Лекция 9. РАСЧЕТ КОЛЬЦЕВЫХ РАЗВЕТВЛЕННЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СЕТЕЙ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ

После изучения главы 9 бакалавр должен:

знать

• назначение и задачи гидравлического расчета трубопроводных систем;

• пьезометрические графики;

• гидравлические характеристики насосов и сети;

• основные законы, положенные в основу расчета сложных многокольцевых разветвленных гидравлических сетей;

• принципы построения компьютерных моделей гидравлических сетей;

• основы проектирования гидравлических сетей с помощью компьютерных моделей;

• применение компьютерных моделей для расчета циркуляционных систем ТЭЦ;

• характеристики насосов;

• назначение повысительных, понизительных и смесительных насосных;

• формулы расчета потерь давления;

• условия совместной работы насосов и сети;

уметь

• проводить расчеты простейших гидравлических сетей, используя первый и второй законы Кирхгофа;

• использовать компьютерные модели для мониторинга систем теплоснабжения;

• использовать компьютерные модели для проектирования трубопроводных систем;

владеть

• математическим аппаратом построения компьютерных моделей гидравлических сетей;

• навыками построения характеристик насосов и гидравлических сетей.

Назначение и задачи гидравлического расчета

Тепловые сети современных городов представляют сложные кольцевые гидравлические системы, запитываемые от нескольких источников теплоты. При организации их работы важной проблемой являются расчет и поддержание заданных расходов и давлений в различных точках сети. Расчеты указанных параметров в кольцевых сетях выполняются на основе двух уравнений Кирхгофа (см. параграфы 9.8,9.9). Эти расчеты в конечном итоге сводятся к итеративному процессу определения невязок напоров в рассматриваемых точках системы. При большом количестве точек такие расчеты могут быть выполнены лишь при использовании компьютерной техники. Необходимым условием их выполнения является разработка и построение компьютерной модели теплосети (см. параграф 9.9), позволяющей практически полностью воспроизводить гидравлические процессы, протекающие в реальной системе.

Компьютерная модель позволяет рассчитать большое количество режимов работы теплосети и выбрать наиболее оптимальный из них. При этом имеется возможность проведения вычислительных экспериментов для моделирования различных вариантов работы сети, связанных с включением и отключением оборудования (насосов, задвижек и проч.), изменения диаметров трубопроводов, расходов теплоносителя, а также построения новых участков теплосети. В связи с этим компьютерные модели представляют эффективный инструмент мониторинга любой сети, для которой такая модель построена.

Основные расчетные зависимости для определения потерь давления

В практике эксплуатации тепловых сетей, а также при их проектировании важнейшей задачей является определение потерь давления по длине какого-либо участка сети в случае, когда известны расход среды и геометрические данные (длина и диаметр трубопровода).

Формула для определения потерь давления имеет вид

(9.1)

где – линейное падение давления;– падение давления в местных сопротивлениях (задвижки, краны, шайбы, изменения диаметров и конфигурации трубопроводов и проч.).

Единицы измерения линейного падения давления – кгс/м2 в системе МКГСС и Н/м2 в системе СИ.

Линейное падение давления на участке трубопровода длиной / определяется по формуле

(9.2)

где Rл – удельное линейное падение давления (падение давления на единицу длины трубопровода), (кгс/м2)/м – в системе МКГСС, (Н/м2)/м – в системе СИ; l – длина трубопровода, м.

Удельное линейное падение давления определяется по формуле

(9.3)

где λ – коэффициент гидравлического сопротивления; о – скорость движения теплоносителя, м/с; g = 9,81 м/с2 – ускорение силы тяжести; у – удельный вес жидкости, кгс/м3; d – внутренний диаметр трубы, м.

С учетом весового расхода, кгс/с, где, формула (9.3) примет вид

Формула для удельного линейного падения давления в системе СИ будет

(9.4)

где ρ – плотность жидкости, кг/м3.

Учитывая формулу массового расхода теплоносителя , кг/с, формула (9.4) приводится к виду

Необходимо отметить, что удельный вес у и весовой расход В в системе МКГСС численно равны плотности р и массовому расходу G в системе СИ.

Формулы для коэффициента гидравлического сопротивления λ в зависимости от диапазона изменения числа Рейнольдса были рассмотрены выше (см. параграф 6.17).

Ввиду больших скоростей течения теплоносителя в тепловых сетях в большинстве случаев оказывается справедливым квадратичный закон сопротивления (гидравлические потери пропорциональны квадрату скорости). Поэтому коэффициент λ, как правило, определяется по формуле Шифринсона

где – эквивалентная шероховатость.

Формулы для определения падения давления в местных сопротивлениях соответственно в системах МКГСС и СИ имеют вид

(9.5)

(9.6)

где – коэффициент местных потерь.

С учетом формул для весового и массового расхода теплоносителя соотношения (9.5), (9.6) примут вид