Тепловой расчет тепловых сетей

Тепловой расчет тепловой сети

Вводится понятие «удельной тепловой потери», то есть потери на 1 м длины трубопровода:

(153)

где Q, L – соответственно потери по всему теплопроводу и длина теплопровода; τ₁ – расчетная температура теплоносителя; t – температура окружающей среды.

Падение температуры теплоносителя по длине трубопровода определяется по формуле:

(154)

где L_р – расчетная длина трубопровода, м; β – коэффициент, учитывающий потери через неизолированные части: опоры, арматуру и др., при канальному прокладке равен 1 ,2; G – расход теплоносителя; с – теплоемкость, Кдж/кг∙К.

Эффективность изоляции оценивается коэффициентом изоляции:

(155)

Коэффициент изоляции должен быть не менее 0,85.

Порядок выполнения расчета.

1. Определяют суммарное термическое сопротивление теплопроводов:

– подающего, (156)

– обратного. (157)

Здесь , принимаются как температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах средние за отопительный период, (принимают равными 90 и 50°С соответственно); – температура окружающей среды для бесканальной прокладки и прокладки в непроходных каналах принимается равной 2 или 5 °С как правило. Вообще температура грунта может быть заключена в пределах от 0 до 15 °C; , – нормируемые удельные потери теплоты.

2. Определяются термические сопротивления, составляющие суммарные термические сопротивления:

для подающего теплопровода

для обратного трубопровода (158)

.

Это термическое сопротивление изоляции подающего и обратного трубопроводов , .Они рассчитываются как разность суммарных термических сопротивлений и остальных составляющих термических сопротивлений.

Термическое сопротивление теплопроводности покровного слоя:

, (159)

где λ_ПС – теплопроводность покровного слоя. Покровный слой – это бризол, для которого теплопроводность равна 0,175 Вт/мК; d_пс– диаметр покровного слоя, рассчитывается как d_и + 2δ_пе, то есть диаметр наружный +2 толщины изоляции. Толщина изоляции принимается в данном случае предварительно одинаковой для подающего и обратного трубопроводов в диапазоне от 40 до 100 мм или менее в зависимости от D_y (табл. 23). Вид изоляции – минераловатные изделия на синтетическом связующем.

Характеристики теплоизоляционных изделий отечественного производства,

применяемые для изоляции трубопроводов тепловых сетей при подземной

Тепловой расчет тепловых сетей:Многотрубный теплопровод

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

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

Предположим, что в подземном канале проложено трубопроводов, термическое сопротивление изоляционной конструкции (слоя и наружной поверхности изоляции) каждого из теплопроводов соответственно равны \(R_ <1>,R_ <2>,\ldots ,R_ \), а температуры теплоносителя в каждом из трубопроводов \( \tau _ <1>,\tau _ <2>,\ldots ,\tau _ \).

Суммарное термическое сопротивление внутренней поверхности канала, стенок канала и грунта \( R_ <к-0>=R_ <п.к>+R_ <к>+R_<гр>\).

Температура грунта на глубине заложения оси теплопровода равно t . Уравнение теплового баланса для такой много трубной системы будет иметь следующий вид\[ \frac <\tau _<1>-t_ <к>> > +\frac <\tau _<2>-t_ <к>> > +\ldots +\frac <\tau _-t_ <к>> > =\frac -t_ <0>> > \] , (3.28)

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

Расчет теплопотерь моноготрубного бесканального теплопровода может быть проведен по методу, разработанному Е.П. Шубиным. Взаимное влияние соседних труб учитывается условным дополнительным термическим сопротивлением . При двухтрубном теплопроводе условное дополнительное сопротивление (рис. 3.3) \( R_ <0>=\frac<1><2\pi \lambda _<гр>> \ln <\sqrt<1+(2h/b)^2>> \), (3.30)

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

Потери двухтрубного бесканального теплопровода рассчитываются по следующим формулам: теплопотери первого трубопровода \( q_ <1>=\frac <\left(\tau _<1>-t_ <0>\right)R_ <2>-\left(\tau _ <2>-t_ <0>\right)R_ <0>> R_ <2>-R_<0>^ <2>> \)

теплопотери второго трубопровода

где \(\tau _<1>\) и \(\tau _<2>\) – температуры теплоносителя в первой и во второй трубах; \(t_<0>\)- естественная температура грунта на глубине оси теплопровода; \(R_<1>\)- суммарное термическое сопротивление изоляции первой трубы и грунта\[R_ <1>=R_ <и1>+R_ <гр>\]; \(R_<2>\) – суммарное термическое сопротивление изоляции второй трубы и грунта\[R_ <2>=R_ <и2>+R_ <гр>\].

Температурное поле в грунте вокруг однотрубного бесканального теплопровода рассчитывается по формуле\[ t=t_ <0>+\left(\tau -t_ <0>\right)\frac<\frac<1> <1\pi \lambda _<\; >> \ln \sqrt <\frac+\left(C+h\right)^ <2>> +\left(C-h\right)^ <2>> > > \]

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

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

Рис.3.3. Схема двухтрубного бесканального трубопровода

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

Гидравлический расчет тепловых сетей

Здравствуйте! Основной целью гидравлического расчета на стадии проектирования является определение диаметров трубопроводов по заданным расходам теплоносителя и располагаемым перепадам давления в сети, или на отдельных участках теплосети. В процессе же эксплуатации сетей приходиться решать обратную задачу – определять расходы теплоносителя на участках сети или давления в отдельных точках при изменении гидравлических режимов. Без расчетов по гидравлике не построить пьезометрический график теплосети. Также этот расчет необходим для выбора схемы подключения внутренней системы теплоснабжения непосредственно у потребителя и выбора сетевых и подпиточных насосов.

Как известно, гидравлические потери в сети складываются из двух составляющих: из гидравлических линейных потерь на трение и потерь даления в местных сопротивлениях. Под местными сопротивлениями подразумеваются – задвижки, повороты, компенсаторы и т.п.

Линейные потери на трение определяют из формулы:

где λ – коэффициент гидравлического трения ; l – длина трубопровода, м ; d – диаметр трубопровода внутренний, м; ρ – плотность теплоносителя, кг/м³; w² — скорость движения теплоносителя, м/с.

В этой формуле коэффициент гидравлического трения определяем по формуле А.Д.Альтшуля:

где Re — число Рейнольдса, kэ/d — эквивалентная шероховатость трубы. Это справочные величины. Потери в местных сопротивлениях определяем по формуле:

где ξ – суммарный коэффициент местных сопротивлений. Его необходимо просчитать вручную используя таблицы со значениями коэффициентов местных сопротивлений. В прилагаемом к статье расчете в формате Exel я добавил таблицу с коэффициентами местных сопротивлений.

Для выполнения гидравлического расчета вам обязательно потребуется схема тепловой сети, вот примерно в таком виде:

На самом деле схема, конечно, должна быть более развернутой и подробной. Эту схемку я привел только в качестве примера. Из схемы теплосети нам нужны такие данные как: длина l трубопровода, расход G, и диаметр трубопровода d.

Как выполнять гидравлический расчет? Вся тепловая сеть, которую необходимо просчитать, делится на так называемые расчетные участки. Расчетный участок – это участок сети, на котором расход не изменяется. Сначала гидравлический расчет ведут по участкам в направлении главной магистрали, которая соединяет теплоисточник с наиболее удаленным потребителем тепла. Затем уже рассчитывают второстепенные направления и ответвления теплосети. Мой гидравлический расчет участка тепловой сети можно скачать здесь:

Это, конечно, расчет только одной ветки теплосети (гидравлический расчет теплосети большой протяженности достаточно трудоемкое дело), но достаточно для того, чтобы понять, что такое расчет гидравлики, и даже неподготовленному человеку начать считать гидравлику.

Основы теплового расчета сетей

В соответствии со СНиП 11-36—73 “Тепловые сети. Нормы проектирования” тепловой изоляцией покрывают трубопроводы, арматуру, фланцевые соединения и компенсаторы тепловых сетей независимо от температуры теплоносителя и способов прокладки.

Цель теплового расчета сетей — определить толщину тепловой изоляции и падение температуры теплоносителя на данном участке трассы.

Толщину теплоизоляционного слоя определяют по нормам удельных потерь тепла (табл. 15) или на основе технико-экономических расчетов. При этом толщина изоляции трубопровода данного диаметра условного прохода не должна превышать предельного значения, указанного в приложении 4.

Удельные потери тепла (Вт/м) 1 м трубопровода данного диаметра определяют по формуле

Пренебрегая сопротивлением тепловосприятию от теплоносителя к стенке трубопровода и сопротивлением теплопроводности самой стенки, общее тепловое сопротивление при надземной прокладке сети определяют но формуле

Сопротивление теплопроводности слоя тепловой изоляции

Тепловое сопротивление наружной поверхности изоляции

Коэффициент теплоотдачи поверхности изоляции [Вт/(м2*°С)] определяют по эмпирической формуле

Если принять максимально допустимую температуру tн.п=60° С, формула (21) упростится:

При подземной прокладке (в непроходных каналах и бесканальной) для определении R пользуются также формулой (18), только вместо Rн подставляют тепловое сопротивление грунта Rгр которое находят из выражений:

Коэффициент теплопроводности грунта λгр в основном зависит от влажности, в меньшей степени от плотности, механического состава и температуры. Так, на глубине 1,5 м при температуре 5° С глинистые и суглинистые грунты (р=1600 кг/м3) в зависимости от влажности имеют следующие усредненные значения маловлажные — 0,87, влажные — 1,75, водонасыщенные — 1,85 Вт/(м*°С). Коэффициенты теплопроводности тех же грунтов плотностью р=2000 кг/м3 соответственно будут равны: 1,75; 2,55; 2,7 Вт/(м*°С). Для песчаных грунтов (р=2000 кг/м3) значение маловлажных — 1,75, влажных — 2,0, водонасыщенных — 3,4 13т/(м*°С).

Рассмотренный выше расчет относился к одиночному трубопроводу. В двухтрубном подземном теплопроводе потерн тепла каждой трубой по сравнению с однотрубным уменьшаются. Взаимное влияние одной трубы на другую учитывается разностью температур теплоносители каждою трубопровода и грунта, общим тепловым сопротивлением каждого трубопровода R1 и R2, а также дополнительным сопротивлением, определяемым по формуле Е.П. Шубина

Удельные потери тепла (Вт/м) двухтрубным теплопроводом определяют по следующим уравнениям:

Определив удельные потери тепла трубопроводами тепловой сети, сравнивают их значения с соответствующими нормами, приведенными в таблице 15. При отклонении от норм следует изменить толщину изоляционного покрытия в допустимых пределах, подсчитать новое значение Rи и q провести повторно весь расчет q.

Падение температуры теплоносителя воды (°С) на участке трубопровода длиной l (м) находят из уравнения теплового баланса

Падение энтальпии теплоносителя пара (кДж/кг) по аналогии

Тепловой расчет тепловых сетей

Основные расчетные зависимости

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

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

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

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

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

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

В тепловом расчете встречается два вида термических сопротивлений:

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

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

Термическое сопротивление слоя

Выражение для термического сопротивления однородного цилиндрического слоя легко выводится из уравнения Фурье, которое имеет вид R=12∗π∗λ∗lnd2d1, (3.10)

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

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

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

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

Предположим, что в подземном канале проложено трубопроводов, термическое сопротивление изоляционной конструкции (слоя и наружной поверхности изоляции) каждого из теплопроводов соответственно равны R1,R2,…,Rn, а температуры теплоносителя в каждом из трубопроводов τ1,τ2,…,τn.

Суммарное термическое сопротивление внутренней поверхности канала, стенок канала и грунта Rк−0=Rп.к+Rк+Rгр.

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

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

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

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

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

Потери двухтрубного бесканального теплопровода рассчитываются по следующим формулам:

теплопотери первого трубопровода

теплопотери второго трубопровода

где τ1 и τ2 – температуры теплоносителя в первой и во второй трубах; t0- естественная температура грунта на глубине оси теплопровода; R1- суммарное термическое сопротивление изоляции первой трубы и грунта

; R2 – суммарное термическое сопротивление изоляции второй трубы и грунта

Температурное поле в грунте вокруг однотрубного бесканального теплопровода рассчитывается по формуле

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

Температурное поле в грунте вокруг двухтрубного бесканального теплопровода вычисляется по формуле

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

Рис.3.3. Схема двухтрубного бесканального трубопровода

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

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

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

где Rи,Rн,Rп.к,Rк,Rгр – сопротивление соответственно слоя изоляции, наружной поверхности изоляции, внутренней поверхности канала, стенок канала и грунта.

Рис.3.2. Схема однотрубного теплопровода в канале

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

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