические расчеты

Гидравлический расчет трубопроводов является необходимым этапом проектирования системы теплоснабжения предприятия или населенного пункта.

Для проведения гидравлических расчетов трубопроводов, транспортирующих любой энергоноситель, должны быть предварительно определены и заданы:

• схема трубопроводной системы с указанием материалов, из которых они изготовлены; состояние их внутренней поверхности (эквивалентная шероховатость);
• предельные значения давлений и температур энергоносителя, которые они могут выдержать без разрушения;
• местоположение энергетического источника и каждого потребителя;
• геометрические длины каждого участка трубопроводов, а также количество и типы установленных на участке местных сопротивлений;
• расчетные (максимальные) потребности каждого потребителя в транспортируемом энергоносителе;
• требующиеся каждому потребителю параметры теплоносителей;
• табличные или графические материалы для определения зависимостей физических свойств теплоносителя (плотность, вязкость и др.) от изменения его параметров при движении по трубопроводу.

В задачу гидравлических расчетов входят:

• определение диаметров всех участков трубопровода, обеспечивающих доставку каждому потребителю необходимое ему расчетное количество теплоносителя (энергоносителя);
• определение потерь давления энергоносителя при прохождении через соответствующий участок трубопроводной системы.
• определение величины давления энергоносителя в каждом сечении рассчитываемого трубопровода.

Падение давления Δр_у, Па, или напора Δh_у = Δр_у/ρg, м, энергоносителя при движении через участок трубопровода, транспортирующего энергоноситель в виде сжимаемой (пар) или несжимаемой (вода) жидкости вызывается затратой энергии на преодоление сил трения между слоями жидкости и стенками трубопровода (так называемое линейное падение давления Δр_у.л. или напора Δh_у.л.) и затратой энергии на вихреобразование при прохождении потоком элементов трубопроводного участка, вызывающих изменение его направления и скорости (так называемое падение давления Δр_у.м.или напора Δh_у.м.в местных сопротивлениях, размещенных на участке трубы). Величины полных потерь давления и напора на участке получают суммированием

Δр_у = Δр_у.л + Δр_у.м или Δh_у = Δh_у.л + Δh_у.м.

Линейное падение давления –

Δр_у.л = R_л×l_у, Па,

а напора –

Δh_у.л = i l_у, м,

где l_у – длина участка трубопровода, м; R_л – удельное падение давления на одном метре длины участка, Па/м; i – гидравлический уклон, т.е. потеря напора на одном метре длины трубопровода (величина безразмерная).

Удельное линейное падение давления R_л, Па/м, так же, как и гидравлический уклон i, определяются по уравнению Дарси – Вейсбаха:

 

Rл=λθ^2ρ/(2dн)=0,8106λG^2/(ρd^5/sup>);

(3.76)

 

i=λθ^2/(2gdв)=0,8126λG^2/(ρ^2/sup>dв^5/sup>);

(3.77)

где λ– коэффициент гидравлического трения; θ – усредненная по сечению трубы скорость энергоносителя, м/с; ρ– плотность энергоносителя, кг/м³; d_в – внутренний диаметр трубопровода, м; G – массовый расход энергоносителя, кг/с; g – ускорение свободного падения, м/с².

Из (3.76) и (3.77) следуют формулы для вычисления внутреннего диаметра труб

 

dв=0,960λ^0,2G^0,4/(ρRл^0,2);

(3.78)

 

dв=0,764λ^0,2G^0,4/(ρ^0,4i^0,2);

(3.79)

а также зависимости для вычисления массового расхода G, кг/с:

 

G=1,1107ρ^0,5Rл^0,5dв^2,5/λ;

(3.80)

 

G=3,4795ρi^0,5dв^2,5/λ^0,5;

(3.81)

Величина коэффициента гидравлического трения l зависит от режима течения потока (характеризуемого значением числа Рейнольдса – Re) и от состояния внутренней поверхности стенки трубы (которое характеризуется отношением величины выступов эквивалентной шероховатости стенки D к внутреннему диаметру трубы). Данные о значениях эквивалентных абсолютных шероховатостях D труб, изготовленных из различных материалов, приведены в табл.3.8. Для вычисления l в гидравлических расчетах трубопроводов тепловых сетей целесообразно использовать формулы, приведенные в табл.3.9.

Потери давления или напора при прохождении потока через местное сопротивление, размещенное на трубопроводе, определяются по выражениям

 

Δpм=ζθ^2ρ/2=0,8106ζG^2/(ρdв^4);

(3.82)

 

Δhм=ζθ^2/2g=0,826ζG^2/(ρ^2dв^4);

(3.83)

где ζ – коэффициент местного сопротивления.

Иногда величину падения давления или напора в местном сопротивлении заменяют равновеликими их падениями при движении на прямом участке трубы. Длина такого участка называется эквивалентной длиной местного сопротивления – l_э, м, и вычисляется по формуле l_э = ζd_в/λ. Сумма эквивалентных длин всех местных сопротивлений, размещенных на i-м участке, Σl_эi=Σζd_в/λ, а доля местных потерь на участке i – a_i=Σl_эi/l_i.

Общие потери давления (Па) или напора (м) на i-м участке:

 

Δpуi=Rл(lуi+Σlэi);

(3.84)

 

Δhуi=iл(lуi+Σlэi);

(3.85)

Табл.3.12Рекомендуемые значения коэффициентов местного сопротивления для деталей трубопроводов и установленных на них арматуры и других элементов приведены в табл.3.12.

 

Таблица 3.12 Значения коэффициентов местных сопротивлений

элементов тепловых сетей [6, 12]

Характеристика местного сопротивления	Значение	Характеристика местного сопротивления	Значение
Отводы Гнутые гладкие под углом 90° при: Rгнdв = 1 Rгнdв = 3 Rгнdв = 4 Rгнdв > 4 Гнутые со складками по углом 90° при: Rгн /dв = 3 Rгн /dв = 4 Сварные под углом 90°: одношовные двухшовные трехшовные Сварные одношовные под углом: 60° 40° 30°	1,0 0,5 0,3 0,1¸0,2   0,8 0,5 0,85¸1,3 0,6 0,5   0,7 0,3 0,2	Тройники При разделении потоков: для прямого прохода для ответвления При слиянии потоков: для прямого прохода для встречных потоков Арматура: задвижки нормальные клапаны проходные клапаны с косым шпинделем обратные клапаны поворотные обратные клапаны подъемные водоотделитель грязевик компенсатор сальниковый компенсатор волнистый	1,0 1,5   1,2¸1,8 3,0   0,5* 4¸8   0,5¸2   1,3¸3   6,5¸7 8¸12 4¸10 0,2¸0,3 2,5

 

*Коэффициент сопротивления нормальной задвижки при ее частичном прикрытии определяется по выражению ζ={(1,17-n)/[(0,67-0,57n)n-1}², где n = доля открытия задвижки.

Открытая: n = 1, ζ= 0,5; закрытая: n = 0, ζ= ∞; открыта на 50%: n = 0,5, ζ= 6,2; открыта на 10%: n = 0,1. ζ= 270.

Приведенные выше зависимости и табличные данные применимы для гидравлического расчета трубопроводных систем с разнообразными энергоносителями. Ниже излагается методика гидравлического расчета на примере разветвленной двухтрубной закрытой водяной тепловой сети (рис. 3.17, а), состоящей из 4 потребителей и 7 участков тепловой сети в двухтрубном исполнении.

При проектировании тепловой сети диаметры подающей и обратной труб на каждом участке должны быть одинаковы и рассчитаны на пропуск к каждому i-му потребителю максимального расчетного расхода сетевой воды G_di, кг/с.

При качественном регулировании отпуска теплоты как в открытых, так и в закрытых системах теплоснабжения величина расхода G_di, кг/с:

Gdi=Go.p.i+Gв.р.i+KзGг.ср.i

(3.86)

где G_o.p.i– расчетный (максимальный) расход воды для системы отопления i-го потребителя:

Go.p.i=Qo.p.i/[C(τ1o.p-τ2o.p)];

(3.87)

G_в.р.i– расчетный расход воды для системы вентиляции i-го потребителя:

Gв.р.i=Qв.р.i/[C(τ1o.p-τ2d.p)]

(3.88)

G_г.ср.i– средний расход воды на горячее водоснабжение у i-го потребителя:

• в открытых системах теплоснабжения

Gг.ср.i=Qг.ср.i/[C(tг-tх)];

(3.89)

• в закрытых системах теплоснабжения при параллельной схеме присоединения водоподогревателей

Gг.ср.i=Qг.ср.i/[C(τ^'1-τ^'2г)];

(3.90)

• в закрытых системах теплоснабжения при двухступенчатой схеме присоединения водоподогревателей

 

Gг.ср.i=Qг.ср.i/[C(τ^'1-τ^'2г)]((55-tпр)/(55-tх)+0,2);

(3.91)

Значение коэффициента k_з, учитывающего ту долю среднего расхода воды на горячее водоснабжение, которая проходит через участок тепловой сети, в расчете его диаметра трубы данного участка следует принимать:

а) при качественном регулировании отпуска теплоты по отопительной нагрузке:

• в открытых системах с тепловым потоком до 100 МВт – k_з = 0,8, а при тепловом потоке в 100 и более МВт – k_з = 1,0
• в закрытых системах с тепловым потоком до 100 МВт – k_з = 1,2, а при тепловом потоке в 100 и более МВт – k_з = 1,0;

б) при качественном регулировании отпуска теплоты по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения – k_з = 0.

Расчетное количество пара, необходимое i-му потребителю для обеспечения технологической нагрузки Q_т.р.i, кВт:

Gт.р.i=Qт.р.i/[x(hm-cts)+(1-x)(hm-ctх)];

(3.92)

где х – доля возвращаемого конденсата.

Значения величин τ_1ор,τ_2ор,τ_2вр,τ^'₁,τ^'_2г, t_г, t_х, t_пр, t_s приведены в разд. 2.

Используя рис.3.17, определяют количество и расположение всех потребителей, длины всех участков, типы и количества местных сопротивлений каждого участка сети.

По выражениям (3.86)¸(3.91) определяют расчетные расходы ко всем потребителям G_d1, G_d2, G_d3, G_d4. Используя табл.3.8, принимают значение эквивалентной шероховатости стальных труб D_э = 0,0005 м.

Так как по сети движется несжимаемая жидкость (сетевая вода), значение температуры которой при движении воды по длине трубы фактически не меняется, а определение диаметров тепловой сети проводят при режиме, когда температура сетевой воды τ₁^'°С, то принимают для всех участков значение плотности воды ρ = 975 кг/м³, а значение ее кинематической вязкости ν = 0,416×10^-8 м²/с.

Учитывая, что скорость движения воды в трубах лежит в пределах 0,5¸3,5 м/с, а диаметры применяемых в тепловых сетях труб лежат в пределах 0,1¸1,4 м, то проведение несложных расчетов показывает, что в тепловых сетях при расчетных режимах на любом участке Re > 568d_в/Δ_э.

Поэтому формулы (3.76)¸(3.81) преобразуются в более удобные для расчетов виды:

Rл=13,62*10^-6Gd^2/dв^5,25;

(3.93)

 

dв=0,117Gd^0,38/Rл^0,19;

(3.94)

 

Gd=269Rл^0,5dв^2,625;

(3.95)

Рис.3.17. Схемы разветвленной тепловой сети

а – водяная двухтрубная; б – паровая однотрубная; 1–4 – потребители теплоты; – клапан; – нормальная задвижка; – компенсатор; П – то же гибкий П-образный; I – сетевой насос; II – подпиточный насос; III – водоподогреватель; IV – регулятор подпитки; V – паровой котел

Расчет ответвлений

1. Из схемы на рис.3.17 очевидно, что общие потери давления на участке ответвления 2 совпадают с общими потерями на участке главной магистрали 1, который расположен после точек присоединения ответвления. Отсюда, так как R_л2=Δр₂/l₁(1+a₂), то задаются значением а₂ и подставив Δр_1д=Δр₂, определяют R_л2=Δр_1д/l₂(1+a₂) 2. По (3.94) определяют диаметр d_в2 и округляют его в сторону ближайшего большего диаметра d_в.2.ст.б. Далее расчет ведется по изложенной выше методике расчета участка главной магистрали с целью определения R_p2o, Δр_м2п, а₂, Δр_2д.

При расчете открытых двухтрубных водяных сетей в данную методику вносят некоторые изменения:

1)Диаметры и подающей и обратной трубы участка открытой двухтрубной водяной сети выбирают по единому расчетному расходу

G_di= √[(G_o.p.i+G_в.р.i)²+(G_o.p.i+G_в.р.i)G_г.ср.i_0,5G_г.ср.i]

и округляют до одинаковых стандартных значений d_в.сг.i. Однако в реальных условиях по ним протекают расходы, отличающиеся на величину G_г.ср.i. Поэтому, начиная с пункта 6 расчета главной магистрали, возникают отличия от расчета закрытой системы теплоснабжения.

2)Уточняют по (3.93) величины удельного линейного падения давления на участке 1 раздельно для подающей

R_л1дⁿ=13,62*10^-6(G_o.p.1+G_в.р.1+G_г.ср.1)²/d_в.ст1^5,25; Δp_л1ⁿ=R_л1дⁿ*l₁;

и обратной линий

R_л1д^o=13,62*10^-6(G_o.p.1+G_в.р.1+G_г.ср.1)²/d_в.ст1^5,25; Δp_л1^o=R_л1д^o*l₁.

3)Раздельно учитывают сумму коэффициентов местных сопротивлений для подающей трубы Σζ_n

и для обратной трубы Σζ_o, а также величины потерь давления в их местных сопротивлениях:

Δp_м.1.n=0,8106Σζ_n(G_o.p.1+G_в.р.1+G_г.ср.1)²/ρd_в.ст1⁴; a¹ⁿ=Δp_м.1.n/Δp_л1ⁿ;

Δp_м.1.o=0,8106Σζ_o(G_o.p.1+G_в.р.1+G_г.ср.1)²/ρd_в.ст1⁴; a^1o=Δp_м.1.o/Δp_л1^o.

4)Общие потери давления на участке считают суммарно по подающей и обратной трубам

ΣΔp_1д=[R_л1дⁿ(1+a¹ⁿ)+R_л1д^o(1+a^1o)]l₁; и так на всех остальных участках главной магистрали.

Расчет ответвлений в открытой системе теплоснабжения

1.Задаются величиной а₂ и вычисляют удельное линейное падение давления на ответвлениях R^л2=ΣΔp_1д/2]l₂(1+a²)]. 2.Определяют одинаковые диаметры подающей и обратной трубы d^в2 участка 2 по G^д2 и R^л2, используя (3.94), и округляют каждый из них в сторону ближайшего большего стандартного d^в2.ст. Естественно, что и d^в2.ст.n=d^в2.ст.o. 3.Так как реальные расходы через подающую и обратную трубы участка различаются, то вычисляют по (3.93) величины удельного падения давления на участке 2 раздельно для подающей и обратной трубы.

Далее расчет аналогичен пунктам 7 и 8 расчета главной магистрали.

При гидравлическом расчете разветвленных паропроводов кроме исходных данных, необходимых для расчета водяных тепловых сетей, должны быть заданы дополнительно параметры пара р_и, МПа, и t_и, °С, отходящего от источника теплоты, а также величины р_i и t_i, требующиеся каждому потребителю.

Методика гидравлического расчета паропроводов совпадает с вышеизложенной методикой гидравлического расчета подающего трубопровода закрытой системы теплоснабжения и отличается от нее лишь в следующих моментах:

4.Направление главной магистрали выбирается по направлению к тому потребителю, для которого требуется наименьшая величина удельного линейного падения давления. С этой целью по направлению к каждому потребителю вычисляют значение удельного линейного падения давления R^лi=10⁶(p_и-p_i)/Σl_и-i, Па/м; где Σl_и-i– сумма длин участков сети, через которые пар поступает к i-му потребителю от источника теплоты, м. На том направлении, где R^лi будет наименьшим из всех сравниваемых R^лi, ему присваивается обозначение R^л.эк. Например, на схеме паропровода рис.3.17 в качестве главной принята l_г.м=l₆+l₇+l₄. 5.Плотность пара при движении по паропроводу существенно меняется, и для каждого участка паропровода должно вычисляться значение средней плотности пара ρ_ср.i кг/м³. С этой целью для каждого участка главной магистрали предварительно вычисляется среднее по его длине давление пара p_ср.i. Применительно к схеме однотрубного паропровода, представленного на рис. 3.17,б, это производится следующим образом:

p_ср.6=p_и-(R_л.эк*0,5l₆)10^-6; p_ср.7=p_и-(R_л.эк*(l₆+0,5l₇)10^-6;

p_ср.4=p_и-(R_л.эк*(l₆+l₇+0,5l₄)10^-6.

Затем для этих же участков предварительно вычисляют среднее значение температуры пара на участке – t_ср.i,°С:

t_ср.6=t_ср.и-δt_m.n0,5l₆; t_ср.7=t_ср.и-δt_m.n(l₆+0,5l₇); t_ср.4=t_ср.и-δt_m.n(l₆+l₇+0,5l₄);

где δt_m.n– опытное значение падения температуры перегретого пара при движении по теплоизолированному паропроводу. Обычно δt_m.n= 0,02°С/м.

При движении насыщенного пара его температура t_{ср.i s} находится по давлению. По найденным значениям p_ср.i и t_ср.i определяют среднюю плотность пара ρ_ср.i, кг/м³.

6.По данным табл.3.8 принимают величину эквивалентной шероховатости паропроводов D=0,0002 м. 7.Внеся соответствующие коррективы по значениям D и ρ_ср.i в (3.93) – (3.95), гидравлический расчет паропровода проводят по методике расчета закрытых водяных тепловых сетей.

Изложенная методика гидравлического расчета позволяет определить диаметры всех участков водяных или паровых тепловых сетей и падение давления на каждом из них, но для водяных тепловых сетей не даст ответа на вопрос: какая истинная величина давления теплоносителя будет наблюдаться в каждом конкретном сечении подающей и обратной труб? Ответ может быть получен только после построения и анализа пьезометрического графика тепловой сети.

Пьезометрический график – это график, на котором в масштабе по оси абсцисс откладываются длины участков главной магистрали и ответвлений тепловой сети, а по оси ординат наносятся: рельеф местности, по которой проложена тепловая сеть, высоты зданий, присоединенных к тепловой сети, а также величины напора теплоносителя в каждом сечении подающего и обратного теплопровода.

Методика построения пьезометрического графика излагается применительно к схеме тепловой сети, представленной на рис.3.17,а, а сам график представлен на рис.3.18.

 

Рис.3.18. Пьезометрический график

Приняв за начало координат оси ординат (отметка 0) уровень размещения источника теплоснабжения, а оси абсцисс (отметка 0) точку выхода магистрали тепловой сети, откладывают по ней последовательно длины участков главной магистрали: l₆, l₅, l₁, а из точек соответствующих ответвлений – их длины l₂, l₇, l₃ и l₄. Проводят линию рельефа местности, по которой расположен каждый участок, и в конце каждого ответвления и главной магистрали высота рельефа обозначается соответственно: z₁, z₂, z₃, z₄, м. От отметок рельефа откладывают высоты зданий в метрах, обозначенные 1Н, 2Н, 3Н, 4Н, м.

Затем приступают к построению графика давлений.

Целесообразная область давлений в обратных трубах главной магистрали и ответвлений от них определяется из соображений:

• максимальный уровень давлений (напоров) теплоносителей, движущихся через обратные трубопроводы, не должен разрушать элементы присоединенных к ним систем потребителей. При зависимом присоединении отопительных систем самым слабым элементом являются отопительные приборы, которые выдерживают напор не выше 60 м водяного столба. Следовательно, максимальный напор в обратных трубах не может быть выше 60 м;
• минимальный уровень давлений в обратной магистрали при зависимой схеме присоединения систем отопления не может быть ниже геометрической высоты здания плюс 5 м водяного столба, чтобы обеспечить циркуляцию теплоносителя через отопительные приборы верхнего этажа.
• максимальный уровень давлений в подающих трубах ограничен прочностью трубопроводов использованного сортамента. На практике это составляет 160 или 250 м водяного столба;
• минимальный уровень давления (напора) теплоносителя в подающей трубе должен обеспечивать невскипание его при самой высокой температуре τ_1.o.p. Максимальное значение используемых температур τ_1.o.p= 150°С, поэтому напор в подающей трубе не должен быть ниже 55 м водяного столба.

С учетом выделенных областей выбирают значение напора в конце обратной трубы главной магистрали в точке О_max (ниже верхнего предела и выше нижнего). Из напора в точке О_min – h_о,max, вычитают Δp_1д/ρg=Δh_1д и находят напор в обратной трубе в точке a^'- h_a^'. Соединяя их прямой, получают графики напоров на участке l₁^'. Вычтя из напора в точке a^' величину Δh₅, находят напор в обратной трубе в точке в^'- h_в^' и, соединив а^' и b^', получают график напоров на участке l₅^'. Далее, вычитая из напора в точке b^' Δh_7д, получают напоры в точке с^', а прибавляя к напору в точке b^' Δh_7д, получают напор в точке d^'. Продолжая аналогично, получают полную картину графика напоров в обратных трубах.

В закрытой системе теплоснабжения график напоров в подающей линии является зеркальным отображением графика в обратной, но в области, пределы которой ограничивают 160¸55 м вод. ст.

Как видно из рис.3.18, из-за отличия рельефа местности и различий в собственной высоте зданий не всегда обслуживаемые здания можно присоединить к сети по стандартной схеме, а именно:

а). У потребителя 1 напор в обратной линии (точка О_max) обеспечивает циркуляцию воды через верхние этажи и одновременно не разрушает отопительные приборы. Тем не менее разница напоров h _{n min} и h_{о max} менее 10 м и не обеспечивает работу элеваторов. Поэтому присоединение потребителя 1 зависимое, но с насосом смешения.

б). У потребителя 2 верхняя отметка здания вместе с отметкой рельефа z₂ больше 60 м, поэтому при нарушении циркуляции в тепловой сети гидростатический напор от этого здания может разрушить приборы нижних этажей соседних зданий. Присоединение потребителя 2 по независимой схеме предотвратит возможное разрушение приборов.

в). У потребителя 3 высота здания и геодезической отметки z₃ менее 60 метров, но выше давления в обратной линии в точке присоединения. Для нормальной циркуляции через верхние этажи здания на обратном стояке устанавливают клапан подпора.

У потребителя 4 все обеспечено, и здание присоединяется по нормальной зависимой схеме с элеватором.

Из построения линий напоров в подающей и обратной магистрали тепловой сети легко определить напоры теплоносителя на входе в источник теплоснабжения – h_с^' и на выходе из него – h_с^', однако определенная часть напора – Δh_ист – необходима для преодоления сопротивлений водоподогревателей III и внутренних трубопроводов источника. Поэтому для циркуляции теплоносителя напор, развиваемый сетевым насосом, должен составлять

ΔH_с.н=h_сh_с^'+Δh_ист.

При плановой или аварийной остановке циркуляции сетевой воды уровень напоров во всех участках тепловой сети выровняется. Во избежание опорожнения отопительных систем (если он будет очень низким) или разрушения отопительных приборов (если он будет чересчур велик) на обводной линии сетевого насоса между установленными на ней клапанами к₁ и к₂, регулируя степень их открытия, создают необходимый уровень статического напора – h_ст. Заданная величина этого напора подводится к регулятору расхода IV, который будет обеспечивать необходимый уровень подпитки тепловой сети водой от подпиточного насоса II для поддержания h_ст постоянным. При прекращении работы сетевого насоса I этот постоянный статический напор установится и будет поддерживаться во всей сети.

Табл.3.13

 

Таблица 3.13.Допустимые напряжения для стальных трубопроводов, МПа [12]

 

Температура °С	Марки стали
===== Ст 2 =====	Ст 3			102С1	15ГС	16ГС
	- - - - - - - - -	- - - - - - - - -			- - - -		- - - -

В тепловых сетях, которые транспортируют теплоносители с высокими температурами, напряжения выше допустимых, и в них должна предусматриваться компенсация температурных удлинений. Используемые в тепловых сетях компенсаторы делятся на два вида:

• осевые компенсаторы, применяемые для компенсации удлинений прямолинейных участков трубопроводов;
• радиальные компенсаторы, используемые при любой конфигурации трубопроводов.

Для трубопроводов с диаметром от 100 мм и более, транспортирующих теплоносители с Р_у<2,5 МПа и t_р<300⁰ С, при их подземной канальной прокладке или наземной на низких опорах, наибольшее распространение получили стальные сальниковые компенсаторы (рис.3.19), присоединяемые к трубопроводу на сварке.

 

Рис.3.19. Односторонний сальниковый компенсатор:

1 – стакан; 2 – корпус; 3 – набивка; 4 – упорное кольцо; 5 - грундбукса

Использование сальниковых компенсаторов при воздушной прокладке на эстакадах и отдельно стоящих высоких опорах не рекомендуется.

При установке сальниковых компенсаторов участок трубопровода разрезается перпендикулярно оси на две части. Одна из частей приваривается к стакану 1, а вторая – к корпусу 2. Затем стакан вводится внутрь корпуса. Между стаканом и корпусом компенсатора располагается сальниковая набивка 3, которая зажимается между упорным кольцом 4 и грундбуксой 5. Регулируя затяжку болтов, связывающих грундбуксу с фланцем корпуса, добиваются такого уплотнения набивки, чтобы она не допускала утечки теплоносителя, но позволяла при термическом расширении корпусу и стакану смещаться относительно друг друга по оси трубы. Максимальная величина смещения Δl_ск=L_max-L_min представляет собой компенсирующую способность сальникового компенсатора.

При движении стакана относительно корпуса на поверхности набивки возникает горизонтальное усилие от трения стали по набивке, Н:

 

Fск = 4000×n×lc×dc×μс×π/Ac

(3.96)

или