4.4. Лабораторная работа № 4 Определение и исследование сопротивления сети закрытой системы теплоснабжения

Лабораторная работа дисциплины «Теплогазоснабжение с основами теплотехники», продолжительность работы, 2 часа; самостоятельная подготовка, 2 часа

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является экспериментальное определение сопротивления сети, исследование изменения сопротивления сети закрытой системы теплоснабжения, с целью получения навыков расчета гидравлической характеристики сети.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА

B системах централизованного теплоснабжения (СЦТ) по тепловым сетям подается теплота различным тепловым потребителям. Несмотря на значительное разнообразие тепловой нагрузки, ее можно разбить на две группы по характеру протекания во времени: 1) сезонная; 2) круглогодовая.

Изменения сезонной нагрузки в основном зависят от климатических условий: температуры наружного воздуха, направления и скорости ветра, солнечного излучения, влажности воздуха и т.п. Наибольшее влияние оказывает наружная температура. Сезонная нагрузка имеет сравнительно постоянный суточный график и переменный годовой график нагрузки. K сезонной тепловой нагрузке относятся отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха. К круглогодовой – нагрузка на горячее водоснабжение и на промышленные нужды.

Основная задача отопления заключается в поддержании внутренней температуры помещений на заданном уровне. Для этого необходимо сохранение равновесия между тепловыми потерями здания и теплопоступлениями. Условие тепловогo равновесия здания может быть выражено в виде равенства [16]:

, (4.18)

– суммарные тепловые потери здания, Вт;– теплопотери теплопередачей через наружные ограждения, Вт;– теплопотери на инфильтрацию, связанные с поступлением наружного воздуха через неплотности наружных ограждений, Вт;– прочие теплопотери, Вт;– теплопоступления от системы отопления здания, Вт;– внутренние тепловыделения (от оборудования, от бытовых приборов, от электронной техники, от людей и т.д.), Вт;– теплопоступления от инсоляции (от солнечного излучения), Вт.

Системы теплоснабжения разделяются на децентрализованныеицентрализованныев зависимости от размещения источника теплоты по отношению к потребителям.

B децентрализованных системах источник тeплoты и теплоприемники потребителей либо совмещены в одном агрегате, либо размешены столь близко, что передача теплоты от источника до теплоприемников может осуществляться практически без промежуточного звена тепловой сети. Системы децентрализованного теплоснабжения разделяются на индивидуальныеи местные.

B системах централизованного теплоснабжения источник теплоты и теплоприемники потребителей размещены раздельно, поэтому теплота от источника до потребителей передается по тепловым сетям.

Тепловая сеть– совокупность устройств (включая центральные тепловые пункты, насосные станции), предназначенных для передачи тепловой энергии, теплоносителя от источников тепловой энергии до теплопотребляющих установок [15,11,16].

B зависимости от степени централизации системы централизованного теплоснабжения можно разделить на следующие четыре группы: групповое – теплоснабжение от одного источника группы зданий; районное – теплоснабжение от одного источника нескольких групп здании (района); городское – теплоснабжение от одного источника нескольких районов; межгородское – теплоснабжение от одного источника нескольких городов.

Комплекс установок, предназначенных для подготовки, транспортировки и использования теплоносителя, представляет собой систему централизованного теплоснабжения.

Открытые системы теплоснабжения– системы, в которых происходит водоразбор горячей воды для нужд потребителя непосредственно из теплосети. При этом водоразбор может быть частичным или полным. Оставшаяся в системе горячая вода используется для отопления и вентиляции. Расход воды в теплосети при этом компенсируется дополнительным количеством воды, подающимся в тепловую сеть. Основное преимущество открытой системы теплоснабжения – ее экономическая выгода. В советский период примерно 50% всех систем теплоснабжения были открытого типа.

Недостатки открытой системы теплоснабжения. Основной недостаток – невысокое санитарно-гигиеническое качество воды. Отопительные приборы, трубопроводные сети придают воде цветность, запах, появляются различные примеси, бактерии. Для очистки воды в открытой системе применяются различные методы, но их использование снижает экономический эффект. Другим недостатком является гидравлическая связь между наружными тепловыми сетями и абонентскими системами потребителя. Увеличение водоразбора в системе горячего водоснабжения потребителя ведет к изменению гидравлических параметров эксплуатации наружных тепловых сетей.

По принципу присоединения абонентских систем отопления система теплоснабжения может присоединяться к теплосетям по зависимой(через элеваторы, насосы, регулирующие клапаны) инезависимой(через поверхностные теплообменники) схеме. Независимая открытая система дороже, однако она позволяет улучшить санитарно-гигиеническое качество воды.

Закрытые системы теплоснабжения– системы, в которых циркулирующая в наружных тепловых сетях вода используется только, как греющий теплоноситель, и не отбирается из теплосети для обеспечения горячего водоснабжения. Система в этом случае полностью закрыта от окружающей среды (подающий и обратный трубопроводы наружных сетей гидравлически закрыты от абонентских систем потребителя). Безусловно, и в такой системе возможна незначительная утечка теплоносителя. Потери воды восполняются с помощью регулятора подпитки автоматически.

Подача тепла в закрытой системе теплоснабжения регулируется централизованно, при этом количество теплоносителя (воды) остается в системе практически неизменным, а расход тепла зависит от температуры циркулирующего теплоносителя. В закрытых системах теплоснабжения, как правило, используются возможности тепловых пунктов. К тепловым пунктам теплоноситель поступает от поставщика тепловой энергии (ТЭЦ, котельная и т.д.), а центральные тепловые пункты районов регулируют температуру теплоносителя до необходимой величины для нужд отопления и горячего водоснабжения, и распределяют потребителю. Преимущества закрытой системы теплоснабжения - высокое качество горячего водоснабжения, энергосберегающий эффект. Недостаток – сложности водоподготовки из-за удаленности тепловых пунктов друг от друга.

Схема тепловой сети определяется размещением источников теплоты (ТЭЦ или котельных) по отношению к району теплового потребления, характером тепловой нагрузки потребителей района и видом теплоносителя [16].

Водяные системы теплоснабжения являются сложными гидравлическими системами, в которых работа отдельных звеньев находится во взаимной зависимости. Для правильного управления и регулирования необходимо знать гидравлические характеристики работающего оборудования – циркуляционных насосов и тепловой сети.

Гидравлическая характеристика насоса представляет собой зависимость перепада давлений, создаваемого насосом, от объемного расхода (подачи) насоса V.

При постоянной величине частоты вращения рабочего колеса центробежного насоса рабочий участок характеристики насоса приближенно (для инженерных задач) можно описать выражением [16]:

, (4.19)

где – условное давление, Па, создаваемое насосом при объемном расходе, м³/с;– условное внутреннее гидравлическое сопротивление насоса, Па^.с²/м⁶. При постоянной частоте вращения мощность, потребляемая насосом, может быть определена по формуле:

, (4.20)

,– мощность, Вт, и подача, м³/с, насоса при номинальном (с максимальным коэффициентом полезного действия) режиме;– мощность насоса при объемном расходе;– коэффициент холостого хода;– мощность насоса на холостом ходу (при), Вт. Коэффициент холостого хода[16].

В номинальном режиме мощность, потребляемая насосом, определяется выражением:

, (4.21)

– перепад давлений, развиваемый насосом в номинальном режиме, Па;– объемный расход (подача) насоса, м³/с;– коэффициент полезного действия (КПД) насосной установки;,– КПД насоса, КПД электродвигателя соответственно.

В номинальном режиме . При турбулентном режиме движения жидкости (воды), реализуемом в трубопроводах тепловых сетей, потери давления (напора) подчиняются квадратичному распределению. В этой связи, характеристика тепловой сети представляет собой квадратичную параболу, описываемую уравнением [16]:

, (4.22)

– падение давления, Па;– объемный расход воды, м³/с;– сопротивление сети, выраженное в единицах давления (падение давления при), Па^.с²/м⁶.

Падение давления можно рассчитать по выражению [16]:

, (4.23)

– падение давления по длине трубопровода, Па;– падение давления в местных сопротивлениях, Па;– коэффициент местных сопротивлений,– эквивалентная длина местных сопротивлений, м;– длина трубопровода, м;– удельное падение давления по длине трубопровода, определяемое по формуле Дарси-Вейсбаха, Па/м;– коэффициент гидравлического трения;– скорость движения теплоносителя, м/с;– плотность теплоносителя, кг/м³;– диаметр трубопровода, м.

Эквивалентной длинойназывается длина такой прямой трубы, при пропуске через которую такого же расхода жидкости, как и через данное местное сопротивление, возникают равные потери давления.

Эквивалентная длина для одного местного сопротивления , тогда эквивалентная длина местных сопротивлений будет следующей , гдеd_у – условный диаметр трубопровода, м; – величина эквивалентной относительной шероховатости, м, принимаемая по справочным данным [16].

Из формул (4.22) и (4.23) получается выражение для определения сопротивления сети [16]:

, (4.24)

– коэффициент пропорциональности[16].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 4.16.

Рисунок 4.16 – Схема экспериментальной установки: 1 – подача теплоносителя из системы водоснабжения; 2 – расширительный бак; 3 – U-образный манометр; 4 – система пьезометров; 5 – регулирующая арматура; 6 – переливная трубка; 7 – слив в канализацию

Экспериментальная установка состоит из сети трубопроводов с диаметром труб 10…20 мм, системы пьезометрических трубок для измерения напора, расхода методом местных сопротивлений, регулирующей арматуры, служащей для моделирования падения давления по длине трубопровода и в местных сопротивлениях; накопительного бака; спускного патрубка для присоединения водомерного сосуда.

МЕТОДИКА

1. По данным пьезометров строится пьезометрический график для рассматриваемого гидравлического режима работы сети.

2. Падение давления на участках сети определяется по показаниям пьезометрических трубок, а именно: разностью их показаний

, (4.24)

где – падение давления на первом участке (по показаниям пьезометров).

3. Расход воды определяется с помощью водомерного сосуда

, (4.25)

где – объемный расход воды в системе, м³/с; – объем водомерного сосуда, л; – время заполнения водомерного сосуда, мин.

4. По известным диаметрам труб (м) определяется скорость движения воды на участках сети:

(4.26)

где – площадь сечения трубопровода,м²; – внутренний диаметр трубопровода, м; – объемный расход воды, м³/с.

5. Массовый расход теплоносителя, используемый при расчете потерь давления рассчитывается как

. (4.27)

6. Сопротивления сети закрытой системы теплоснабжения определяется по формуле:

, (4.28)

где обозначения см. выше.