Расчет длинных паропроводов.

Давление пара в конце транзитного паропровода

(141)

Давление пара в конце паропровода-спутника

(142)

где Р₁ - давление в начале паропровода; T₁ - абсолютная температура в начале паропровода; К; Т_ср - средняя абсолютная температура пара в паропроводе, К;  - доля местных потерь; R_Л1 - удельное падение давления в начале паропровода; l - длина паропровода.

Если энергию потока, Дж отнести к единице силы Н, получим формулу для расчета потерь напора Н_л. для этого все члены уравнения разделим на удельный вес:  = g, Н/м³

Коэффициент трения зависит от режима жидкости, характера шероховатости внутренней поверхности трубы и высоты выступов поверхности.

Движение теплоносителя в водяных и паровых сетях характеризуется турбулентным режимом. При относительно небольших значениях числа Рейнольдса (10d/к_э  Re 2300), пристенный ламинарный слой закрывает выступы шероховатости и в результате создается режим гидравлически гладких труб. Такой режим создается почти при всех значениях относительной шероховатости d/к_э, за исключением очень больших. При этом тежиме в трубах с шероховатой внутренней поверхностью наблюдается турбулентное течение с сопротивлением, зависящим от вязкости жидкости. Этот режим описывается формулой Блазиуса:

(143)

С развитием турбулентности потока толщина ламинарного слоя меньше, высоты шероховатости начинают возвышаться над ним и оказывать сопротивление движению потока. При этом в потоке наблюдается как вязкое, так и инерциальное гидравлическое сопротивление. Последнее связано со срывом турбулентных вихрей с выступов шероховатости. Турбулентные вихри оказывают ускорению, возникающему вследствие перемещения их в зону больших скоростей к оси потока. Это переходной турбулентный режим.

Установившейся турбулентный режим характеризуется квадратичным законом сопротивления, когда сопротивление обусловлено наличием инерционных сил и не зависит от вязкости жидкости. Коэффициент трения для этого режима рассчитывается по формуле Шиффринсона:

 = 0,11(к_э/d)^0,25, (144)

где ReR_Eпр

к_э – абсолютная эквивалентная равномерно-зернистая шероховатость, создающая гидравлическое сопротивление, равное действительному сопротивлению трубопровода.

К_э/d – относительная шероховатость.

Предельное число Рейнольдса, разграничивающее переходной и установившееся турбулентные режимы равно:

(145)

При Re  Re_пр,  - кинематическая вязкость.

Предельная скорость движения пара среднего давления, соответствующая границе области квадратичного закона сопротивления определим при давлении Р = 1,28 МПа, при этом давлении t_нас = 190⁰С, кинематическая вязкость  = 2,4410^-6 м²/с; к_э = 0,0002 м,  = 6,8 м/с – работают в области квадратичного режима.

Для насыщенного пара низкого давления при Р = 0,17 МПа, t_нас = 115⁰С,  = 13,2710^-6 м²/с;  = 37,1 м/с. Эта скорость близка к максимальной в паропроводах, поэтому паропроводы низкого давления работают в основном в области гидравлических, гладких труб.

Для переходного и установившегося турбулентного режима при 2300Rе Rе_пр по формуле Альтмуля

Предельное число Рейнольдса .

 - коэффициент гидравлического трения зависит от шероховатости внутренней поверхности трубы.

Абсолютная шероховатость полностью на характеризует сопротивление, поэтому шероховатость труб определяют относительной шероховатостью, т.е. отношением величины выступов на внутренней поверхности к радиусу трубопроводов:

Однако, ни абсолютные, ни относительные не характеризуют внутреннюю поверхность трубы, поэтому на практике пользуются эквивалентом шероховатости, которая учитывает и характер движения жидкости (турбулентное, ламинарное).

Эквивалентная относительная шероховатость реального трубопровода – искусственная равномерная шероховатость стенки, коэффициент гидравлического трения такой же, как и в реальном трубопроводе. к_э = 0,5 – 0,2.

Обычно считают, что тепловые сети работают в квадратичной области (турбулентная область) и Re  Re_пр.

Для практических расчетов расчетные зависимости приводят к более удобному виду.

Для предварительных расчетов, когда характер и расположение местных сопротивлений не известно, среднюю долю местных сопротивлений определяют по формуле Шифринсона:

z – зависит от вида теплоносителя

пар z = 0,2 – 0,4;

вода z = 0,03 – 0,05.

Суммарное падение давления.

Р = Р_Л + Р_М = Р_Л(1 + Р_М/Р_Л) = Rl(1 + )

l_пр = l + l_э

При гидравлическом расчете обычно заданы вид и расход теплоносителя и суммарное падения давление на участке.

Требуется определить диаметр трубопровода, расчет состоит из двух этапов:

• предварительного;

• проверочного.

Порядок предварительно расчета.

1. Задаются или определяют по формуле долю местных сопротивлений .

2. Определяют удельное линейное падения давления R.

3. Определяют среднюю плотность теплоносителя на рассчитываемом участке.

- пар;

_ср = _н = _к – вода.

4.Определяют внутренний диаметр трубопроводы.

Порядок проверки расчета.

1. Округляют предварительно рассчитанный диаметр трубопровода до ближайшего оп ГОСТу в большую сторону.

2. Определение критерия Рейнольдса.

   1. Определение критического Re и сравнение его с предельным значением.

,

2. Определение скорости теплоносителя в трубопроводе и сравнение с предельным значением:

,

3. Устанавливают расчетную плотность в которой работает трубопровод. Это необходимо делать для участков с малыми нагрузками, когда  < 0,1 м/с _пара < 30 м/с; при расчете магистрального трубопровода можно считать, что они всегда работают в квадратичной области.

1. При расчете паропроводов сравнивают полученные значения _ср с предварительно принятым. При больших расхождениях _пр и _получ.^пара расчет ведут методом последовательных приближений.

Коэффициент гидравлического трения  зависит от характера движения жидкостей и если 2300<Re<Re_пр, то  определяется по формуле Альтмуля:

если Re > Re_пред, то  по формуле Шифринсона:

19 Гидравлический режим тепловых сетей.

Определяем давление в подающем и обратном трубопроводе, располагаемые напоры на вводах и тепловых пунктах давление сетевых и подмешивающих насосов, давление в источнике тепла.

К гидравлическому режиму системы предъявляют следующие требования:

1. Давление в обратной линии (воды) не должно превышать рабочего давления системы.

2. Во избежания подсосов воздуха в систему Р_обр > 50 кПа.

3. Давление воды на всасывающих патрубках насосов не должно превышать допустимого по условиям прочности конструкции насоса.

4. Давление в подающей линии должно обеспечивать невскипание воды при ее максимальной температуре в любой точке системы, но при этом давление не должно превышать допустимых пределов прочности системы и оборудования.

5. Перепад давления в тепловых пунктах должен быть не менее гидравлического сопротивления системы теплоснабжения.

6. Статическое давление в системе не должно превышать допустимое давление в тепловых сетях, оборудования и системе теплопотребления не должно обеспечивать заполнения их водой.

Система теплоснабжения может находится в динамическом и статическом состоянии.

Статический и динамический режимы системы.

Динамический режим системы.

Характер движения теплоносителя за счет разности давления его по пути.

При статическом режиме система находится в состоянии готовности к работе и под давлением, но без движения теплоносителей.

При проектировании, строительстве, эксплуатации систем теплоснабжения широко используют пьезометрические графики (графики движения), которые представляют собой графическое изображение напоров, в системе относительно местности по которой она проходит.

На графиках в масштабе наносят высоту присоединения здания и величину напоров в сети.

Пьезометрические графики строят для:

1. Проверки правильности расчета трубопровода.

2. Выявление необходимости строительства насосных станций.

3. Определение давления при различных режимах работы и различных этапах строительства системы.

4. Определение давления конденсатопровода для выбора насосов по перекачке конденсата.

5. Выявление располагаемых напоров в сети у потребителя при различных режимах.

6. Выявление максимальных и минимальных давлений в прямой и обратных линиях для выбора схем теплоснабжения и во избежания вскипания воды.

7. Определение местных образований вакуума, в которых возможен подсос воздуха каждому теплоносителю и и каждой системе тепловой сети соответствует свой особый пьезометрический график.

Для построения пьезометрических графиков должны быть: разработана тепловая карта района, составлен план, т.е. произведен гидравлический расчет.

20 ПЬЕЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ГРАФИК

При проектировании и эксплуатации тепловых сетей наряду с давлением широко пользуются также другой единицей гидравлического потенциала - напором. Напор пред­ставляет собой давление, выраженное в линейных единицах (обычно метрах) столба той жидкости, которая передается по трубопроводу

Напор и давление связаны следующей зависимостью

(146)

где Н - напор, м;

р - давление теплоносителя, кГ/м² или н/м²;

 - удельный вес теплоносителя,. кГ/м² или н/м²;

Аналогичной зависимостью связаны между собой падение давления и потеря напора в сети или располагаемый перепад давлений и располагаемый напор (разность напоров) в сети.

или

где: Н - потеря напора или располагаемый напор, р - падение давления или располагаемый перепад давлении, кГ/м² или н/м², h и R - удельная потеря напора (безразмерная величина) и удельное падение давления, кГ/м²м или н/м²м.

Полный напор отсчитывается от одного общего условного горизонтального уровня. Напор, отсчитанный не от условного, общего для всей сети горизонтального уровня, а от уровня прокладки оси трубопровода в данной точке, называется пьезометрическим напором или пьезометрической высотой.

При проектировании и эксплуатации разветвленных тепловых сетей, когда приходится учитывать взаимное влияние многочисленных факторов, определяющих гидравлический режим сети: геодезический профиль района, высотность абонентских зданий, потерю напора (давления) в тепловой сети и абонентских установках и т.д., широко используется пьезометрические график. На пьезометрическом графике в определенном масштабе нанесены рельеф местности, высоты присоединенных зданий, величина напора в сети. По пьезометрическому графику легко определить напор (давление) и располагаемый напор (перепад давлений) в любой точке сети и абонентской системы.

Пьезометрический график благодаря наглядности позволяет легко ориентироваться в гидравлическом режиме тепловых сетей и местных систем. Проектирование сети без учета пьезометрического графика, особенно в условиях сложного профиля, может привести к нерациональным схемам присоединения абонентов усложнению теплоподготовительной установки на ТЭЦ, неоправданному сооружению насосных подстанций и усложнению эксплуатации всей системы теплоснабжения в целом. На рис.52 приведен пьезометрический график двухтрубной водяной тепловой сети, под ним принципиальная схема этой сети. На горизонтальной оси графика нанесена длина сети, а на вертикальной оси - полные напоры и пьезометрические высоты.

Примем за плоскость отсчета уровень I - I, имеющий геодезическую отметку 0.

A₁ L₁ - пьезометрическая линия подающей магистрали;

A₂ L₂ - пьезометрическая линия обратной магистрали;

D₁E₁ и D₂E₂ - пьезометрические линии подающей и обратной линии ответвления DE;

Н¹¹ - пьезометрическая высота на нагнетательной стороне насоса;

Н⁶ - пьезометрическая высота на всасывающей стороне насоса;

Н^с - напор, развиваемый циркуляционным насосом на станции.

Рисунок 52 - Пьезометрический график двухтрубной водяной тепловой сети.

Напор в любой точке тепловой сети, например в точке К, определяется следующим образом: H_К1 - полный напор в подающей магистрали, а Н_К2 - полный напор в обратной магистрали. Если геодезическую высоту оси трубопровода в точке К обозначить через Z, то пьезометрический напор в подающей магистрали тепловой сети в точке К составит (Н₁ = Н_К1 - Z), а пьезометрический напор в обратной магистрали (Н₂ = Н_К2 - Z). Разность напоров подающей и обратной магистралей в точке К называемая располагаемым напором в точке К тепловой сети, равна:

Н_К = (Н_К1 - Z) - (Н_К2 - Z) = Н_К1 – Н_К2 = Н₁ – Н₂

Из выражения видно, что располагаемый напор двухтрубной тепловой сети равен разности пьезометрических напоров подающей и обратной линии.

Падение напора в подающей магистрали тепловой сети от станции до абонента L:

Н₁ = Н^В – Н_L1

Падение напора в обратной магистрали тепловой сети от абонента L до станции:

Н₂ = Н_L1 - Н^В

где Н_L1 и Н_L2 - полные напоры в подающей и обратной линиях тепловой сети в точке L.

Располагаемый напор в этой точке

Н_L = Н_L1 Н_L2

При гидравлическом расчете паровых сетей профиль паропровода можно не учитывать вследствие малого удельного веса пара. Падение давления на участке паропровода принимается равным разности давлений в концевых точках участка.

Правильное определение потери напора или падения давления в трубопроводах имеет первостепенное значение для выбора диаметров и установления гидравлического режима сети.

Для предупреждения ошибочных решений следует до проведения гидравлического расчета водяных сетей наметить возможный характер пьезометрического графика и, ориентируясь по нему, выбрать допустимые пределы потерь напора, не вызывающие усложнения схемы тепловой сети и абонентских вводов. На основании технико-экономического расчета следует лишь уточнить значение потерь напора, не выходя за пределы, намеченные по пьезометрическому графику. Такой порядок проектирования позволяет учесть технические и технико-экономические особенности проектируемого объекта.

Основные требования к режиму давлений водяных сетей из условия надежности работы системы теплоснабжения сводятся к следующему.

1. Не превышение допустимых давлений в присоединенных к сети абонентских системах.

В отопительных абонентских системах с чугунными приборами старого выпуска допустимое давление равно 5 ати, поэтому давление в обратной линии тепловой сети в точке присоединения этих систем не должно превышать 5 ати. С 1952 г. начался выпуск чугунных отопительных приборов на давление 6 ати (ГОСТ 6425-52), что позволяет соответственно повысить допустимое давление в новых отопительных системах.

2. Обеспечение избыточного (выше атмосферного) давления в тепловой сети и абонентских системах для предупреждения подсоса воздуха и связанного с этим нарушения циркуляции воды в местных системах и коррозии местных систем и тепловых сетей. Минимальная величина избыточного давления принимается обычно 0,5 ати,

3. Обеспечение требуемого давления во всасывающей камере сетевых насосов из условия предупреждения кавитации. Это давление должно быть не ниже 0,5 ати.

4. Обеспечение не вскипания воды в тепловой сети и в местных системах.

Так как во всех точках системы теплоснабжения должно поддерживаться всегда избыточное давление (выше атмосферного), то вскипание воды возможно только в подающей линии системы, где температура ее обычно значительно и длительно превышает 100° С.

Все эти требования должны выполняться как во время работы системы, т.е. при циркуляции воды, так и при прекращении циркуляции, т.е. в статическом состоянии системы.

При выборе положения пьезометрического графика подающей магистрали исходят из следующих условий:

1. Ни в одной из точек тепловой сети напор в подающей магистрали не должен быть ниже статического напора, т.е. пьезометрический график подающей магистрали не должен пересекать линию статического давления S - S. Это условие обеспечивает не вскипание воды в подающей линии.

2. Желательно чтобы располагаемый напор на вводе у абонентов, т.е. разность напоров подающей и обратной линии в точке присоединения абонента (например, величина Н у абонента D) был равен или несколько превышал потерю напора в абонентской системе, включая оборудование ввода. Если это условие не удовлетворяется, то в сети или на абонентских вводах приходится устанавливать насосные подстанции. Это усложняет эксплуатацию, хотя сооружение насосных подстанций в некоторых случаях окупается экономней электроэнергии на перекачку теплоносителя благодаря возможности снижения при этом располагаемого напора на сетевых насосах ТЭЦ.

Уклон пьезометрического графика подающей магистрали выбирается на основании технико-экономических расчетов. Пьезометрическим графиком подающей магистрали может, например, явиться линия PR, если ее уклон соответствует экономической удельной потере напора. Пьезометрический график дает наглядное представление о распределении давлений по сети, что весьма важно при выборе схемы присоединения абонентов.

Особенное значение это имеет для выбора схемы присоединения отопительных установок к тепловой сети, поскольку допустимое давление в этих установках может изменяться в сравнительно узких пределах.

Для предварительного построения пьезометрического графика может быть рекомендован следующий метод (рис.53).

1) Принимая за нуль отметку самой низкой точки района, строится профиль, тепловой сети.

2) На профиле вычерчиваются в масштабе высоты присоединяемых зданий.

3) Выбирается и наносится на график уровень S - S статического давления, исходя из условия обеспечения не вскипания в самой высокой точке района (в данном случае на отметке 20) и не превышения допустимого давления в местной системе в самой низкой точке района (в данном случае на отметке 0).

4) Намечается предельное, наиболее крутое положение пьезометрического графика обратной магистрали KL, исходя из удовлетворения следующих двух требований:

а) пьезометрический напор в обратной магистрали не должен превышать 50 м, что позволяет присоединить все отопительные системы непосредственно к тепловой сети, не прибегая к установке вводах водо-водяных подогревателей;

б) пьезометрический напор в обратной магистрали не должен быть ниже 5 м во избежание вакуума.

Такой линией в нашем случае является прямая KL.

Удельная потеря напора в обратной магистрали тепловой сети, задаваемая для гидравлического расчета, не должна превышать уклона линии KL.

На основании технико-экономических расчетов в качестве пьезометрической линии обратной магистрали может быть выбрана любая линия, уклон которой меньше уклона пьезометрической линии KL и положение которой удовлетворяет изложенным выше требованиям: такой линией может, например, явиться линия MN.

Рисунок 53 – Построение пьезометрического графика водяной сети.

План построения пьезометрических графиков.

Принимая за 0 отметку самую низкую точку тепловой сети наносят профиль местности по трассе основной магистрали и ответвлений.

1. На графике отмечают высоты присоединяемых зданий.

2. Наносят линию статического напора. Н_ст – полный напор развиваемый подпиточными насосами.

3. Откладывают в масштабах напор в источнике тепла.

4. Наносят линию напоров в обратной магистрали, а – а¹.

5. Уклон линии определяют на основании гидравлического расчета.

6. Линия графика обратной магистрали в точке пересечения напора у источника тепла, определяют необходимый напор водоподготовки, обеспечиваемый подпиточным насосом.

7. Наносят линию В – В¹ для прямой магистрали, точка В определяет требуемый напор на выходе из подогревательной установки.

Напор в любой точке определяется величиной отрезка, восстанавливаемого из данной точки и линией прямой или обратной.

Удельное падение давления для магистрали 80 – 100 Па/м. Для распределителя не более 300 Па/м; статический напор 50 – 60 м. скорость воды в трубопроводе не менее 0,444 м/с; не более 4,5 м/с.

На всех абонентских вводах должен быть обеспечен располагаемый напор Н_аб>15 м. (А1 Б¹ располагаемый напор источника тепла 100 м  10 м, коэффициент сопротивления  = 0,15 - 0,3 на коллекторах станции >95<110 м.

На рисунке 54а, показан график статических напоров системы. Теплофикация с тремя группами отапливаемых зданий А, В, С высотой по 35 м, расположенных на трёх разных геодезических уровнях: 0; 20; 40 м. При зависимой схеме присоединения всех отопительных установок к тёплой сети, полный статический напор в системе теплоснабжения определяется условием создания пьезометрического напора около 5 м в верхних точках отопительных установок С, расположенных на наиболее высоком геодезическом уровне, и составляет Н_СТ = 40 + 35 + 5 = 80 м.

Под этим полным статическим напором, показанным на рисунке 33а горизонтальной линией S – S, находятся все элементы теплоснабжения.

Пьезометрический статический напор в нижних точках отопительных установок, присоединенной к водной тепловой сети по зависимой схеме, составляет для зданий группы А: На = 80 – 0 =80 м; для зданий группы В: Нв = 80 – 20 = 60 м; для зданий группы С: Нс = 80 – 40 = 40 м. Пьезометрический статический напор для оборудования источника теплоснабжения ( водогрейных котлов, теплофикационных подогревателей, сетевых насосов и др.), установленного на отметке 0, также равен 80 м. В данном случае пьезометрический статический напор в нижних точках отопительных установок группы А превышает допустимое по условиям прочности отопительных чугунных радиаторов значение; равное 6 атм (60 м. Вод. Ст.).

Для сохранения в этих условиях общего статистического уровня для всей системы теплоснабжения возможно следующее:

1. Присоединение к тепловой сети по независимой схеме отопительных установок группы С. в этом случае полный статический напор в системе теплоснабжения должен быть выбран из условия создания минимального избыточного давления в верхних точках отопительных установок группы В (Н¹_СТ = 20 + 35 + 5 = 60 м.) на рис.54а этот напор изображается горизонтальной линией ММ. Статистический пьезометрический напор в нижних точках отопительных установок группы В (Н¹_В = 60 – 20 = 40 м.). Статистический пьезометрический напор в водо-водяных отопительных подогревателях зданий группы С, присоединённых к тепловой сети по независимой схеме, составит: со стороны греющей воды 60 – 40 = 20 м., а со стороны нагреваемой воды 35 м.

2. Присоединение к тепловой сети по независимой схеме отопительных установок группы А. В этом случае полный статический напор в системе теплоснабжения остаётся неизменным, Н_СТ = 80 м. Однако повышенный статический напор не будет передаваться на отопительные приборы установок группы А, поскольку они гидравлически изолированы от тепловой сети.

В водо-водяных подогревателях, установленных в узлах присоединения отопительных установок этих зданий к тепловой сети, пьезометрический статический напор со стороны греющей воды составит 80 – 0 = 80 м., что меньше допустимого значения (100м.).

3. Присоединение отопительных установок всех групп зданий с тепловой сети по зависимой схеме, но разделение системы теплоснабжения на две статические зоны: одна на уровне ММ для группы зданий А и В, другая на уровне S – S для группы зданий С. для этой цели необходимо сетей между участками В и С установить разделительное устройство, схема которого показана на рис.54б.

При прекращении циркуляции воды в сети закрывается обратный клапан S, установленный на подающий линии сети, а также регулятор давления 9, настроенный на пьезометрический напор Н_С, установленный на обратной линии тепловой сети. Таким образом при прекращении циркуляции зона С отделяется от остальной сети. Поддержание заданного статического напора в тепловой сети зоны С осуществляется подпиточным насосом В3 и регулятором подпитки В5. В подпиточный насос В3 поступает вода из тепловой сети нижней зоны. Поддержание заданного статического напора в тепловой сети нижней зоны осуществляется подпиточным насосом Н3 и регулятором подпитки Н5.

При гидродинамическом режиме системы теплоснабжения пьезометрические напоры в любой точке системы при любом расходе воды также должны удовлетворять выше указанным условиям.

При построении графика гидродинамических напоров на него наносят уровни допустимых максимальных и минимальных пьезометрических напоров для подающей и обратной линии системы. Действительные пьезометрические напоры при любом режиме работы системы теплоснабжения на должны выходить за эти предельные уровни.

Поскольку допустимые напоры являются пьезометрическими, то есть отсчитываются от оси трубопроводов, линии допустимых напоров для тепловой сети следуют за рельефом местности так как при построении графика напоров обычно условно принимают, что ось трубопроводов тепловых сетей совпадает с поверхностью земли. При построении линии допустимых напоров для оборудования, имеющего существенные вертикальные габариты, максимальный пьезометрический напор отсчитывают от нижней точки, а минимальный – от верхней точки этого оборудования.

Максимально допустимый гидравлический пьезометрический напор обычно определяют: для падающей линии системы – из условия механической прочности оборудования тепловой сети (трубы, арматура) и источника теплоснабжения (пароводяные подогреватели, водогрейные котлы); для обратной линии, при зависимой схеме присоединения абонентов – из условия механической прочности водо-водяных подогревателей. Минимально допустимый гидродинамический пьезометрический напор обычно определяют: для подающей линии – из условия защиты от вскипания воды; для обратной линии – из условия предупреждения вакуума (давление меньше 0,1 МПа) в системе, а также предупреждения кавитации на всасывающей стороне насосов.

Желательно, чтобы при зависимой схеме присоединения линия действительных полных гидродинамических напоров подающей линии не пересекала линию статических напоров. Тогда в узлах присоединения отопительных установок к тепловой сети не требуется сооружать повышающие насосные подстанции, что упрощает систему теплоснабжения и повышает надёжность её работы. Линия действительных полных гидродинамических напоров обратной магистрали тепловой сети, как правило, пересекает линию статических напоров. Однако это обстоятельство не усложняет сооружение и эксплуатацию системы, так как поддержание более высокого пьезометрического напора в абонентских установках по сравнению с напором в обратной линии тепловой сети при циркуляции воды в сети достигается путём включения на обратной линии в узле присоединения абонента регулятора давления.

Желательно, чтобы располагаемый напор, то есть разность гидродинамических напоров в подающей и обратной линиях сети на групповых или местных тепловых пунктах (подстанциях) ГТП или МТП, был равен или даже несколько превышал суммарную потерю напора в абонентских установках и в тепловой сети между абонентскими установками и ГТП или МТП. В противном случае приходится устанавливать на тепловых пунктах насосные установки, что усложняет эксплуатацию и снижает надёжность теплоснабжения.

На рис.55 показано построение графика гидродинамических напоров системы теплоснабжения, для которой выбор линии статических напоров ММ рассмотрен на рис.54

Где:1 - сетевой насос; 2 - предвключенный насос; НЗ - подпиточный насос нижней зоны; ВЗ - подпиточный насос верхней зоны; 4 - бак подпиточной воды; Н5 - регулятор подпитки нижней зоны; В5 -регулятор подпитки верхней зоны; 6 - теплофикационный подогреватель; 7 - пиковый водогрейный котел; 8 - обратный клапан; 9 - регулятор давления.

Расчетная температура воды в подающей линии тепловой сети задана и равна 150°С. Полный статический напор для этой системы принят 60 м. Отопительныё установки абонентов группы С, расположенные в высокой зоне, присоединяются к тепловой сети по независимой схеме.

Линия П_б показывает максимально допустимые напоры в подающей линии системы теплоснабжения от подающего коллектора на станции до абонентских вводов. Напор в точке П₁ на выходе воды из водогрейного котла 7 определяется из условия механической прочности пиковых котлов. Допустимое давление для водогрейных котлов 2,5 МПа. С учетом гидравлических потерь в котле максимально допустимый пьезометрический -напор на выходе из котла принят 220 м. Максимально допустимый напор (линия П_б) в подающем теплопроводе на участке П₂ – П₇ определен из условия, что допустимое давление в трубопроводах и арматуре подающей линии составляет 1,6 МПа, вследствие этого пьезометрический напор должен быть равен 160 м.

Линия П_М показывает минимально допустимые напоры в подающей линии системы. Минимально допустимый напор в точке П₁ определен при условии не вскипания в верхней точке водогрейного котла, находящейся на геодезической отметке 15 м при температуре воды 150 + 30 = 180°С, что определяет минимальный пьезометрический напор в этой точке котла в размере 92 м или полный напор по отношению к геодезической отметке 0 в размере 107 м.

Из условия не вскипания воды при ее температуре 150°С минимально допустимый пьезометрический напор в подающей линии тепловой сети на участке П₂ –П₇ должен составлять 40 м.

Действительная линия гидродинамических напоров подающей линии тепловой сети при любом режиме ее работы не должна выходить за пределы напоров, ограниченных линиями П_б и П_М. В данном случае действительный график гидродинамических напоров подающей линии системы показан линией П.

Линия О_б показывает максимально допустимые напоры в обратной линии системы теплоснабжения от абонентских вводов до входного коллектора теплофикационного пароводяного подогревателя 6 на станции. По условиям механической прочности отопительных чугунных радиаторов допустимые пьезометрические напоры в обратной линии тепловой сети на участке 01 – 05, на котором абонентские установки присоединены по зависимой схеме, составляют 60 м, а по условиям механической прочности водо-водяных подогревателей допустимые пьезометрические напоры на участке 06—07, где абонентские установки присоединены по независимой схеме, составляют 140 м.

Линия О_М показывает минимально допустимые пьезометрические напоры в обратной линии системы теплоснабжения при условии, что избыточное давление в трубопроводах тепловой сети и на всасывающей линии насосов достаточно для предупреждения подсоса воздуха и кавитации. Минимально, допустимый пьезометрический напор в обратной линии тепловой сети принят 5 м.

Поскольку действительный гидродинамический пьезометрический напор в подающем коллекторе на станции после пикового водогрейного котла принят 150 м то с учетом, гидравлических потерь в котле гидродинамический пьезометрический напор перед котлом должен составить 170 м., что значительно превышает допустимый пьезометрический напор для пароводяного подогревателя 6, равный 154 м.

Для обеспечения требуемого пьезометрического напора на подающем коллекторе ТЭЦ (без превышения допустимого давления в пароводяном подогревателе) в схеме теплоподготовительной установки станции предусмотрены два последовательно включенных сетевых насоса 1 и 2. Предвключенный насос 2 создает в системе напор, необходимый для компенсации гидравлических потерь в пароводяном подогревателе 6 и защиты от кавитация сетевого насоса 1, при расчетной температуре после пароводяного подогревателя. Сетевой насос 1 создает напор, необходимый для. компенсации гидравлических потерь в водогрейном котле, тепловой сети и абонентских установках.

График действительных гидродинамических напоров в обратной линии системы теплоснабжения при любом режиме работы не должен выходить за пределы линий О_б и О_М. В данном случае он изображен линией О.

Рисунок 54 – Линия статических напоров (а) и принципиальная схема системы теплоснабжения (б)

Где: 1 – сетевой насос; 2 – предвключённый насос; Н3 – подпиточный насос станции ( нижней зоны); В3 – подпиточный насос верхней зоны; 4 – бак подпиточной воды; Н5 – регулятор подпитка нижней зоны; В5 – регулятор подпитка нижней зоны; 6 – теплофикационный подогреватель; 7 – пиковый водогрейный котёл; 8 – обратный клапан; 9 – регулятор давления

Рисунок 55 – Построение графика гидродинамических напоров системы теплоснабжения: а – график гидродинамических напоров, б – принципиальная схема.

Рисунок 56 – схемы (а, б) и пьезометрический график двухтрубной водяной тепловой сети (в).

Рисунок 57 - Пьезометрический график для двухтрубной схемы тепловой сети.

Где:

1-1 – горизонтальная плотность отсчета напоров.

П1-П4 – график напоров падающей линии сети.

О1-О4 - график напоров обратной линии сети.

Н₀₁ – полный напор на обратном коллекторе источника теплоснабжения.

Н_Н – напор, развиваемым сетевым насосом 1.

Н_СТ – полный напор развиваемый подпиточным насосом.

Н_К – полный напор в т. К на нагнетательном патрубке сетевого насоса 1.

Н_Т – потеря напора сетевой воды в теплоподготовительной установке 3.

Н_П1 – полный напор на подающем коллекторе источника теплоснабжения Н_П1=Н_К-Н_Т.

Н₁ – располагаемый напор сетевой воды на коллекторе ТЭЦ Н₁=Н_П1-Н₀₁.

Напор в любой точке сети направлен в точку 3, обозначается следующим образом:

Н_П3 - полный напор в точке 3 подающей линии сети.

Н₀₃ - полный напор в точке 3 обратной линии сети.

Если геодезическая высота оси трубопровода над плоскостью отсчета в этой точке сети равна Z₃, пьезометрический напор в точке 3 подающей линии - Н_П3-Z₃,а пьезометрический напор в обратной линии – Н₀₃-Z₃.

Н₃ - располагаемый напор в точке 3 тепловой сети равен разности пьезометрических напоров подающей и обратной линии тепловой сети или разности полных напоров: Н₃=Н_П3-Н₀₃.

Н₄ - располагаемый напор в тепловой сети в узле присоединения абонента Д: Н₄=Н_П4-Н₀₄.

Н_П4 – полный напор в подающей линии ТС в точке 4.

Н₀₄ – полный напор в обратной линии ТС в точке 4.

- потеря напора в подающей линии тепловой сети на участке между коллектором источника теплоснабжения и абонентом Д: .

- потеря напора в обратной линии на этом участке тепловой сети:

.

При работе сетевого насоса 1 напор Н_СТ, развиваемый подпиточным насосом 2 дросселируется регулятором давления 4 до Н₀₁.

При остановки сетевого насоса 1 в тепловой сети устанавливается статическое давление Н_СТ, развиваемое подпиточным насосом.

При гидравлическом расчете паровых сетей профиль паропровода можно не учитывать вследствие малой плотности пара.

Падение давления на участке паропровода принимается равным разности давления в концевых точках участка.

График статических напоров системы теплоснабжения с тремя группами отапливаемых зданий А, В, С высотой до 35м, расположенных на трех разных геодезических уровнях 0;20;40м.

При зависимой схеме присоединения всех отопительных установок (то есть вода из тепловой сети непосредственно поступает на прибор) полный статический напор в системе теплоснабжения определяется условием создания пьезометрического напора около 5м в верхних точках отопительных установок С, расположенных на наиболее высоком геодезическом уровне, и составляет: Н_СТ = 40+35+5=80м.

Под этим статическим напором, показанным горизонтальной линией SS находятся все элементы теплоснабжения.

Пьезометрический статический напор в нижних точках относительных установок, присоединенных к водяной тепловой сети по зависимой схеме для зданий группы А:

Рисунок 58 - График статических напоров системы теплоснабжения с тремя группами отапливаемых зданий А, В, С

Н_А= 80 – 0 = 80м.

Для группы В Н_В= 80 – 20 = 60м.

Для группы С Н_С= 80 - 40 = 40м.

Пьезометрический статический напор для оборудования источника теплоснабжения (водогрейных котлов, сетевых подогревателей, сетевых насосов, установленных на отметке 0) также равен 80м.

В данном случае пьезометрический статический напор в нижних точках для группы А больше допустимого значения, по условиям прочности отопительных чугунных радиаторов значение равно 60м водяного столба.

Для сохранения общего статического уровня для всей системы тепловой сети минимальное избыточное давление в верхних точках отопительных установок группы В Н_СТ=20+35+5=60м.

Возможно следующее:

1. Присоединение к тепловой сети по независимой схеме отопительных установок группы С. В этом случае полный статический напор (линия ММ) выбран из условия создания линии избыточного давления в верхних точках отопительной группы В. Статический пьезометрический напор в водо-водяных отопительных подогревателях зданий группы С, присоединенных к тепловой сети по независимой схеме составит: со стороны греющей воды - 60-40=20м; со стороны нагревающей воды - 35м.

2. Присоединение к тепловой сети по независимой схеме отопительных установок группы А. В этом случае полный статический напор остается Н_СТ=80м. Однако, повышенный статический напор не будет передаваться на отопительные приборы установок группы А, поскольку они гидравлически изолированы от тепловой сети. В водо-водяных подогревателях, установленных в узлах присоединения отопительных установок этих зданий к тепловой сети пьезометрический статический напор со стороны греющей воды составит 80-0=80м, что меньше допустимого значения 100м.

3. Присоединение отопительных установок всех трех групп зданий по зависимой схеме, но разделение системы теплоснабжения на две статические группы: одна – уровне ММ (для групп А и В), другая – на уровне SS (для группы С). Для этого в сети между участками В и С установить разделительное устройство.

При прекращении циркуляции воды в сети закрывается обратный клапан 8, установленный на падающей линии сети, а также регулятор давления (на себя) 9, настроенный на пьезометрический напор Н_С, установленный по обратной линии тепловой сети. Таким образом, при прекращении циркуляции зона С отделяется от остальной сети.

Поддержание заданного статического напора в тепловой сети зоны С осуществляется подпиточным насосом В₃ и регулятором подпитки В₅. В подпиточный насос В3 поступает вода из тепловой сети нижней зоны.

Пьезометрический напор – это напор, отсчитываемый от оси трубопровода; линии допустимых напоров тепловой сети следуют за рельефом местности.

При построении линии допустимых напоров для оборудования максимальный пьезометрический напор отсчитывается от нижней точки, а минимальный – от верхней точки этого оборудования.

Для пиковых водогрейных котлов максимально допустимый напор отсчитывается от нижней точки котла, которую условно принимают совпадающей с поверхностью земли, а минимально допустимый напор – от верхнего коллектора котла, отметка которого по отношению к нижней точке котла обычно больше на 10-15м.

Располагаемый напор – разность гидравлических напоров в падающей и обратной линиях на групповых или местных тепловых пунктах (подстанциях) должен превышать суммарную потерю напора.

21 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РЕЖИМ СИСТЕМЫ СЕТЕЙ.

Гидравлический режим системы определяется точкой пересечения характеристик насоса и сети (рис.59). Характеристика тепловой сети представляет собой квадратичную параболу, описываемую уравнением

Р = SV² (147)

или

(148)

где Р – падение давления. Па; Н – потеря напора, м; V – расход воды в сети, м³/с;  – удельный вес воды, Н/м³; S – сопротивление сети, Пас²/м².

Рисунок 59 - Гидравлическая характеристика насоса (кривая 1) и тепловой сети (кривая 2).

Где: А₁- определенный гидравлический режим системы.

Н_Н- напор, создаваемый насосом.

V_С- объемный расход воды в системе при рассматриваемом режиме.

Характеристики насосов задаются заводами-изготовителями или могут быть получены на основании испытаний в лаборатории.

Характеристики насосов меняются при изменении частоты вращения.

V₁, H₁, N₁ – расход, напор, потребляемая мощность при вращении n₁.

V_2, H_2, N₂ – расход, напор, потребляемая мощность при вращении n₂.

_ну=_н_эл.дв.

в системе теплоснабжения может работать несколько насосов, когда необходимо построить суммарную характеристику, которая зависит от способа их включения.

Сопротивление сети S представляет собой падение давления. Па (кгс/м²), при расходе V = 1 м³/с:

, Пас²/м⁶ (149)

где l_э – эквивалентная длина местных сопротивлений, .м; A_s – постоянный коэффициент, зависящий от абсолютной эквивалентной шероховатости трубопровода:

(150)

где kэ – абсолютная эквивалентная шероховатость, м.

При А_s = 0,0002; 0,0005 и 0,001 м значения А_s соответственно равны 0,0106; 0,0133 и 0,0159 м^0,25.

Суммирование характеристик участков сети.

При последовательном соединении (рис.60) складываются сопротивления, при параллельном проводимости (рис61).

Рисунок 60 - Последовательное соединение участков,

Рисунок 61- Зависимость характеристик участков сети от схемы подключения насосов.

При параллельном включении насосов суммарные характеристики строятся сложением расходов при одних и тех же напорах. При последовательном включении суммарные характеристики строятся путем сложения напоров при одних и тех же расходах.

При проектировании насосных установках состоящих из нескольких параллельно работающих насосов необходимо все насосы выбирать с одинаковыми характеристиками. Так как падение давления в тепловой сети подчиняются квадратичному закону, то характеристика тепловой сети представляет собой уравнение квадратичной параболы.

, Па (151)

, м, (152)

Где: - сопротивление сети, выраженное через единицу давления, т.е. падения давления в сети при единичном расходе.

- сопротивление сети, выраженное через единицу номера, (при V=1).

,  = g – удельный вес.

Суммарное сопротивление равно арифметической сумме сопротивлений последовательно включенных участков.

S = S₁ + … + S_N

Если участки соединены параллельно, то удобнее пользоваться проводимостью.

(153)

Тогда суммарная проводимость равна арифметической сумме проводимостей параллельно включенных участков сети:

a = a₁ + … + a_N

Последовательное соединение участков (рис. 60):

S = S₁ + S₂ + S_a (154)

где S₁, S₂,S_a – сопротивления участков, соединенных последовательно.

Параллельное соединение участков (рис. 1.42):

а = а₁ + а₂ + а₃ (155)

где а₁, а₂, а₃ – проводимости трех участков, соединенных параллельно (рис.62).

Рисунок 62 - Параллельное соединение участков.

Связь между сопротивлением и проводимостью:

(156)

Распределение расхода тепла в системе.

Рисунок 63. - Схема двухтрубной закрытой водяной тепловой сети без авторегуляторов в узлах присоединения абонентов.

Относительный расход воды через любую абонентскую систему (рис.63)

(157)

где (рис. 63) S_an,…… S_mn – сопротивления тепловой сети, начиная от абонентов а, b, c,…..m до последнего абонента n включительно: S_a,…… S_m – сопротивления абонентских вводов, включающие ответвления к абоненту; S_A,…… S_M – сопротивления участков сети А, В, С, .... М;

S_An = S_A + S_an; S_Bn = S_B + S_bn;

S_Cn = S_C + S_cn; S_Mn = S_M + S_mn.

Относительный расход поды через абонентскую систему записит только от сопротивления сети и не зависит от абсолютного расхода воды в сети.

Отношение расходов воды через абонентские системы m и d, где m>d, зависит от сопротивления сети после участка D (по ходу тепла) и не зависит от сопротивления сети до абонента d:

(158)

где V_m и - расход воды через абонентскую систему т и его отношение к общему расходу.

Где: а – схема теплоснабжения; б – пьезометрический график; В – воздушный кран; К – водоразборный кран; О – отопительный прибор; ОК – обратный клапан; РТ – регулятор температуры; Э – элеватор; Д – дроссельные шайбы; Н_п – напор на подающем коллекторе ТЭЦ; Н₀ – напор на обратном коллекторе ТЭЦ; Н_с – располагаемый напор на коллекторах ТЭЦ; Н_па – напор на подающей линии перед элеватором; Н_оэ – напор на обратной линии перед элеватором; Н_э=Н_пэ-Н_оэ – располагаемый напор перед элеватором.

Если в тепловой сети работают насосные подстанции, то при расчете гидравлического режима частное от деления напора насоса на квадрат расхода воды учитывают как отрицательное сопротивление:

(159)

где Н_н и V_н – напор, развиваемый насосной подстанцией, и расход воды через нее;  – удельный вес воды.

Рисунок 64 - Схема открытой системы теплоснабжения без регуляторов расхода на абонентских вводах и пьезометрический график этой системы при выключенном водоразборе.

Суммарный расход воды в тепловой сети (рис. 63)

(160)

где Р – перепад давлении на коллекторах ТЭЦ; S_An – суммарное сопротивление тепловой сети, S_An = S_A + S_an.

В открытий системе теплоснабжения разность расходов воды в подающей и обратной линиях практически равны величине водоразбора. На рис.64 приведена схема открытой системы теплоснабжения без регуляторов расхода сетевой воды на абонентских вводах и пьезометрический график этой системы при включенном водоразборе.

Для возможности центрального регулирования отопительной нагрузки необходимо выполнить следующие условия при начальной регулировке сети:

1) полные напоры в подающей линии перед элеваторами должны быть одинаковы у всех абонентов;

2) полные напоры в обратной линии после отопительных установок должны быть одинаковы у всех абонентов.

Рисунок 65. Схема однокольцевои сети.

Водоразбор из подающей линии должен осуществляться перед элеватором, а водоразбор из обратной линии – непосредственно после отопительных установок; Если у всех абонентов поддерживается одинаковое отношение величины водоразбора к расчетному расходу воды на отопление, то получается одинаковая степень изменения расхода воды  на отопление у всех абонентов:

(161)

где . Значения ₁ и ₂ находятся по формулам (86) и (87);

– см. формулу (90).

Потокораспределение в кольцевых сетях (рис.65) рассчитывается по двум уравнениям Кирхгофа:

алгебраическая сумма расходов в любом узле равна нулю:

(162)

алгебраическая сумма напоров для любого замкнутого контура pasiia кулю:

(163)

где V – объемный расход воды, м³/с.

Тепловые сети крупных городов представляют собой сложные многокольцевые гидравлические системы с насосными подстанциями. Расчет гидравлических и тепловых режимов таких сетей весьма трудоемок, и поэтому для него применяются электроаналоговые установки и ЭЦВМ.

Гидравлическая устойчивость.

Гидравлическая устойчивость – способность системы поддерживать заданный гидравлический режим. Коэффициент гидравлической устойчивости У – отношение расчетного расхода сетевой воды в местной системе к максимально возможному расходу при разрегулировке сети. В абонентских установках с авторегуляторами расхода У = 1.

При отсутствии авторегуляторов расхода на абонентских установках

(164)

где Н_аб – располагаемый напор на абонентском вводе при расчетном расходе воды; Н_сети - потеря напора в тепловой сети при расчетном расходе воды.

Для повышения гидравлической устойчивости системы избытки напора, имеющиеся в сети, должны поглощаться при помощи постоянных сопротивлений (сопл элеваторов, шайб) или регулировочных вентилей н задвижек малого диаметра, установленных на абонентских вводах или у теплопотребляющих приборов абонентов. В сети следует максимально снижать потери давления, работая с полностью открытыми задвижками.

22 Теплофикационное оборудование ТЭЦ и тепловых пунктов.

1. Типы установок на ТЭЦ.

2. Подогреватели и их расчет.

3. Водоподготовка для тепловых сетей.

4. Защита установок горячего водоснабжения.

5. Типы установок тепловых пунктов.

6. Конденсатосборные установки.

7. Смесительные узлы.

8. Аккумуляторы горячей воды.

Задачей оборудования источника тепла является подготовка теплоносителя к транспорту по тепловым сетям и прием обработанного теплоносителя. Типы установок зависят от профиля источника тепла и системы теплоснабжения.

Типы установок.

Схема и оборудование тепловых подстанций (ТП) зависят от вида и параметров теплоносителя и назначения установки .

Примерные схемы ЦТП промпредприятия и городских кварталов при закрытой и открыток системах теплоснабжения приведены на рис.66,67.

Водо-водяные подогреватели.

Основные данные о секционных водо-водяных подогревателях (рис.68,69) приведена в табл. 11 и 12 и на рис.70.

Диаметры трубопроводов, оборудование тепловых сетей должны быть подобраны так, чтобы при переменах гидравлического режима во все тепловые пункты и по всем потребителям подавались бы расходы теплоносителя в соответствии с расчетом.

Методы обеспечения гидравлического режима зависят от того автоматизирована система или нет.

Если система автоматизирована, то распределение потоков сети зависит от ее конструкции, гидравлического сопротивления и условий питания. Наибольшее количество теплоносителя, пойдет по линии наименьшего гидравлического сопротивления.

Для изучения гидравлического режима систему тепловой сети целесообразно разбить на два участка:

1. Тепловые сети по которым движутся теплоносители;

2. Теплопотребители.

Каждый участок характеризуется своим гидравлическим сопротивлением.

Напор сетевого насоса расходуется на преодоление этих сопротивлений:

Н_НАС = Н_СЕТИ + Н_АБ

Рисунок 66 – Примерная схема компоновки ЦТП промышленного предприятия.

1 – подающий коллектор сетевой воды,2 – обратный коллектор сетевой воды, 3 – паровой коллектор, 4 – конденсатосборные баки, 5 – конденсатоперекачивающие насосы, 6 – предохранительные клапаны, 7 – измерительные диафрагмы, 8 – пароводяной инжектор, 9 – монтажное окно, 10 – дренажи в водосток, 11 – подвесные свободные опоры, 12 – мертвые опоры, 13 – скользящие свободные опоры, 14 – задвижки, 15 – ввод подающего трубопровода сетевой воды, 16 – ввод обратного трубопровода сетевой воды, 17 – ввод паропровода, 18, 23 – распределительные трубопроводы подающей линии, 19,24 – распределительные трубопроводы обратной линии, 20,21,22 – распределительные паропроводы, 25 – напорный конденсатопровод, 26 – самотечный конденсатопровод.

В зависимости от числа включенных в сеть абонентов расход воды в сети изменяется от максимума до минимума, следовательно и потери будут изменятся от максимальных (расчетных) до минимальных.

При предельном случае, когда все абоненты за исключением одного будут выключены, расход воды в сети практически равен 0.

Если принять, что насос развивает постоянный напор, то располагаемый напор у абонента будет изменятся:

от Н₁ = Н_С + Н_АБ

до Н₂ = Н_АБ

Это приведет к разрегулированию системы. Т.е. к изменению расхода воды у абонента. Чем меньше отношение Н_С/Н_АБ, тем меньше разрегулирование системы, т.е. тем больше она гидравлически устойчива. Потери напора в сети будут стремится к 0, в том случае, когда теплоноситель движется без сопротивления.

Это возможно при:

1. Очень больших диаметрах трубопровода, это приводит к большим затратам на строительство;

2. Увеличении напора сетевых насосов, сильно увеличивает расход энергии на перекачку.

Таким образом увеличение гидравлической устойчивости системы требует дополнительных энергозатрат.

Гидравлическая устойчивость системы оценивается коэффициентом гидравлической устойчивости: к = Н_АБ/Н_НАС=Н_АБ

Разрегулирование системы характеризуется максимальным изменением расхода воды у абонента:

(164)

Где: G_х – расход воды у абонента при разрегулировании системы.

G_р – расчетный расход воды.

Максимальное разрегулирование будет при предельном режиме, когда в систему подключен один потребитель. В этом случае потери напора в сети равны нулю, а

Н_нас=Н_аб., Н₀=0,

но так как расход воды у абонента эквивалентен ,то

. (166)

Если при всех гидравлических режимах гидравлическое разрегулирование отсутствует, то х =1, а это возможно лишь при к =1. Тогда для идеализированной абсолютной гидравлической устойчивости системы когда Н_с=0, к=1.

При изменение гидравлического режима во время эксплуатации в тепловых сетях возникает гидравлический удар.

Гидравлический удар - волновой процесс, возникающий в трубопроводе при движение капельной жидкости при быстром изменение ее скорости. В трубах этот процесс сопровождается мгновенным местным повышением и понижением давления, которое может значительно превысить допустимое.

В последнее время вероятность гидравлического удара возросла в связи с увеличением единичной тепловой мощности источника тепла ТЭЦ и районных котельных, тепловых сетей, установкой большого количества мощных насосов, регуляторов, приборов, задвижек и включение в систему тепловых сетей пиковых водогрейных котлов с огневым подогревом.

Опасность возникновения гидравлического удара возрастает при установки водогрейных котлов, т.к. прирезком изменении расхода проходящей воды через котел, температура ее может возрастать, вода закипит в сети последующей конденсации образовавшихся паровых пузырей в потоке и это приводит к гидравлическому удару.

Гидравлический удар может возникнуть при отказе какого-либо элемента (внезапная остановка насоса) или при быстром открытии регулирующего прибора, что приводит к резкому изменению скорости.

Волны гидравлического удара распространяются по системе со скоростью W звука в воде и могут повторятся, пока энергия удара не израсходуется на работу сил трения и деформацию трубопровода или не будет поглощена в специальных устройствах, ограничивающих гидравлический удар.

Скорость перемещения волны в трубопроводе:

,м/с (167)

Где: _в – плотность воды; d – диаметр трубы, S – толщина стенки трубы, d/S = 20..100 для современных труб, Е_в = 210⁹ Па – модуль упругости воды, Е_ст = 20010⁹ Па - модуль упругости стали.

Наиболее опасная первая волна, имеет максимальную амплитуду.

Волны гидравлического удара могут многократно повторятся, пока их энергия не израсходоваться на преодоление сил трения, деформацию трубопровода или не будет поглощена в следующих устройствах, ограничивающих распространение гидравлического удара.

Наибольшую амплитуду изменения давления при гидравлическом ударе имеет первая волна, которая и является наиболее опасной. Давления гидравлического удара может быть определено на основе закона импульса.

GW¹ = P_yF (количество движения = импульсу силы).

G – массовый расход воды, кг/с, G = f;

W¹ – суммарная скорость (W¹=W+a);

W – скорость воды до торможения, м/с;

 - плотность воды, кг/м³;

a – скорость звука в воде, м/с;

F – сечение трубопровода, м²;

Р_у – давление гидравлического удара, Па;

G(W+a)=P_удF

F(W+a)=P_удF

При водяных системах оборудование состоит из:

1. Пароводяных подогревателей.

2. Сетевых насосов.

3. Установки по подготовке подпиточной воды.

При паровых системах:

1. Системы баков и насосов для сбора и перекачки конденсата.

2. Паропреобразовательных установок.

3. В случае необходимости компрессорных установок для повышения давления пара из отборов турбин.

4. РОУ (редукционно-охладительная установка).

Для снижения температуры и давления пара, если он непосредственно используется для теплоснабжения. Оборудование источника тепла оснащают приборами авторегулирования и учета отпуска тепла.

Подогреватели бывают:

1. Пароводяные.

2. Водо-водяные.

3. Пленочного типа.

Рисунок 67 - Принципиальная схема ЦТП городского квартала при закрытой системе теплоснабжения.

1 – нижняя ступень подогревателя горячего водоснабжения; 2 – верхняя ступень подогревателя горячего водоснабжения; 3, 6, 7 – задвижки;

4 – регулятор температуры воды для горячего водоснабжения; 5 – регулятор расхода сетевой воды; 8 – циркуляционный насос горячего водоснабжения: 9 – элеватор (в большинстве случаев устанавливается непосредственно на вводах отапливаемых зданий).

Рисунок 68 - Принципиальная схема ЦТП городского квартала при открытой системе теплоснабжения.

1 – регулятор давления; 2 – грязевики; 3 – водомеры

.

Рисунок 68 – Общий вид секционного водо-водяного подогревателя для горячего водоснабжения.

Рисунок 69 – Общий вид секционного водо-водяного подогревателя для отопления.

Рисунок 70 – Потеря давления воды в секционных водо-водяных подогревателях.

Тепловой расчет подогревателей заключается в определении поверхности нагрева при заданной производительности или в определении производительности при заданных конструктивных размерах и начальных параметрах теплоносителя. Гидравлический расчет заключается в определении потерь напора первичного и вторичного теплоносителя.

Уравнение теплообмена:

Q = kFt, Вт (168)

, м² (169)

, ⁰С (170)

(171)

При заданном расходе и параметрах теплоносителя производительность равна:

Водо-водяной:

Q = G₁C₁(t₁ – t₂) = G₂C₂(t₁¹ – t₂¹) (172)

Где: t₁, t₂ - температура греющей воды;

t₁¹, t₂¹ - температура нагреваемой воды.

Пароводяной:

Q = D(i₁ – i₂) = G₂C₂(t₁¹ – t₂¹) (173)

Где: D – расход греющего пара;

 - КПД.

Пленочный - определяем коэффициент теплопередачи:

, Вт/м²К (174)

Где: F – видимая поверхность водяной пленки и пара, ее принимают удвоенной поверхностью вертикального цилиндрического аппарата;

t – средне логометрическая разность температур вода и пара.

Тепловая нагрузка теплообменного аппарата.

Q = W_П(₁ - ₂) = W_B(t₁ – t₂) = kFt = EW_M (148) (175)

Где: W_П = G_ПC_П, W_В = G_ВC_В – эквиваленты расхода первичного и вторичного теплоносителей, Вт/⁰С;

C_ПC_В – теплоемкости первичного и вторичного теплоносителей, Дж/кг⁰С;

G_ПG_В – массовый расход первичного и вторичного теплоносителей, кг/с;

₁, ₂ – температуры первичного теплоносителя на входе и выходе в теплообменном аппарате, ⁰С;

t₁, t₂ – температуры вторичного теплоносителя на входе и выходе в теплообменном аппарате, ⁰С;

k – коэффициент теплопередачи, Вт/м^{2 0}С;

F – площадь поверхности нагрева, м²;

t – температурный напор в теплообменном аппарате, ⁰С;

E – безразмерная удельная тепловая нагрузка;

W_M – меньший эквивалент расхода теплоносителя, Дж/с⁰С;

 = (₁ - ₂) - максимальная разность температур теплоносителя, ⁰С.

Относительная тепловая нагрузка:

(149) (176)

Относительная нагрузка системы отопления:

(150) (177)

Где: t_B – текущее значение температуры воздуха внутри отапливаемого помещения, ⁰С;

t_BP – расчетное значение температуры воздуха внутри отапливаемого помещения, ⁰С;

t_H – текущая температура наружного воздуха, для проектирования отопления, ⁰С;

t_HO – расчетная температура наружного воздуха, для проектирования отопления, ⁰С;

Q₀ – текущая нагрузка отопительных установок, Вт;

Q₀¹ – расчетная нагрузка отопительных установок, Вт;

W₀ – текущее значение эквивалентов расходов сетевой воды на отопление, Вт/⁰С;

W₀¹ – расчетное значение эквивалентов расходов сетевой воды на отопление, Вт/⁰С;

₀₁ – текущее значение температуры сетевой воды в падающем трубопроводе систем отопления, ⁰С;

₀₁¹ – расчетное значение температуры сетевой воды в падающем трубопроводе систем отопления, ⁰С;

₀₂ – текущее значение температуры сетевой воды в обратном трубопроводе систем отопления, ⁰С;

₀₂¹ – расчетное значение температуры сетевой воды в обратном трубопроводе систем отопления, ⁰С;

Безразмерная удельная тепловая нагрузка системы отопления:

(178)

(179)

Где: k₀ – коэффициент теплопередачи отопительного прибора при текущем режиме, Вт/м^{2 0}С;

k₀¹ - коэффициент теплопередачи отопительного прибора при расчетном режиме, Вт/м^{2 0}С

₀¹ = ₀₁¹ - ₀₂¹ – разность температур сетевой воды на отопительного вводе при расчетном режиме, ⁰С;

- температурный напор отопительного прибора на расчетном режиме, ⁰С;

₀₃¹ – температура воды в подающем стояке отопительной системы, при постоянном режиме, ⁰С.

,

Уравнение Е.С. Соколова для расчета эквивалента расхода воды и расхода воды на вентиляцию.

(180)

(181)

(182)

Где: - расход теплоты на вентиляцию при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования вентиляции, Вт.

Расчетные температуры для проектирования вентиляции отмечены двумя штрихами.

Упрощенная формула Соколова для определения Е для проточных водо-водяных подогревателей:

(183)

- параметр секционного водо-водяного подогревателя.

Уравнение для расчета производительности противоточных водо-водяных подогревателей, для , при , значения Е будут отличаться от полученной формуле (110).

Q = EW_П = EG_ПC_П

(184)

(185)

(186)

Уравнение характеристики отопительных установок Соколова:

(187)

Где: ¹ = ₀₃¹ ₀₂¹ – перепад температур воды в отопительной системе в расчетном режиме, ⁰С.

Температуры воды при качественном регулировании нагрузки воздушных систем отопления:

₀₁ = t_BP + (₀₁¹ – t_BP)Q₀ (188)

₀₂ = _BP + (₀₂¹ – t_BP)Q₀ (189)

Температуры воды при любом режиме регулирования нагрузки водяных систем отопления и зависимой схемы их присоединения.

₀₁ = t_BP + t₀¹Q₀^0,8 + (₀¹ – 0,5¹) (190)

₀₂ = t_BP + t₀¹Q₀^0,8 - 0,5¹ (191)

₀₃ = t_BP + t₀¹Q₀^0,8 + 0,5¹ (192)

Где: - отношение текущего и расчетного расходов сетевой воды на отопление или - эмпирическое уравнение Соколова.

При качественном регулировании отопления m = 1 и , при качественно-количественном регулировании m = 0,33 и .

Относительный расход сетевой воды при количественном регулировании отопительных систем:

₀₁ = ₀₁¹ = const

(193)

При водяной системе отопления n = 0,8 при воздушной n = 1.

Число часов ежесуточной работы отопительных установок при регулировании пропусками для t_H > t_НИ (t_НИ – температура наружного воздуха, соответствующая точке “излома” температурного графика).

(194)

доля расхода воды на горячее водоснабжение из падающего трубопровода при открытой системе теплоснабжения:

(195)

Где: W_ГП, W_Г – эквиваленты расхода воды на горячее водоснабжение из подающего трубопровода и общего при открытой системе теплоснабжения, Вт/⁰С.

t_Г – температура горячей воды в системе горячего водоснабжения, ⁰С.

Относительный расход воды на отопление при постоянном расходе воды в подающем трубопроводе открытой системе теплоснабжения, любом расходе теплоты на отопление Q₀ и балансовой нагрузке горячего водоснабжения, Q_Г^Б:

(196)

Где: t_Х – температура холодной воды, ⁰С;

- отношение балансовой нагрузки горячего водоснабжения к расчетной отопительной нагрузке.

При ₂ > t_Г в формуле (120) следует принять _Г = ₂.

Отношение расхода сетевой воды на отопление в открытой системе теплоснабжения при наличии водоразбора и при свободном располагаемом напоре на коллекторах станции:

(197)

(198)

(199)

(200)

Где: G₀, G₀¹ – расход воды на отопление при наличии водоразбора и при его отсутствии, кг/с;

W₀, W₀¹ – эквиваленты расхода воды при тех же условиях, Вт/⁰С;

- доля тепловой нагрузки горячего водоснабжения от тепловой расчетной нагрузки отопления.

- отношение располагаемого напора на коллекторах станции (при подержании на станции постоянного напора ² = 1).

G_Г – расход воды на горячее водоснабжение, кг/с;

S_П, S_Э, S₀, S – сопротивления подающей линии, элеваторного узла, обратной линии и суммарное.

Температуры воды в подающем и обратном трубопроводе определяются по формулам (13) и (14).

- коэффициент смешения элеватора.

Водоструйные элеваторы.

Данные о типовом стальном элеваторе конструкции ВТИ – Теплосеть Мосэнерго приведены на рис.71 и в табл. 14.

Размеры типовых водоструйных элеваторов подбираются по сопротивлению местной отопительной системы S и коэффициента смешения u.

Диаметр камеры смешения

, м (201)

где S – сопротивление местной отопительной системы. Пас²/м⁶.

Рисунок 71 - Элеватор конструкции ВТН – Теплосеть Мосэнерго.

1 – сопло: 2 – приемная камера: 3 – смесительная камера; 4 – диффузор.

Таблица 12- Основные данные о секционных водо-водяных подогревателях для горячего водоснабжения (Межведомственная нормаль МВН-2052-62).

Наименование	Обозначение подогревателя
	ВВПЛ-50	ВВПЛ-60	ВВПЛ-80	ВВПЛ-100	ВВПЛ-150	ВВПЛ-200	ВВПЛ-250	ВВПЛ-300
Наружный диаметр корпуса Dн, мм	57	70	89	114	168	219	273	325
Внутренний диаметр корпуса DВ, мм	50	63	82	106	156	207	259	309
Число трубок в секции n, шт.	4	7	12	19	37	69	109	151
Удельная поверхность нагрева fy, м2/м	0,193	0,34	0,58	0,92	1,78	3,33	5,25	7,28
Поверхность нагрева одной секции нормальной длины F, м2	0,77	1,36	2.3	3,7	7,1	13,3	21	29,1
Площадь живого сечения межтрубного пространства одной секции fМ, м2	0,00116	0,00173	0,00297	0,005	0,0122	0,0198	0,0308	0,0446
Отношение площади межтрубного пространства к площади трубок fM/fT	1,76	.1,5	1,5	1,58	2	1,75	1,72	1,78
Основные размеры по рис. 1.49, мм:
DH	45	57	70	89	133	168	219	273
DH1	45	57	70	89	114	168	219	219
L3	4409	4464	4503	4568	4722	4917	5075	5227
H	200	240	260	300	400	500	600	700
Вес одной секции с калачом, кг	43	54	77	100	201	327	492	680

Таблица 13- Основные данные о секционных водо-водяных подогревателях для отопления (Межведомственная нормаль МВН-2050-62)

Наименование	Обозначение подогревателей
	ВВПС-150	ВВПС-200 \ ВВ11С-250		ВВПС-300
1	2	3 4		5
Наружный диаметр корпуса Dн, мм	168	219	273	325
Внутренний диаметр корпуса DВ, мм	156	207	259	309
Число трубок в секции n, шт.	37	69	109	151
Удельная поверхность нагрева fy, м2/м	1,78	3:33	5,25	7,28
Поверхность нагрева одной секции нормальной длины F, м2	6,9	12,8	20,1	27,9
Площадь живого сечения межтрубного пространства одной секции fМ, м2	0,00592	0,0111	0,0174	0,0242
Площадь живого сечения межтрубного пространства одной секции fМ, м2	0,0122	0,0198	0,0308	0,0446
Отношение площади межтрубного пространства к площади трубок fM/fT	2,06	1,78	1,77	1,85
Основные размеры по рис. 1.50, мм:

Продолжение таблицы 13

1	2	3	4	5
DH	133	168	219	273
DH1	114	168	219	219
L3	4722	4917	5075	5227
H	400	500	600	700

Таблица 14 - Основные размеры водоструйных элеваторов конструкции ВТИ – Теплосеть Мосэнерго

Наименование	Номер элеватора
	I	II	III .	IV	V	VI	VII
Диаметр камеры смешения, мм	15	20	25	30	35	47	59
Строительная длина L, мм	425	425	625	625	625	720	720

Для предварительных расчетов при обычных значениях u = l3 можно пользоваться упрошенной формулой

, м (202)

По найденному значению d₃ выбирают ближайший типовой размер элеватора.

Диаметр сопла элеватора

, м (203)

Подбор размеров типовых элеваторов ВТИ – Теплосеть Мосэнерго производится по номограмме на рис.72.

Перепад давлений в рабочем сопле элеватора

, па (204)

где G_p – расход рабочей воды, кг/с; v_p – удельный объем воды, м³/кг; ₁ – коэффициент скорости рабочего сопла, обычно принимается равным 0,95: f₁ – сечение сопла, м².

Перепад давлений, создаваемый элеватором,

, Па (205)

где S – сопротивление местной отопительной системы, Пас²/м6; v_с – удельный объем воды в местной системе, м³/кг.

Рисунок 72 – Номограмма для выбора серийного элеватора конструкции ВТИ – Теплосеть Мосэнерго.

Где: S – сопротивление местной системы Пач²/м⁶, u – коэффициент смешения, d₁ – диаметр сопла, мм, d₃ – диаметр камеры смешения, мм.

Уравнение характеристики водоструйных элеваторов с цилиндрической камерой смешения

(206)

где ₁, ₂, ₃, ₄ – соответственно коэффициенты скорости рабочего сопла, камеры смешения, диффузора входного участка камеры смешения. При хорошем выполнении и тщательной сборке рекомендуется принимать ₁ = 0,95, ₂ = 0,975, ₃ = 0,95, ₄ = 0,9, чему соответствуют k₁ = ₁₂₃ =0,834, k₂ = ₂₃₄ =0,812, f₁, f₃ - сечения рабочего сопла и цилиндрической камеры смешения; f_н2 – сечение инжектируемого потока при входе в цилиндрическую камеру смешения, f_н2 = f₃ – f₁.

Для долговечности систем теплоснабжения большое значение имеет температура конденсата, которую целесообразно поддерживать 90-95⁰С, т.к., чем больше температура, тем меньше в ней растворимых агрессивных газов.

Для регуляторов температуры воды, идущей на отопление применяют смесительные устройства, которые бывают двух типов – струйные (эжекторы, элеваторы) и центробежные. Выбор типа смесителя зависит от расчетной потери напора в отопительной системе. При потере напора до 15 м – струйный смеситель, при большей – центробежный.

Смесительные устройства выполняют две функции:

1. служат смесителем воды, т.е. к прямой горячей воде подмешивает охлажденную обратную воду;

2. служат побудителем циркуляции воды в местной системе.

Схема закрытой конденсатосборной установки приведена на рис.73

Р исунок 73 - Схема закрытой конденсатосборной установки.

Где: 1 – закрытый конденсатосборник, 2 – пароводяной теплообменник, 3 – регулятор уровня конденсата, 4 – насос по перекачке конденсата, 5 – конденсатоотводчик, 6 – регулятор давления.

Насосы.

При теплоснабжении используют центробежные насосы с эл. приводом.

Основная характеристика насосов: напор и расход.

Насосы: питательные, сетевые, подкачивающие, подпиточные, конденсатные, рециркуляционные, смесительные, циркуляционные.

Питательные – устанавливают в котельных для подачи питательной воды в котел.

Сетевые – транспортируют воду к потребителям и обеспечивают необходимый напор на вводах. Подачу воды и напор сетевых насосов рассчитывают для максимального (зимнего) и минимального (летнего) режимом.

Подкачивающие – в случае когда сетевые насосы не обеспечивают у потребителей требуемых напоров, устанавливают на трассе в специальные насосные подкачивающие станции. Место установки и напор определяют по пьезометрическому графику.

Подпиточные – рассчитывают на подачу воды в тепловой сети в объеме 0,5% объема воды, находящейся в системе теплоснабжения и для обеспечения разбора воды в открытых системах. Напор определяется по пьезометрическому графику, исходя из условий невскипания воды. При закрытых системах предусматривают на менее двух, а при открытых – не менее трех, один из которых резервный.

Конденсатные – для перекачки конденсата, устанавливают как в котельных так и у абонентов.

Рециркуляционные – для повышения температуры воды на входе в котел, устанавливают у водогрейных котлов.

Смесительные (подмешивающие) – в узлах присоединения систем отопления (элеватор). Напор смесительных насосов принимают на 0,02 МПа больше сопротивления системы. Подачу воды определяют в зависимости от места их расположения.

Циркуляционные – применяют в системах горячего водоснабжения. Расход принимают 10 – 15% расчетного. Напор рассчитывают на сопротивление системы при циркуляционном режиме. Если избыточный напор на вводе превышает требуемый, то для его погашения устанавливают дроссельные диафрагмы. На подающей или обратной линиях.

, мм (207)

Г де: G – расход воды через диафрагму, т/ч;

Н – напор, который предполагают погасить, Па

Рисунок 74 - Струйный насос

Г

5

де: 1 - сопло, 2 – конфузор, 3 – смеситель, 4 – дифузор, 5 – трубопровод смешанной воды.

Схема струйного насоса показана на рис.74

Преимущества:

1. простота конструкции,

2. надежность в эксплуатации,

3. отсутствие движущихся частей,

4. отсутствие затрат электроэнергии.

Недостатки:

1. низкий КПД (0,25 –0,30).

2. Постоянство коэффициента инжекции,

3. Невозможность автономного циркулирования воды в местной системе, что приводит к быстрому остыванию и даже замерзанию в подъездах или лестничных клетках.

Этих недостатков лишены центробежные установки, при помощи которых можно осуществлять более точное регулирование тепловой нагрузки.

К оэффициент инжекции обычно задаются в системе теплоснабжения, определяют по температуре:

t_ПР = 130 ⁰С

t_ОБР = 70 ⁰С

t_СИС  95 ⁰С

Рисунок 75 - Принципиальная схема аккумуляторов горячей воды.

Где: А – аккумулятор, П – подогреватель, К кран, О – отопительный прибор, ОК – обратный клапан, Н – насос, РД – регулятор давления, РТ – регулятор температуры

Переменная теплоемкость нагревателя усложняет эксплуатацию тепловых сетей, удорожает оборудование тепловых пунктов, которые должны быть рассчитаны на максимальную нагрузку следовательно применяют различные методы выравнивания тепловой нагрузки путем аккумуляторов тепла (рис.75).

Используют естественную аккумуляцию. Способность самих зданий, трубопроводов, емких подогревателей, применяют и специальные аккумуляторы горячей воды. Обычно их устанавливают на вводах коммунальных предприятий и в крупных жилых зданиях для выравнивания суточного графика горячего водоснабжения.

Аккумулирующая способность аккумулятора:

Q_A = G_BC_B(t_Г – t_X), Дж (208)

Где: G_В – массовая емкость аккумулятора;

С_В – теплоемкость воды.

Работа: при отсутствии водоразбора холодная вода в систему не поступает. С помощью насоса вода циркулирует в системе, поступая в подогреватель и далее разделяется на два потока: по контуру через обратный клапан и сверху поступает в аккумулятор, вытесняя из него холодную воду, которая поступает в контур через насос, аккумулятор заряжается.

При частичном водоразборе часть холодной воды поступает из водоразборной сети, смешивается с водой из аккумулятора и из системы и через насос поступает в подогреватель.

П ри некоторой величине водоразборов зарядка аккумулятора прекращается, обратный клапан закрывается и при дальнейшим увеличении водоразбора аккумулятор начинает разряжаться, при этом холодная вода из водопроводной сети разделяется на два потока: один поступает через насос в подогреватель, а второй снизу в аккумулятор вытесняя из него горячую воду в систему, аккумулятор разряжается.

Конденсатоотводчики – устанавливают в конечных точках трубопроводов, по которым возвращается конденсат в случае предупреждения прорыва пара на паропроводах, когда в них образуется конденсат. Конденсатоотводчики бывают поплавковые (рис.76), термостатические (рис.78), термодинамические (рис.77).

Рисунок 76 - Схема поплавкового конденсатоотводчика (с закрытым поплавком).

Где: 1 - корпус, 2 – поплавок, 3 – клапан, 4 – стержень, 5 – направляющий стакан.

При давлении больше 10 МПа, производительность до 114 м³/час.

Рисунокт 77 - Схема термодинамического конденсатоотводчика.

Где: 1 – корпус, 2 – крышка, 3 – тарелка, 4 – седло.

При поступлении конденсата тарелка отжимается и конденсат отводится в бак, при поступлении пара скорость значительно увеличивается (в щели между тарелками и седлом). Р_СТАТ падает и тарелка прижимается к седлу. Кроме того тарелку прижимает пар, находящийся сверху, при понижении температуры, давление падает и тарелка поднимается конденсатом.

Термостатический конденсатоотводчик.

Стержень в холостом состоянии открывает клапан, при попадании пара стержень расширяется и закрывает клапан.

Рисунок 78 - Термостатический конденсатоотводчик.

Где: 1 – корпус, 2 – клапан, 3 – расширяющий стержень.

Грязевики – предназначены для осаждения взвешенных частиц, находящихся в воде. Перед элеватором и перед регулирующим устройством. Грязевики двух типов: горизонтальный и вертикальный.

Принцип их работы основан на резком уменьшении скорости воды до 0,03 м/с, в результате чего взвешенные частицы падают на дно(рис.79).

Д иаметр корпуса грязевика больше в 3 раза диаметра выходного патрубка. На выходе патрубка устанавливают объемный фильтр, живое сечение которого в 2 раза больше сечения выходного патрубка. В верхней части грязевика устанавливают воздушный кран, в нижней – кран для удаления отстоя.

Рисунок 79- Грязевик