Повышение эффективности теплоснабжения Центрального района г. Гомеля (Фактические и проектные гидравлические режимы тепловых сетей)

3.

Гидравлические расчеты трубопроводов водяных тепловых сетей являются необходимым этапом их проектирования, следующим за определением расчетных тепловых нагрузок, выбором трассы и определением расчетных расходов сетевой воды. Такие расчеты выполняются отдельно по каждому участку сетей, на протяжении которого внутренние диаметры труб и расчетные расходы сетевой воды остаются неизменными, и предназначены для решения следующих основных задач: определения перепадов давления теплоносителя в пределах каждого участка при заданных расходах его, а также известных внутренних диаметрах и длинах труб на данном участке. Эти перепады давления являются исходными для последующего определения потребных напоров перекачивающих сетевых насосов, а в сочетании с данными о давлениях воды в сетях при неработающих насосах (статические режимы) — также для анализа гидравлических режимов сетей при работающих насосах (динамические режимы).

Гидравлические расчеты водяных тепловых сетей базируются на основных положениях и закономерностях механики жидкостей применительно к движению воды в стальных трубопроводах.

Основными исходными данными при гидравлических расчетах водяных тепловых сетей являются расчетные расходы воды по отдельным участкам.

Течение жидкости по трубопроводам сопровождается потерями ее энергии на преодоление сил трения, возникающих при соприкосновении поверхности движущейся жидкости с внутренней поверхностью труб (так называемые линейные потери). Кроме того, дополнительные потери энергии возникают в местах резкого  изменения  направления ( повороты, изгибы ) или  площади сечения потока жидкости (переходы с одного диаметра труб на другой), при ее прохождении через арматуру и измерительные приборы, а также при разделении одного потока на несколько потоков или их объединении в единый поток. Средние скорости потока в поперечном сечении трубы связаны с количествами протекающей через это сечение жидкости за единицу времени уравнениями неразрывности потока

                                  (3.1)

                         (3.1а)

Здесь , м³/с — объем; , кг/с — масса жидкости, протекающей за секунду через сечение трубы площадью в свету , м²; , кг/м³ — плотность жидкости.

Для стационарного течения вязкой жидкости при постоянстве ее температуры и скорости в пределах рассматриваемого участка применение закона сохранения энергии к массе потока жидкости приводит к уравнению Бернулли:

                                    (3.2)

или

                             (3.2а) 

Здесь  и ,Па — давления жидкости в начальном и конечном сечениях труб в пределах участка; , кг/м³ — плотность жидкости;  и  — ординаты, соответствующие центрам начального и конечного сечений трубы относительно произвольной горизонтальной плоскости (геодезические отметки); , м/с² — ускорение силы тяжести в гравитационном поле Земли, которое в гидравлических расчетах можно принимать постоянным и равным = 9,81 м/с².

Величина  соответствует перепаду давления жидкости между начальным и конечным сечениями трубы на участке, вызванному расходом энергии потока жидкости на преодоление сил трения между этим потоком и внутренней поверхностью трубопровода, а также на местные потери. Величина , м, которая может быть либо положительной, либо отрицательной, соответствует разности между геодезическими отметками начального и конечного сечений трубы на участке. Эта величина равна нулю для горизонтально уложенных трубопроводов, а также для любых замкнутых контуров циркуляции жидкости, которые характерны для двухтрубных водяных тепловых сетей с подающими и обратными трубопроводами. Поэтому суммарный перепад давлений по всем участкам трубопроводов, образующим такой контур, равен

                                       (3.3)

В (3.3)  и  — значения давления сетевой воды в начальной и конечной точках циркуляционного контура, обычно замыкающегося в источнике теплоснабжения, причем разность давлений  поддерживается за счет работы циркуляционных сетевых насосов.

В общем случае величина состоит из двух слагаемых, соответствующих линейным и местным потерям, причем линейные потери в пределах участка из труб одного внутреннего диаметра и с одинаковыми на всем протяжении расходами воды пропорциональны длине этого участка. Второе слагаемоесоответствует местным потерям энергии в пределах участка. Таким образом, имеем

                                               (3.4)

Здесь , Па/м — удельный перепад давления на трение, отнесенный к 1 м длины участка. Его величина определяется следующим образом

                                               (3.5)

Подставляя вместо скорости  выражение через массовый расход жидкости  по формуле (3.1а), получаем

                                     (3.5а)

Безразмерный коэффициент носит название коэффициента гидравлического трения или гидравлического сопротивления.

Характеристикой режима течения жидкостей, в частности критерием перехода ламинарного течения в турбулентное, является безразмерный параметр (число Рейнольдса) , характеризуемый соотношением

                                           (3.6)

Комбинируя формулы (3.1а) и (3.6), можно получить следующее выражение для числа  в зависимости от массового расхода жидкости:

                                           (3.7)

Скорости воды в трубопроводах тепловых сетей при расчетном режиме обычно находятся в интервале = 0,5 - 3 м/с, по нормам [  ] и не должны превышать 3,5 м/с.

При повышении числа  свыше 2000 - 2300 и переходе ламинарного течения в турбулентное, значения коэффициента  скачкообразно возрастают с 0,028 - 0,032 до 0,038 - 0,040. При дальнейшем росте числа  эти значения постепенно снижаются.

Особенностью турбулентного течения в трубах является влияние на значения  помимо числа  шероховатости внутренней поверхности труб, возникающей в основном за счет коррозии этой поверхности. У труб из металлов, не подверженных коррозии при воздействии на них воздуха и воды, например из латуни или нержавеющей стали, а также для стальных труб при малых числах  влияние шероховатости на гидравлическое сопротивление практически неощутимо, а потому такие трубы называются гидравлически гладкими.

Коррозия стальных труб, не защищенных специальными покрытиями, нанесенными на их внутреннюю поверхность, приводит к появлению на этой поверхности неравномерной шероховатости, детальная характеристика которой неосуществима, а потому для таких труб используется понятие эквивалентной шероховатости , основанное на сопоставлении опытных значений  для труб после их длительной эксплуатации с соответствующими данными для труб с искусственно созданной равномерной шероховатостью. Значения коэффициента  для труб с такой шероховатостью в общем случае зависят от числа  и от безразмерного параметра , называемого относительной шероховатостью и равного

                                                  (3.8)

Здесь , м — высота бугорков, при искусственной шероховатости равная