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.
То есть ∆P = ∆Pл + ∆Pмест,
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:
Гидравлический расчет теплосети
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.
Буду рад комментариям к статье.
Гидравлический расчет тепловой сети
Гидравлический расчет производят в следующей последовательности:
Выбирают на трассе тепловых сетей главную магистраль – наиболее протяженную и загруженную, соединяющую источник теплоснабжения с дальними потребителями.
Разбивают тепловую сеть на расчетные участки, проставляют номера (сначала по главной магистрали, затем по ответвлениям), определяют расчетные расходы теплоносителя и измеряют длину участков.
Задавшись удельными потерями давлений на трение , исходя из расходов теплоносителя на участках, по номограмме (приложение 10) , составленным для труб с коэффициентом эквивалентной шероховатости ke = 0,0005 мм, находят диаметр трубопроводов, действительные удельные потери на трение и скорость движения теплоносителя, которая должна быть не более 3,5 м/c.
Определив диаметры расчетных участков тепловой сети, разрабатывают монтажную схему теплопроводов, размещая по трассе запорную арматуру, неподвижные опоры, компенсаторы.
По монтажной схеме устанавливают местные сопротивления на расчетных участках и находят сумму коэффициентов местных сопротивлений и их эквивалентные длины, в зависимости от диаметра трубопровода.
Определяют приведённую длину расчетного участка тепловой сети
Находят потери давления на расчетных участках тепловой сети
4.1 Определение расходов сетевой воды
Расчетный расход сетевой воды, т/ч, в закрытых системах теплоснабжения для определения диаметров труб в водяных тепловых сетях при качественном регулировании отпуска теплоты следует определять отдельно для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения по формулам:
На отопление:
где 
и 
– температуры в подающем и обратном
трубопроводах тепловой сети при расчетной
температуре наружного воздуха для
проектирования систем отопления и
вентиляции.
На вентиляцию:
Расчетные расходы сетевой воды на горячее водоснабжение, т/ч
где 
среднечасовой
расход воды на горячее водоснабжение,
т/ч.
и 
температура в подающем и обратном
теплопроводах в точке излома графиков
температур воды.
Формулы для определения расчетного расхода сетевой воды при параллельной схеме присоединения подогревателей приведены в [2].
Суммарный расчетный расход сетевой воды, т/ч, в двухтрубных тепловых сетях при качественном регулировании по отопительной нагрузке:
где 
k=1,0
при 
).
Для потребителей с тепловым потоком 10 МВт и менее суммарный расчетный расход воды следует определять по формуле:
При центральном качественном регулировании отпуска теплоты по совмещённой нагрузке отопления и горячего водоснабжения расчетный расход сетевой воды определяется как сумма расходов воды на отопление и вентиляцию без учета нагрузки горячего водоснабжения:
Расчетный расход сетевой воды в неотопительный период, т/ч определяется по формуле:
где 
определяют
по формуле (33), с учётом того, что
максимальную тепловую нагрузку на
горячее водоснабжение 
определяют
с учётом повышения температуры холодной
воды до 15 oC;
коэффициент,
учитывающий изменение расхода воды на
горячее водоснабжение в неотопительный
период по отношению к отопительному,
принимаемый для жилищно-коммунального
сектора равным 0,8. Для курортных и южных
городов 
,
для промышленных предприятий 
ПРИМЕР
4. Для двух
кварталов района города определить
расчетный суммарный расход сетевой
воды. Данные по расчетным тепловым
потокам взять из примера 1. Температура
воды в подающем трубопроводе 
,
в обратном 
Регулирование отпуска теплоты производится
по совмещенной нагрузке на отопление
и горячее водоснабжение.
Решение:
Расчетный расход сетевой воды на отопление для квартала №1 найдем по формуле (30):
По формуле (31) для квартала №1 найдем расчетный расход воды на вентиляцию:
Примечание. Расчетные тепловые потоки взяты с учетом 5% потерь теплоты в окружающую среду.
Суммарный расчетный расход сетевой воды рассчитаем по формуле (36):
Аналогичные расчеты произведем и для квартала №2, и результаты занесём в таблицу 4:
Таблица 4 – Расчетные расходы сетевой воды для двух кварталов района города
№ квартала | | | |
1 | 92 | 11 | 103 |
2 | 153 | 18 | 171 |
Итого: | 274 | ||
Глава2. МЕТОДИКА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ
2.1. ЗАДАЧИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
Гидравлический расчет тепловой сети ведут по участкам. Основной задачей гидравлического расчета является определение диаметров трубопроводов d на каждом участке, обеспечивающих пропуск заданного расхода теплоносителя G при заданных потерях давления Dp или напора DН. Также могут быть решены и другие задачи: определение потерь давления Dр или напора DН на участках тепловой сети диаметром d при заданных расходах G, определение пропускной способности G участков трубопроводов диаметром d при перепадах давления на участках Dр или потерях напора DН.
На основании результатов гидравлического расчета участков определяют потери давления или напора по сети в целом, выбирают оборудование, в том числе насосы для водяных и конденсатных сетей, разрабатывают гидравлические режимы.
2.2. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
Потери давления на участках теплопроводов складываются из потерь на трение, называемых также линейными потерями Dр Л, и потерь в местных сопротивлениях Dр М:
Dр=Dр Л +Dр М (2.1.)
где Dр Л – потеря давления собственно в трубопроводе;
Dр М – потеря давления при расширениях, сужениях, поворотах трубопровода и в различных устройствах, установленных на участке (компенсаторах, задвижках, клапанах и т.д.).
Рассмотрим более подробно линейные потери давления Dр Л при течении несжимаемой жидкости. Плотность несжимаемой жидкости ρ при изменении давления практически не меняется. При этом условии на участке трубопровода с внутренним диаметром d скорость теплоносителя ω также остается неизменной. В этом случае линейная потеря давления Dр Л определяется по формуле Дарси-Вейсбаха
Dр Л =λ, (2.2.)
где λ – коэффициент гидравлического трения;
L – длина участка трубопровода.
При гидравлических расчетах часто используют понятие удельной линейной потери давления R Л, которая представляет собой линейную потерю давления. отнесенную к единице длины участка трубопровода.:
R Л =Dр Л /L. (2.3.)
Из уравнений (2.1.) и (2.2.) следует, что
R Л =λ. (2.4.)
При ламинарном течении теплоносителя по трубопроводу коэффициент гидравлического трения определяют по формуле Пуазейля-Гагена
λ=64/Re. (2.5.)
Эту формулу используют при Re≤2300. При более высоких значениях числа Рейнольдса, в так называемой переходной области, коэффициент гидравлического трения в гидравлически гладких трубах следует рассчитывать по формуле Блазиуса
λ=0,3164/Re 0,25 . (2.6)
Большинство труб, используемых для теплоснабжения, с точки зрения гидравлики являются шероховатыми. В переходной области режим течения жидкости в таких трубах определяется не только числом Re, но и величиной относительной эквивалентной шероховатости k Э /d, которая представляет собой отношение абсолютной эквивалентной шероховатости k Э к внутреннему диаметру трубы d. Под абсолютной эквивалентной шероховатостью k Э понимают такую высоту выступов равномерной искусственной шероховатости, при которой коэффициент гидравлического трения получается таким же, как и в реальной трубе.
Значения эквивалентной шероховатости, м, определенные опытным путем для различных видов труб приведены ниже.
Паровые сети……………………………………………………………………0,0002
Водяные тепловые сети ………………………………………………………..0,0005
Тепловые сети горячего водоснабжения и конденсатопроводы…………….0,001
Для расчета гидравлического трения в рассматриваемых условиях наиболее удобна формула А.Д.Альтшуля
λ=0,11
. (2.7.)
Эта формула используется при 10≤Re
Re
При Re≥500 коэффициент гидравлического трения λ практически не зависит от Reи определяется только относительной эквивалентной шероховатостью , при этом линейная потеря давления Dр Л пропорциональна квадрату скорости течения ω. Поэтому область Re≥500 называют областью квадратичного закона. Поэтому в области квадратичного закона можно определить коэффициент гидравлического трения по формуле Б. Л. Шифринсона
λ=0,11() 0,25 (2.8.)
При Re>500 (2.7.) практически совпадает с (2.8.).
Получим формулу расчета удельной линейной потери давления R Л при внутреннем диаметре теплопровода d и пропускной способности участка сети G. Уравнение (2.4.) с учетом уравнения неразрывности
где G – массовый секундный расход теплоносителя на участке, преобразуется к виду
R Л =λ. (2.10.)
Отсюда следует, что
d=
; (2.11.)
G=
. (2.12.)
В зависимости от режима работы теплопровода в уравнения (2.10) – (2.12.)
следует подставлять значение коэффициента гидравлического трения λ из (2.5.) — (2.8.).
Режим работы водяных тепловых сетей чаще всего соответствует области квадратичного закона. В этих условиях (2.10) – (2.12.) с учетом (2.8.) принимают вид
Водяные системы теплоснабжения представляют собой сложные гидравлические системы, в которых работа отдельных звеньев находится во взаимной зависимости. Одним из важных условий работы таких систем является обеспечение в тепловой сети перед центральными или местными тепловыми пунктами располагаемых напоров, достаточных для подачи в абонентские установки расходов воды, соответствующей их тепловой нагрузке.
Гидравлический расчет – один из важных разделов проектирования и эксплуатации тепловой сети. При проектировании тепловой сети в гидравлический расчет входят следующие задачи: определение диаметров трубопроводов, определение падение давления, определение давлений в различных точках сети, увязка всей системы при различных режимах работы сети. Результаты гидравлического расчета дают следующие исходные данные:
1) Для определения капиталовложений, расход металла труб и основного объема работ на сооружение тепловой сети;
2) Установление характеристик циркуляционных и подпиточных насосов, количество насосов и их размещение;
3) Выяснения условия работы условий источников теплоты, тепловой сети и абонентских систем выбора схем присоединения теплопотребляющих установок к тепловой сети;
5) Разработка режимов эксплуатации систем теплоснабжения.
В качестве исходных данных для расчёта обычно задаются: схема тепловой сети, параметры теплоносителя на входе в рассчитываемый участок, расход теплоносителя и длина участков сети. Поскольку в начале расчёта неизвестен ряд величин, задачу приходиться решать методом последовательных приближений в два этапа: приближенный и проверочный расчёты.
Предварительный расчёт
1. Определяется располагаемая потеря напора в сети исходя из обеспечения необходимого статического напора на абонентском вводе. Определяется тип пьезометрического графика.
2. Выбирается самая отдалённая точка тепловой сети (расчётная магистраль).
3. Магистраль разбивается на участки по принципу постоянства расхода теплоносителя и диаметра трубопровода. В некоторых случаях в пределах участка с равным расходом изменяется диаметр трубопровода. На участке находится сумма местных сопротивлений.
4. Вычисляется предварительное падение давления на данном участке, оно же является максимально возможным падением давления на рассматриваемом участке.
5. Определяется доля местных потерь данного участка и удельное линейное падение давления. Доля местных потерь представляет собой отношение падения давления в местных сопротивлениях к линейному падению давления прямолинейных участков.
6. Предварительно определяется диаметр трубопровода рассчитываемого участка.
Проверочный расчёт
1. Предварительно рассчитанный диаметр трубы округляется до ближайшего стандартного типоразмера трубы.
2. Уточняется линейное падение давление и вычисляется эквивалентная длина местных сопротивлений. Эквивалентная длина местных сопротивлений – прямолинейный трубопровод линейное падение давления на котором равно падению давления в местных сопротивлениях.
3. Рассчитывается истинное падение давления на участке, которое является полным сопротивлением данного участка.
4. Определяется потеря напора и располагаемый напор в конечной точки участка между подающий и обратной линиях.
Все участки тепловой сети рассчитываются по данной методике и увязываются между собой.
Для проведения гидравлического расчета обычно задаются схемой и профилем тепловой сети, а затем выбирают наиболее удаленную точку, которые характеризуется наименьшим удельным падением магистрали. Расчетная температура сетевой воды в подающей и обратной линиях тепловой сети: t1=150 °С, t2=70 °С. Расчетная схе
В этой статье, я Вам расскажу, как производиться гидравлический расчет трубопровода на примере расчета теплового ввода. Итак, допустим у нас есть технической задание выданное заказчиком, находим раздел “Тепловые нагрузки”, расчет теплового ввода производится строго по “максимальной часовой нагрузке” (max/час), так как для гидравлики это очень важно.
Адрес участка | Отопление (Гкал/час) | Вентиляция (Гкал/час) | ГВС (Гкал/час) договорная | Суммарная нагрузка (Гкал/час) |
Ставропольская ул., д.125 — ЦТП | 1,81 | 1,58 | 1,61 | 5,0 |
Должно быть так | ||||
Ставропольская ул., д.125 — ЦТП | 1,81 | 1,58 | 3,33 max часов. | 6,72 |
Примечание (не для этого случая):
Бывает что иногда пишут ГВС, ср.сут, договорная (макс, расчетная) (Гкал/час) и приводят к примеру, значение 0,21 (0,462). Значение в скобках 0,462 – это и есть максимальная часовая нагрузка, необходимая для гидравлического расчета трубопроводов.
Итак, выполним гидравлический расчет тепловых сетей. Задачей гидравлического расчета тепловых сетей является определение диаметра трубопровода тепловой сети.
1) Как видим ГВС (Гкал/час) у нас договорная, так что лучше позвонить заказчику и уточнить, какой коэффициент принимать для ГВС (Гкал/час), что бы найти максимальную часовую нагрузку. Для моего случая, заказчик принял коэффициент 2,07.
2) В итоге получаем следующее: ГВС (Гкал/час) max/час = 1,61 х 2,07 = 3,33 (Гкал/час).
3) Следовательно, суммарная нагрузка: 1,81 + 1,58 + 3,33 = 6,72 (Гкал/час).
4) С нагрузками разобрались, теперь надо подсчитать расход теплоносителя. Что бы лучше все представить и не запутаться во всем множестве цифр изобразим таблицу.
N n/n | Участок | T, 0C | Суммарная max нагрузка на участок (Гкал/час) | Расход воды, т/ч | Принятый диаметр | Скорость воды | Удельн. потери давления, кгс/м2 |
1 | Трасса (т/в) | 150 — 70 | 6,72 | 84 | 219х6 | 0,72 | 3,02 |
2 | Байпас | 70 — 40 | 3,33 | 110,9 | 219х6 | 0,96 | 5,3 |
Для байпаса теплосети суммарная max нагрузка на участок будет, такой как ГВС (Гкал/час) max часовая.
Что же такое байпас тепловой сети и о чем вообще речь? Говоря простым и обыденным языком, байпас — это временно проложенный участок тепловой сети (прокладывается, как правило, надземно), выполняющий роль основной сети, на период ремонтных работ или реконструкции существующей тепловой сети, проложенной, как правило, подземно.
5) Расход теплоносителя находим по упрощенной формуле.
Полностью вся формула и указанные коэффициенты будут приведены в следующих статьях.
Для трассы: G (т/ч) = 6,72 * 12,5 = 84 т/ч.
Для байпаса: G (т/ч) = 3,33 * 33,33 = 110,9 т/ч.
Удельный расход воды по тепловому вводу составляет 12, 5 т/ч на 1 Гкал.
Удельный расход воды по байпасу теплосети составляет 33,33 т/ч на 1 Гкал.
6) Теперь принимает диаметры труб согласно таблицам или номограмме. Находим в самом первом столбике свой расход теплоносителя в т/ч.
Например, для 84 т/ч, такого нет, есть на 80 т/ч и на 85 т/ч, методом интерполяции определяем скорость воды и удельные потери и заполняем таблицу.
Для выполнения данных операций используем «Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей. Под. редакцией инженера А.А. Николаева» и находим таблицы для гидравлического расчета тепловых сетей (страница 117, Глава 9. Гидравлические расчеты трубопроводов).
Важное примечание:
— Скорость воды должна быть меньше 1 м/сек.
— Удельные потери должны быть меньше 10 кгс/м2 (стараюсь до 8 кгс/м2)
И заполняем последние 4 столбика нашей таблицы. Теперь Вы знаете, как выполнить расчет гидравлических потерь в трубопроводе и Вас не трясет при упоминании гидравлического расчета трубопровода.
Вот такой вот, самый простой гидравлический расчет тепловых сетей существует, которым пользуются. Он идет немного с запасом на 4-10%.
Поделиться ссылкой:
Подсистема включает в себя полный набор функциональных компонент и соответствующих им информационных структур базы данных, необходимых для гидравлического расчета и моделирования тепловых сетей и систем теплоснабжения любой сложности.
В частности с помощью подсистемы «Гидравлика» для тепловых сетей пользователи решают следующие задачи:
Размерность рассчитываемых тепловых сетей, степень их закольцованности, а также количество теплоисточников, работающих на общую сеть – не ограничены.
Задать вопрос
Расчет номинального гидравлического режима
Это классический вид гидравлического расчета, отталкивающийся от задания тепловых нагрузок потребителей. В результате расчета получается полное потокораспределение по подающим и обратным трубопроводам тепловой сети, а также абсолютные и располагаемые напоры во всех точках тепловой сети в предположении, что все потребители получают заявленную тепловую нагрузку при определенных для них температурных графиках.
Насосные группы на источниках тепла, а также в насосных станциях смешения, подпора и подкачки описываются полной моделью, включающей расходно-напорную характеристику группы насосных агрегатов.
Расходно-напорная характеристика может быть получена двумя способами:
- заданием параметров граничных пар «расход-напор», описывающих рабочую зону;
- заданием паспортных характеристик установленных насосных агрегатов (выбор из справочника насосов) и комбинацией их включения.
Гидравлические сопротивления участков трубопроводов определяются их длиной, внутренним диаметром, суммой местных сопротивлений, коэффициентом шероховатости либо коэффициентом местных потерь (в зависимости от выбранного способа расчета), степенью зарастания.
Инструментарий подсистемы включает в себя табличные и графические средства анализа режима, полученного в результате гидравлического расчета, включая пьезометрические графики.
Расчет текущего (фактического) гидравлического режима
От гидравлического расчета номинального режима отличается тем, что потребители тепла в этом случае моделируются специально рассчитанным на основании «номинального» режима внутренним гидравлическим сопротивлением (включающем обвязку и сужающие устройства), а заданная для них тепловая нагрузка игнорируется. Потокораспределение при этом полностью определяется расходно-напорными характеристиками групп насосных агрегатов, работающих на тепловую сеть, и гидравлическими сопротивлениями участков теплосети и потребителей тепла.
Именно этот вид гидравлического расчета является инструментом имитационного моделирования. С его помощью возможен ответ на вопрос, что произойдет с гидравлическим режимом в тепловой сети при аварийном отключении какого-либо оборудования (нештатная ситуация). Поэтому в литературе этот метод гидравлического расчета часто называют «аварийным».
Существенная особенность метода состоит в том, что гидравлический расчет текущего режима имеет смысл только на модели, откалиброванной для номинального гидравлического режима. Калибровка модели — процесс идентификации и тонкой настройки наборов исходных данных таким образом, чтобы обеспечить максимальное приближение результатов гидравлического расчета к данным натурных измерений («посадка пьезометра на измерения»). Калибровочный инструментарий включен в подсистему и вкратце описан ниже, методика калибровки зависит от множества обстоятельств конкретной организации, эксплуатирующей тепловую сеть.
Для гидравлического расчета текущего режима имеются все те же аналитические инструменты, что и для номинального.
Задать вопрос
2.7 Гидравлический расчет тепловых сетей.
Основной задачей гидравлического расчета является определение диаметров трубопроводов, а также потерь давления на участках тепловых сетей.
По результатам гидравлических расчетов разрабатывают гидравлические режимы систем теплоснабжения, подбирают сетевые и подпиточные насосы, авторегуляторы, дроссельные устройства, оборудование тепловых пунктов.
При движении
теплоносителя по трубам полные потери
давления Рскладываются из потерь давления на
трение
и потерь давления в местных сопротивленияхРм
(2.51)
Потери давления
на трение 
определяют по формуле
(2.52)
где R — удельные потери давления, Па/м, определяемые по формуле
,
(2.53)
где — коэффициент гидравлического трения;
d— внутренний диаметр трубопровода, м;
— плотность теплоносителя, кг/м3;
— скорость движения теплоносителя, м/c;
L— длина трубопровода, м.
Потери давления в местных сопротивлениях Рмопределяют по формуле
, (2.54)
где - сумма коэффициентов местных сопротивлений.
Потери давления в местных сопротивлениях могут быть также определены по следующей формуле
Рм R Lэ,(2.55)
где Lэ— эквивалентная длина местных сопротивлений, которую определяют по формуле
(2.56)
Перед выполнением гидравлического расчета разрабатывают расчетную схему тепловых сетей. На расчетной схеме проставляют номера участков (сначала по главной магистрали, а потом по ответвлениям), расходы теплоносителя в кг/с или в т/ч, длины участков в метрах. Здесь главной магистралью является наиболее протяженная и нагруженная ветвь сети от источника теплоты (точки подключения) до наиболее удаленного потребителя. При известном располагаемом давлении Ррдля всей сети, а также для ответвлений, предварительно определяют ориентировочные средние удельные потери давленияRm, Па/м:
, (2.57)
где L — суммарная протяженность расчетной ветви (ответвления) на потери давления в которой используется величинаРр;
— коэффициент, учитывающий долю потерь давления в местных сопротивлениях, принимаемый по приложению 6учебного пособия.
Гидравлический расчет выполняют по таблицам и номограммам, представленным в литературе [8, 9, 10], а также по номограммам приложения …. учебного пособия. Сначала выполняют расчет главной магистрали. По известным расходам, ориентируясь на рекомендованные величины удельных потерь давления R, определяют диаметры трубопроводовdнS; фактические удельные потери давленияR, Па/м; а также скорость движения теплоносителя, м/с. Условный проход труб, независимо от расчетного расхода теплоносителя должен приниматься в тепловых сетях не менее 32 мм. Скорость движения воды не должна быть более 3,5 м/с. Определив диаметры трубопроводов, находят количество компенсаторов на участках и другие виды местных сопротивлений. Потери давления в местных сопротивлениях определяют по формуле (2.54), либо, по формуле (2.55). Затем определяют полные потери давления на участках главной магистрали и суммарные по всей ее длине. Далее выполняют гидравлический расчет ответвлений, увязывая потери давления в них с соответствующими частями главной магистрали (от точки деления потоков до концевых потребителей). Увязку потерь давления следует выполнять подбором диаметров трубопроводов ответвлений. Невязка не должна быть более 10 %. При невозможности полностью увязать диаметрами, излишний напор на ответвлениях должен быть погашен соплами элеваторов, дроссельными диафрагмами и авторегуляторами потребителей.
Таблицы и номограммы гидравлического расчета, приведенные в литературе [8, 9, 10], составлены для эквивалентной шероховатости труб Кэ = 0.5 мм. При расчете трубопроводов с другой шероховатостью к значениям удельных
потерь давления Rследует принимать поправочный коэффициент, (см.
[9] табл. 4.14 ). Диаметры подающего и обратного трубопроводов двухтрубных водяных тепловых сетей при совместной подаче теплоты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение должны приниматься, как правило, одинаковыми.
При неизвестном располагаемом перепаде давления в начале теплотрассы, удельные потери давления Rв магистральных тепловых сетях могут быть приняты согласно рекомендациям [10]:
а) на участках главной магистрали 20 — 40, но не более 80 Па/м;
б) на ответвлениях — по располагаемому перепаду давления, но не более 300 Па/м.
90000 Heat exchangers calculation and selection 90001 90002 90003 Problem 1 90004 90005 90002 A hot product flow, leaving the reactor, should be cooled from the initial temperature t 90007 1 90008 90007 н 90008 = 95 ° C to the final temperature t 90007 1 90008 90007 до 90008 = 50 ° C; for this purpose, it is directed to a refrigerator, where water with the initial temperature of t 90007 2 90008 90007 н 90008 = 20 ° C is supplied. Please calculate Δt 90007 ср 90008 for the direct flow and counter flow conditions in the refrigerator.90005 90002 Solution: 1) Since the final temperature of the cooling water t 90007 2 90008 90007 до 90008 for the direct flow of the heat transfer media can not exceed the value of the final temperature of the hot heat transfer medium (t 90007 1 90008 90007 до 90008 = 50 ° C), so let’s assume that t 90007 2 90008 90007 до 90008 = 40 ° C. 90005 90002 Let’s calculate average temperatures at the refrigerator inlet and outlet: 90005 90002 Δt 90007 н 90008 90007 ср 90008 = 95 — 20 = 75; 90005 90002 Δt 90007 до 90008 90007 ср 90008 = 50 — 40 = 10 90005 90002 Δt 90007 ср 90008 = 75 — 10 / ln (75/10) = 32.3 ° C 90005 90002 2) For the counter flow conditions, let’s assume the final water temperature the same as for the direct flow of the heat transfer media, i.e. t 90007 2 90008 90007 до 90008 = 40 ° C. 90005 90002 Δt 90007 н 90008 90007 ср 90008 = 95 — 40 = 55; 90005 90002 Δt 90007 до 90008 90007 ср 90008 = 50 — 20 = 30 90005 90002 Δt 90007 ср 90008 = 55 — 30 / ln (55/30) = 41.3 ° C 90005 90002 90003 Problem 2 90004 90005 90002 Using the conditions of Problem 1, please determine the required heat exchange surface (F) and the cooling water flow (G).The hot product flow G = 15000 kg / h and its heat capacity C = 3430 J / kg · grad (0.8 kcal · kg · deg). Cooling water parameters are as follows: heat capacity c = 4080 J / kg · grad (1 kcal · kg · grad), heat transfer coefficient k = 290 W / m 90081 2 90082 · grad (250 kcal / m 90081 2 90082 * deg ). 90005 90002 Solution: Using the heat balance equation, we will obtain an expression for determining a heat flux when cold heat transfer medium is heated: 90005 90002 Q = Q 90007 гт 90008 = Q 90007 хт 90008 90005 90002 Wherefrom: Q = Q 90007 гт 90008 = GC (t 90007 1 90008 90007 н 90008 — t 90007 1 90008 90007 до 90008) = (15000/3600) · 3430 · (95 — 50) = 643125 W 90005 90002 Assuming t 90007 2 90008 90007 до 90008 = 40 ° C, we will find the flow rate of the cold heat transfer medium: 90005 90002 G = Q / c (t 90007 2 90008 90007 до 90008 — t 90007 2 90008 90007 н 90008) = 643125/4080 (40 — 20) = 7.9 kg / s = 28 500 kg / h 90005 90002 Required heat exchange surface 90005 90002 In case of a direct flow: 90005 90002 F = Q / k · Δt 90007 ср 90008 = 643125/290 · 32.3 = 69 m 90081 2 90082 90005 90002 In case of a counter flow: 90005 90002 F = Q / k · Δt 90007 ср 90008 = 643125/290 · 41.3 = 54 m 90081 2 90082 90005 90002 90003 Problem 3 90004 90005 90002 At a plant, gas is transported through a steel pipeline with an outer diameter d 90007 2 90008 = 1500 mm, wall thickness δ 90007 2 90008 = 15 mm, thermal conductivity λ 90007 2 90008 = 55 W / m · deg.From the inside, the pipeline is lined with fireclay bricks, whose thickness is δ 90007 1 90008 = 85 mm, thermal conductivity λ 90007 1 90008 = 0.91 W / m · deg. The coefficient of heat transfer from gas to the wall is α 90007 1 90008 = 12.7 W / m 90081 2 90082 · deg; from the outer surface of the wall to air is α 90007 2 90008 = 17.3 W / m 90081 2 90082 · deg. Please find the coefficient of heat transfer from gas to air. 90005 90002 Solution: 1) Let’s determine the inner diameter of the pipeline: 90005 90002 d 90007 1 90008 = d 90007 2 90008 — 2 · (δ 90007 2 90008 + δ 90007 1 90008) = 1500 — 2 (15 + 85) = 1300 mm = 1.3 m 90005 90002 Average lining diameter: 90005 90002 d 90007 1 90008 90007 ср 90008 = 1300 + 85 = 1385 mm = 1.385 m 90005 90002 Average pipeline wall diameter: 90005 90002 d 90007 2 90008 90007 ср 90008 = 1500 — 15 = 1485 mm = 1.485 m 90005 90002 Let’s calculate the coefficient of heat transfer by the formula: 90005 90002 k = [(1 / α 90007 1 90008) · (1 / d 90007 1 90008) + (δ 90007 1 90008 / λ 90007 1 90008) · (1 / d 90007 1 90008 90007 ср 90008) + (δ 90007 2 90008 / λ 90007 2 90008) · (1 / d 90007 2 90008 90007 ср 90008) + (1 / α 90007 2 90008)] 90081 -1 90082 = [(1/12.7) · (1 / 1.3) + (0.085 / 0.91) · (1 / 1.385) + (0.015 / 55) · (1 / 1.485) + (1 / 17.3)] 90081 -1 90082 = 5.4 W / m 90081 2 90082 · grad 90005 90002 90003 Problem 4 90004 90005 90002 A single-pass shell-and-tube heat exchanger heats methanol with water from the initial temperature of 20 to 45 ° C. The water flow is cooled from 100 to 45 ° C. A tube bundle of the heat exchanger contains 111 tubes, the diameter of one tube is 25×2.5 mm. The velocity of the methanol flow through the tubes is 0.8 m / s (w). The heat transfer coefficient is 400 W / m 90081 2 90082 · deg.Please, determine the total length of the tube bundle. 90005 90002 Solution: 90005 90002 Let’s determine the average temperature difference of the heat transfer media as the average logarithmic value. 90005 90002 Δt 90007 н ср 90008 = 95 — 45 = 50; 90005 90002 Δt 90007 до ср 90008 = 45 — 20 = 25 90005 90002 Δt 90007 ср 90008 = 50 + 25/2 = 37.5 ° C 90005 90002 Then, let’s determine the average temperature of the heat transfer medium flowing through the tube side space. 90005 90002 Δt 90007 ср 90008 = 45 + 20/2 = 32.5 ° C 90005 90002 Let’s determine a mass flow of methanol. 90005 90002 G 90007 сп 90008 = n · 0.785 · d 90007 вн 90008 90081 2 90082 · w 90007 сп 90008 · ρ 90007 сп 90008 = 111 · 0.785 · 0.02 90081 2 90082 · 0.8 · = 21.8 90005 90002 ρ 90007 сп 90008 = 785 kg / m 90081 3 90082 — methanol density at 32.5 ° C, the value is taken the reference literature. 90005 90002 Then, let’s determine the heat flux. 90005 90002 Q = G 90007 сп 90008 з 90007 сп 90008 (t 90007 до 90008 90007 сп 90008 — t 90007 н 90008 90007 сп 90008) = 21.8 · 2520 (45 — 20) = 1.373 · 10 90081 6 90082 W 90005 90002 c 90007 сп 90008 = 2520 kg / m 90081 3 90082 — heat capacity of methanol at 32.5 ° C, the value is taken the reference literature. 90005 90002 Let’s determine the required heat exchange surface. 90005 90002 F = Q / KΔt 90007 ср 90008 = 1.373 · 10 90081 6 90082 / (400 · 37.5) = 91.7 m 90081 3 90082 90005 90002 Let’s calculate the total length of the tube bundle by the average diameter of the tubes. 90005 90002 L = F / nπd 90007 ср 90008 = 91.7/111 · 3.14 · 0.0225 = 11.7 m. 90005 90002 In accordance with the recommendations, the total length of the tube bundle should be divided into several sections of the proposed standard size, with a required margin of the heat exchange surface to be provided. 90005 90002 90003 Problem 5 90004 90005 90002 A plate heat exchanger is used to heat a 10% NaOH solution flow from 40 ° C to 75 ° C. The sodium hydroxide flow is 19000 kg / h. Water vapor condensate with a flow rate of 16000 kg / h and initial temperature of 95 ° C is used as a heating agent.Assume that heat transfer coefficient is 1400 W / m 90081 2 90082 · deg. Please calculate basic parameters of the plate heat exchanger. 90005 90002 Solution: Let’s find the amount of heat transferred. 90005 90002 Q = G 90007 р 90008 з 90007 р 90008 (t 90007 до р 90008 — t 90007 н р 90008) = 19000/3600 · 3860 (75 — 40) = 713 028 W 90005 90002 From the heat balance equation, let’s determine the final temperature of the condensate. 90005 90002 t 90007 до 90008 90007 х 90008 = (Q · 3600 / G 90007 до 90008 з 90007 до 90008) — 95 = (713028 · 3600) / (16000 · 4190) — 95 = 56.7 ° C 90005 90002 з 90007 р 90008 90007, 90008 90007 до 90008 — heat capacity of the solution and condensate, the values are found in the reference materials. 90005 90002 Let’s determine average temperatures of the heat transfer media. 90005 90002 Δt 90007 н ср 90008 = 95 — 75 = 20; 90005 90002 Δt 90007 до 90008 90007 ср 90008 = 56.7 — 40 = 16.7 90005 90002 Δt 90007 ср 90008 = 20 + 16.7 / 2 = 18.4 ° C 90005 90002 Let’s determine the cross-section of the channels; for calculation, let’s assume the mass velocity of the condensate as Wk = 1500 kg / m 90081 2 90082 · sec.90005 90002 S = G / W = 16000/3600 · 1500 = 0.003 m 90081 2 90082 90005 90002 Assuming the channel width b = 6 mm, we will find the width of the spiral. 90005 90002 B = S / b = 0.003 / 0.006 = 0.5 m 90005 90002 Based on the recommendations, let’s assume the width of the spiral according to the nearest larger tabulated value B = 0.58 m. 90005 90002 Let’s refine the cross-section of the channel 90005 90002 S = B · b = 0.58 · 0.006 = 0.0035 m 90081 2 90082 90005 90002 and mass velocity of the streams 90005 90002 W 90007 р 90008 = G 90007 р 90008 / S = 19000/3600 · 0.0035 = 1508 kg / m 90081 3 90082 · sec 90005 90002 W 90007 до 90008 = G 90007 до 90008 / S = 16000/3600 · 0.0035 = 1270 kg / m 90081 3 90082 · sec 90005 90002 The heat transfer surface of the spiral heat exchanger is determined as follows. 90005 90002 F = Q / KΔt 90007 ср 90008 = 713028 / (1400 · 18.4) = 27.7 m 90081 2 90082 90005 90002 Let’s determine the working length of the spiral 90005 90002 L = F / 2B = 27.7 / (2 · 0.58) = 23.8 m 90005 90002 Next, let’s determine a pitch of the spiral, while setting the sheet thickness as δ = 5 mm.90005 90002 t = b + δ = 6 + 5 = 11 mm 90005 90002 o calculate the number of turns of each spiral, the initial diameter of the spiral shall be assumed, based on the recommendations, as d = 200 mm. 90005 90002 N = (√ (2L / πt) + x 90081 2 90082) — x = (√ (2 · 23.8 / 3.14 · 0,011) +8.6 90081 2 90082) — 8.6 = 29.5 90005 90002 where х = 0.5 (d / t — 1) = 0.5 (200/11 — 1) = 8.6 90005 90002 The required diameter of the spiral is determined as follows. 90005 90002 D = d + 2Nt + δ = 200 + 2 · 29.5 · 11 + 5 = 860 mm.90005 90002 90003 Problem 6 90004 90005 90002 Please determine the hydraulic resistance of a heat transfer media, created in a four-way plate heat exchanger with a channel length of 0.9 m and an equivalent diameter of 7.5 × 10 90081 -3 90082, when butyl alcohol is cooled with water. Butyl alcohol properties are as follows: flow rate G = 2.5 kg / s, velocity W = 0.240 m / s and density ρ = 776 kg / m 90081 3 90082 (Reynolds criterion Re = 1573> 50). Cooling water properties are as follows: flow rate G = 5 kg / s, velocity W = 0.175 m / s and density ρ = 995 kg / m 90081 3 90082 (Reynolds criterion Re = 3101> 50). 90005 90002 Solution: Let’s determine the coefficient of local hydraulic resistance. 90005 90002 ζ 90007 БС 90008 = 15 / Re 90081 0.25 90082 = 15/1573 90081 0.25 90082 = 2.38 90005 90002 ζ 90007 в 90008 = 15 / Re 90081 0.25 90082 = 15/3101 90081 0.25 90082 = 2.01 90005 90002 Let’s clarify the velocity of alcohol and water in the fittings (assuming that d 90007 шт 90008 = 0.3m) 90005 90002 W 90007 шт 90008 = G 90007 БС 90008 / ρ 90007 БС 90008 0.785d 90007 шт 90008 90081 2 90082 = 2.5 / 776 · 0.785 · 0.3 90081 2 90082 = 0.05 m / s is less than 2 m / s, therefore it can be ignored. 90005 90002 W 90007 шт 90008 = G 90007 в 90008 / ρ 90007 в 90008 0.785d 90007 шт 90008 90081 2 90082 = 5/995 · 0.785 · 0.3 90081 2 90082 = 0.07 m / s is less than 2 m / s, therefore it can be ignored. 90005 90002 Let’s determine the hydraulic resistance for butyl alcohol and cooling water. 90005 90002? Р 90007 БС 90008 = хζ · (l / d) · (ρ 90007 БС 90008 w 90081 2 90082/2) = (4 · 2.38 · 0.9 / 0.0075) · (776 · 0.240 90081 2 90082/2) = 25532 Pa 90005 90002? Р 90007 в 90008 = хζ · (l / d) · (ρ 90007 в 90008 w 90081 2 90082/2) = (4 · 2.01 · 0.9 / 0.0075) · (995 · 0.175 90081 2 90082/2) = 14699 Pa. 90005 .90000 Hydraulic calculations of pipelines. Calculation of pipeline diameter. Selection of pipelines 90001 90002 Example No. 1 90003 90004 What are the head losses for local resistances in horizontal pipeline having diameter of 20 x 4 mm, through which water is pumped from open reservoir to reactor with pressure of 1.8 bar? Distance between reservoir and reactor is 30 m. Water flow rate is 90 m3 / h. Total head equals to 25 m. Friction coefficient is taken equal to 0.028. 90005 90006 90004 Solution: 90005 90004 Water flow velocity in pipeline equals to: 90005 90004 w = (4 · Q) / (π · d 90012 2 90013) = ((4 · 90) / (3,14 · [0,012] 90012 2 90013)) · (1/3600) = 1,6 m / s 90005 90004 We find head friction losses in the pipeline: 90005 90004 H 90020 Т 90021 = (λ · l) / (d 90020 е 90021 · [w 90012 2 90013 / (2 · g)]) = (0,028 · 30) / (0,012 · [1,6] 90012 2 90013) / ((2 · 9,81)) = 9,13 m 90005 90004 Total losses are: 90005 90004 h 90020 п 90021 = H — [(p 90020 2 90021 -p 90020 1 90021) / (ρ · g)] — H 90020 г 90021 = 25 — [(1,8-1) · 10 90012 5 90013) / (1000 · 9,81)] — 0 = 16,85 m 90005 90004 Losses on local resistance fall within: 90005 90004 16,85-9,13 = 7,72 m 90005 90002 Example No.2 90003 90004 Water is pumped by centrifugal pump across horizontal pipeline at velocity of 1.5 m / s. Total created head equals to 7 m. What is the pipeline maximal length, if water is taken from open reservoir, pumped across horizontal pipeline with one gate valve and two 90 ° elbows and flows out from pipe to another reservoir? Pipeline diameter equals to 100 mm. Relative roughness is taken equal to 4 · 10 90012 -5 90013. 90005 90053 90004 Solution: 90005 90004 For pipe with diameter of 100 mm coefficients of local resistances will equal to: 90005 90004 For 90 ° elbow — 1.1; gate valve — 4.1; pipe outlet — 1. 90005 90004 Then we determine value of velocity head: 90005 90004 w 90012 2 90013 / (2 · g) = 1,5 90012 2 90013 / (2 · 9,81) = 0,125 m 90005 90004 Head losses for local resistances will equal to: 90005 90004 Σζ 90020 МС 90021 · [w 90012 2 90013 / (2 · g)] = (2 · 1,1 + 4,1 + 1) · 0,125 = 0,9125 m 90005 90004 We find total head losses for friction resistance and local resistances from the formula of the pump total head (geometrical lift head under these conditions equals to 0): 90005 90004 h 90020 п 90021 = H — (p 90020 2 90021 -p 90020 1 90021) / (ρ · g) — H 90020 г 90021 = 7 — ((1-1) · 10 90012 5 90013) / (1000 · 9 , 81) — 0 = 7 m 90005 90004 Then friction head losses will amount to: 90005 90004 7-0,9125 = 6,0875 m 90005 90004 We calculate value of the Reynolds number for the flow in the pipeline (water dynamic viscosity is taken as 1 · 10 90012 -3 90013 Pa · s, and density — 1,000 kg / m 90012 3 90013): 90005 90004 Re = (w · d 90020 Е 90021 · ρ) / μ = (1,5 · 0,1 · тисячі) / (1 · 10 90012 -3 90013) = 150000 90005 90004 In accordance with this number using the table we calculate a friction coefficient (the arithmetic formula is selected on the principle that value Re falls within the range of 2,320