ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ

РАСЧЕТ ДИАМЕТРОВ ТРУБОПРОВОДОВ И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В НИХ

В результате гидравлического расчета тепловой сети определяют диаметры всех участков теплопроводов, оборудования и запорно-регули - рующей арматуры, а также потери давления теплоносителя на всех эле­ментах сети. По полученным значениям потерь давления рассчитывают напоры, которые должны развивать насосы системы. Диаметры труб и потери давления на трение (линейные потери) определяют по формуле Дарси

/ w2

А Рл = ^ — — р, (7.1)

Где Арл. — потери давления на трение (линейные), Па; X — коэффициент трения; I, d— длина и диаметр участка трубопровода, м, w— скорость потока, м/с; р — плотность теплоносителя, кг/м3.

Если энергию потока, Дж, отнести к единице силы, Н, получим фор­мулу для расчета потерь напора А Я, м. Для этого все члены уравнения (7.1) следует разделить на удельный вес "y = pg Н/м3:

/ ИУ2

А Я л = А, —— — . (7.2)

D 2 g

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

Движение теплоносителя в водяных и паровых сетях характеризует­ся турбулентным режимом. При относительно небольших значениях числа Рейнольдса (2300^Re^I0d/k3) пристенный ламинарный слой закрывает выступы шероховатости и в результате создается режим гид­равлически гладких труб. Такой режим создается (почти при всех значе­ниях относительной шероховатости k/d, за исключением очень больших. При этом режиме в трубах с шероховатой внутренней поверхностью на­блюдается турбулентное течение с сопротивлением, зависящим от вяз­кости жидкости. Этот режим хорошо описывается формулой Блазиуса:

Я = 0,3164/Re0,25. (7.3)

С развитием турбулентности потока толщина ламинарного слоя уменьшается, выступы шероховатости начинают возвышаться над ним и оказывать сопротивление движению потока. При этом в потоке наблю­дается как вязкостное, так и инерционное гидравлическое сопротивле­ние. Последнее связано со срывом турбулентных вихрей с выступов ше­роховатости. Турбулентные вихри оказывают инерционное сопротивле­ние ускорению, возникающему вследствие перемещения их в зону боль­ших скоростей к оси потока.

Рассмотренные режимы движения относятся к переходному турбу­лентному режиму. Установившийся турбулентный режим характеризу­ется квадратичным законом сопротивления, когда сопротивление обу­словлено наличием инерционных сил и не зависит от вязкости жидкости. Коэффициент трения для этого режима рассчитывают по формуле Б. Л. Шифринсона-

Я, = 0,11 (ks/d)0'25, (7.4)

Где ka — абсолютная эквивалентная равномерно-зернистая шероховатость, которая создает гидравлическое сопротивление, равное действительному сопротивлению трубо­провода; Id — относительная шероховатость.

Предельное число Рейнольдса, разграничивающее переходный и ус­тановившийся турбулентные режимы, равно

Renp = 560 d/k3.

При Re^Renp наблюдается квадратичный закон сопротивления. Определим предельную скорость движения воды, соответствующую квадратичному закону сопротивления. Максимальные расходы воды в тепловых сетях отвечают точке излома графика температур, поэтому предельный режим рассчитаем для температуры воды t = 70°С, при которой v = 0,415-10~6 м2/с. Эквивалентная шероховатость для водяных сетей къ—0,0005 м. Тогда:

Wnx)d d v 0,415-Ю-6

Re =---------------- = 560 — ; да™ = 560 — = 560 „ „ , . = 0,4648 м/с.

V кэ у къ 0,5-10 °

Скорость движения воды в теплопроводах обычно превышает 0,5 м/с, следовательно, в большинстве случаев они работают в области квадра­тичного режима.

Предельную скорость движения пара среднего давления, соответст­вующую границе области квадратичного закона сопротивления, опре­делим при давлении /7=1,28 МПа (абсолютном). При этом давлении температура насыщения /=190°С, а кинематическая вязкость v = = 2,44-Ю-6 м2/с. Предельная скорость при &э=0,0002 м будет равна:

2,44-10~6 0,2-10"

ОУпп = 560 —1--------------- =6,8 м/с.

"Р л о 1 п—о ' '

В паропроводах скорость обычно больше 7 м/с, следовательно, они также работают в области квадратичного режима.

Для насыщенного пара низкого давления при /=115°С, р = 0,17 МПа (абсолютном) и v = 13,27-10—6 м2/с предельная скорость соответственно равна:

13,27-10~6 0,2-10"

Wnb - 560 ----------- !----- ^ о = 37,1 м/с.

"У П О 1П—о ' '

Эта скорость близка к максимальной в паропроводах, поэтому паро­проводы низкого давления работают в основном в области гидравличе­ски гладких труб.

Расчет гидравлического сопротивления для переходного и установив­шегося турбулентных режимов можно вести по универсальной формуле А. Д. Альтшуля:

/ k9 68 .25

При ReЈ3/d<68 эта формула совпадает с формулой Блазиуса (7.3), а при Re&3/d!^>68 она совпадает с формулой Б. J1. Шифринсона (7.4).

При гидравлических расчетах принимают следующие значения абсо­лютной эквивалентной шероховатости внутренней поверхности 1*руб:

Тепловые сети. . Паровые Водяные Горячего водо­

Снабжения и кон - денсатопроводов

Ka, м.......................... 0,0002 0,0005 0,001

Преобразуем уравнение (7.1) для квадратичного режима гидравли­ческого сопротивления, заменив скорость w через массовый расход

^ , л d* G ~w F = У р = tflj ---------------------- р:

, / МО,25 / G2 р 1 n„n,„„ I G2

p,, = 0,11 I —— I ------------------ —---------------------- = 0,089325 —E-5E

" d j d 2 p2 / л d2 2 3 rf5-25 p

ИЛИ

&PJI = SP — = (7.6)

P

Где Sp=0,0893&g'25—-— — гидравлическое сопротивление участка трубопровода при d

Измерении потерь энергии потерями давления.

Если потери энергии измерять потерями напора, тогда уравнение (7.6) примет следующий вид:'*

TOC o "1-3" h z А рл Sp G2 G2

А Нл — ----------- =------------ г - = Sh —Г = SH Vа. (7.7)

Л р g g р2 Я р2 я v /

♦ Удельные потери давления можно выразить следующей зависи­мостью:

^ = = ' (7.8)

Удельное падение давления в трубопроводе Ар&/1 находят по табли­цам или номограммам, составленным по вышеприведенным'формулам. Если по таблице или номограмме определено (АРд//)т при плотности теплоносителя рт, то для тех же значений расхода теплоносителя и диа­метра трубопровода, но при другой плотности р удельное падение дав­ления Ард[1 определится простым пересчетом:

А Рл

I Рт А Рл ( А Рл Рт ^

А Рл Р ' І І 1 г Р

Если требуется определить диаметр трубопровода, по которому дви­жется теплоноситель с плотностью р, по заданным значениям Apn/l и G, а таблицы составлены для рт, тогда его следует находить по удельным потерям давления, пересчитанным на табличную плотность, т. е. по

А рд = А Рд р

/ /т / рт

Как видно, потери давления обратно пропорциональны плотности теплоносителя. Это следует учитывать при расчете, так как таблицы и номограммы составляют при определенной плотности, которую указы­вают на них. Плотность воды слабо зависит от температуры, поэтому некоторое отклонение фактической температуры воды от температуры, при которой составлены номограммы, приводит к незначительной ошиб­ке в определении потерь давления.

Максимальные расходы воды в тепловых сетях отвечают точке изло­ма графика температур, когда температура теплоносителя в падающей линии равна примерно 70°С. Для этой температуры ц следует состав­лять таблицы. Диапазон колебания температур в тепловых сетях 40— 150°С. При этом колебании температур сопротивление сети, рассчитан­ное при 70°С, будет изменяться на ±3%. Следовательно, таблицы, составленные при температуре воды t^TQTC, можно использовать для гидравлических расчетов и при других температурах, если точность расчета в 3% по постановке задачи достаточна.

Решив уравнение (7.8) относительно расхода G, получим *

G = 3,347 pf^0,5 <*2'625 Р0'5 • (7-Ю)

Если определять расходы для одних и тех же значений Дрл// и d, но для разных р, тогда они будут относиться как:

Gx _/ Pi °-5

G3 р2 I

Для воды с температурой 75°С рв = 975 кг/м3, для водяного насыщен­ного пара при температуре около 15042 рп=2,45 кг/м3.

Определим отношения расходов воды и пара с этими параметрами:

Gn І Рп I V 2,45 ) Следовательно, расход воды в 20 раз больше расхода пара при тех же значениях Арл/l и d. Это соотношение использовано при составлении расчетных номограмм, показанных на рис. 7.1—7.3[27]. Номограммы со­ставлены для гидравлического расчета трубопроводов, по которым дви­жется вода или пар при значениях^, равных 0,0002; 0,0005 и 0,001 м.

Потери давления в местных сопротивлениях рассчитывают по фор­муле

W2

А = — р, (7.11)

Где Арм. с — потери давления в местных сопротивлениях расчетного участка (расчет­ный участок выбирают так, чтобы расход на участке и его диаметр были постоянны­ми); — сумма коэффициентов местных сопротивлений, имеющихся на участке; зна­чения коэффициента І приведены в табл. 7.1.

ТАБЛИЦА 7.1. КОЭФФИЦИЕНТЫ МЕСТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИИ

Местное сопротивление

Задвижка нормальная. Вентиль с косым шпинде

Лем........................................

Вентиль с вертикальным шпинделем.!.... Обратный клапан нормаль

Ный.......................................

Обратный клапан «захлоп ка»

Кран проходной. . . Компенсатор сальниковый Компенсатор 'П-образньгй: с гладкими отводами с крутоизогнутыми от

Водами ..........................

Со сварными отводами Отводы гнутые под углом 90р со складками при Rjd:

3........................

4........................................ . .

Отводы сварные одношов- ные под углом, град-

60.......................................

45........................................

30 . .• .....................

Отводы сварные двухшов- ные под углом 90і" .... Отводы сварные трехшов - ные под углом 90° .... Отводы гнутые под углом 90° гладкие при Rjd:

1 . . .........................

3 ..........................

4....................................

Тройник при слиянии "пото­ков:

Проход* ............................

Ответвление....

Тройник при разделении по­тока: •

Проход* .......

Ответвление. . Тройник при потоке: расходящемся встречном.....

Грязевик ....................................

* Коэффициент Z отнесен к участку с суммарным расходом воды.

При расчете трубопроводов потери в местных сопротивлениях обыч­но учитывают через эквивалентные им длины. Эквивалентную местным сопротивлениям длину определяют из выражения:

I,

Д Рм. с = 2£ - Г - Р = ^

Отсюда

Ы G, кг/с

Используя формулы для определения коэффициента трения Я и при­нимая 2£=1, можно получить уравнения для расчета 1Э при 2£=1. В частности, используя формулу Б. Л. Шифринсона (7.4), получаем сле­дующее выражение для 1Э при 2Ј=il:

/э = 9,09 d1,25/^'25. (7.13а)

Рассчитанные по этой формуле значения 1Э при различных значениях

И d приведены в табл. 7.2.

Расчетную приведенную длину участка /пр определяют как сумму фактической и эквивалентной длин на основании следующего соотноше­ния^

% W2 X W[28] "к ьог

Др = Дрл + Арм. с=Т — Р/+Т — Р/Э=Т — Р </ + /.) =

X и>г /4- U

= ~ V Р *пр = д Рл, =Арл (1+сх). (7.14)

А 2 I

Здесь

/пр = / + /э = / (1+а). (7.15)

Где a=h[l — отношение эквивалентной и фактической длин участка, определяющее долю потерь в местных сопротивлениях от линейных потерь. Приближенные значения коэффициента ос можно принимать по табл. 7.3*.

При гидравлическом расчете водяных тепловых сетей, включая сети горячего водоснабжения, СНиП рекомендуют принимать следующие зна­чения удельных потерь давления на трение:

А) для основного расчетного направления от источника тепла до на­иболее удаленного потребителя — до 80 Па/м;

Б) для остальных участков — по располагаемому перепаду давления, но не более 300 Па/м.'

Скорость движения воды в трубопроводах не должна превышать 3,5 м/с.

Удельные потери давления на трение в паропроводах определяют по располагаемому перепаду давления, при этом скорость движения пара не следует принимать выше значений, приведенных в табл. 7.4.

В ответвлениях к отдельным потребителям допускается увеличение скорости движения пара примерно на 30%.

См сноску на с 192