Гидравлические характеристики водяных систем теплоснабжения.

Водяные системы теплоснабжения представляют собой сложные гидравлические системы, в которых работа отдельных элементов и частей находится во взаимной зависимости. Для правильного управления и регулирования необходимо знать гидравлические характеристики работающего оборудования: циркуляционных сетевых насосов и разветвлений тепловой сети.

Гидравлический режим работающей системы централизированного теплоснабжения задается суммарным расходом сетевой воды от источника G, кг/с или V, м³/с, распределением воды между абонентами G_i , V_i и располагаемым напором ∆Н_сн , создаваемом сетевыми насосами источника, который полностью расходуется на гидравлические потери в системе (источнике и сети): Н_ст = Н_и + Н_тс , где Н_тс – потери напора в сети, причем потери зависят от п одаваемого в сеть расхода. Гидравлический режим системы определяется точкой пересечения гидравлических характеристик насосов и сети, т.е. так называемой рабочей точкой их совместной работы: ∆Н_сн (V_р) = Н_ст (V_р) = ∆Н_р – располагаемый напор системы теплоснабжения в рабочей точке Р с параметрами . Гидравлическая характеристика насоса ∆Н_сн или перепада давления ∆р_сн от объемной подачи насоса V при постоянной (номинальной) частоте вращения n_н, об/с. Характеристики насосов даются заводами-изготовителями и определяются из испытаний. При постоянной частоте n = const участок характеристики насоса в рабочей области РО экономичной работы насоса приближенно описывается уравнением ∆Н_сн (V) = ∆Н_о - s_оV², где ∆Н_о – условный напор, создаваемый насосом при расходе V 0 м³/с; s_о , с²/м⁵, - условное внутренне сопротивление насоса. При постоянной частоте n = const мощность, потребляемая насосом равна: N (V) = N_н (х + (1 – х)), где N_н , – мощность и подача насоса при номинальном режиме, т.е. при максимальном КПД (т. Н); N_х – мощность, потребляемая при холостом ходе насоса при подаче V = 0; х = N_х / N_н – коэффициент холостого хода, для центробежных насосов х = 0,20,5. Мощность, потребляемая насосом в номинальном режиме, равна: = , Вт, где - перепад давлений при номинальном режиме; = 0,70,8 – КПД насосной установки; 975 кг/м³ – плотность сетевой воды; = 9,81 м/с². При изменении частоты вращения рабочего колеса центробежного насоса изменяется и его характеристика, причем имеется взаимосвязь: , где , N, V – напор, мощность и подача насоса при другой частоте n  n_н . Тепловые сети обычно работают в режиме турбулентного течения сетевой воды по трубопроводам, и потеря напора (давления) в них поэтому находится в квадратичной зависимости от расхода: Н_ст = s_нV² и р_ст = s_рV² , где s_н , с²/м⁵ – сопротивление сети (напор Н_ст при V = 1 м³/с); s_р = , Па*с²/м⁶ – сопротивление сети по давлению (падение давления р_ст при V = 1 м³/с). Так как G = , то р = , то s_р = , s_н = , где = 0,0894 , м^0,25, т.е. s_р = f(d, , , )  f(V).

Для какого-либо состояния работы сети ее характеристика Н_ст(V) может быть построена по одному известному режиму, т.е. паре значений , по которым находится значение коэффициента s_н или s_р. Но это справедливо только для данного состояния сети, т.е. определенного набора подключенных абонентов. При изменении температуры теплоносителя сопротивление сети изменяется пропорционально плотности, т.е. /s = , однако, обычно эту зависимость можно не учитывать. Значение s_н (d, , )  f( ,V) обычно используется при построении пьезометрических графиков нерасчетных режимов.

Пусть сопротивление системы теплоснабжения s_нс и характеристика системы = s_нсV², а характеристика насоса = s_оV² при номинальной частоте вращения ротора n_н = const. Рабочая точка находится из условия = – = , откуда получаем V_р = , ∆Н_р = = . При изменении частоты вращения на nn_н изменяется условный напор нулевой подачи насоса ∆Н_о = и характеристика насоса принимает другой вид ∆Н_сн = – s_оV² = ∆Н_сн(V). Рабочая точка переместится в другое положение и из условия ∆Н_сн( ) =  получаем:

= , = .

Современные частотно-регулируемые приводы позволяют изменять частоту вращения n. С увеличением сопротивления тепловой сети (системы) s_нс возрастает напор насоса ∆Н_р = ∆Н_сн и уменьшается подача V_р .

Часто на источнике совместно работают несколько насосов. Для определения режима их совместной работы на сеть необходимо построить их суммарную характеристику. При параллельном включении насосов суммарная характеристика строится путем сложения их расходов (подач) при одинаковом напоре, т.е. V_пар = V_пар(∆Н) = V₁(∆Н) + V₂(∆Н ) + … = ∑V_i(∆Н). Суммарная характеристика группы из m параллельно включенных насосов, имеющих одинаковые характеристики V_i(∆Н) = const, описывается приближенным уравнением ∆Н_пар = , где = , полученном из соотношений ∆Н_пар = = → = (V_i / V)² и V² = m² . Здесь - условное внутреннее сопротивление насосной группы.

При последовательном включении насосов их суммарная характеристика строится путем сложения их напоров при одинаковых расходах (подачах): ∆Н = ∆Н_пос(V) = ∆Н₁(V) + ∆Н₂(V) + … = ∑∆Н_i(V). Суммарная характеристика группы из m последовательно включенных насосов, имеющих одинаковые характеристики V_i (∆Н) описывается приближенным уравнением ∆Н_пос = m(Н_о – s_оV²).

Степень изменения (возрастания) подачи при параллельном включении насосов зависит от вида характеристики сети – чем она более полога, тем больший эффект дает параллельное включение насосов.

При проектировании насосных установок из нескольких параллельно работающих насосов, следует выбирать все насосы с одинаковыми характеристиками.

Суммарная характеристика сети может определяться как графическим, так и аналитическим методом. Графическое определение характеристики сети путем сложения характеристик участков сети выполняется также как и для насосов, т.е. при последовательном соединении участков складываются их напоры при одинаковом расходе, а при параллельном соединении участков складываются их расходы при одинаковом напоре. Однако характеристики участков складываются обычно аналитически из соотношения: Н_i = s_нi - потеря напора в i-ом участке с расходом V_i . При последовательном соединении участков складываются их потери напора Н = ∑Н_i и сопротивления s_н = ∑s_нi = s_н1 + s_н2 + …, а при параллельном соединении складываются проводимости участков а_нi = = , т.е. а_н = ∑ а_нi = а_н1 + а_н2 + … и затем

s_н = = … . Аналогично, при использовании потерь давления при параллельном соединении а_р = ∑а_рi = ∑ и s_р = , а при последовательном соединении s_р = ∑s_рi .