5.4. Гідравлічний режим теплових мереж

Гідравлічний режим теплових мереж створює вирішальне значення на якість теплопостачання споживачів теплоти. У свою чергу гідравлічний режим в основному залежить: від характеристики мережевих насосів, встановлених в джерелі теплопостачання; від профілю місцевості, на якій прокладені теплові мережі; пропускної спроможності теплових мереж і якості їх експлуатації та ремонту. При русі мережева вода стикається із стінками теплопроводів і під впливом тертя шари води, дотичні із стінками теплопроводів, мають меншу швидкість руху в порівнянні з шарами води, рухомими в центрі потоку теплопроводів. Коли швидкість руху води в теплопроводах невелика, то цей рух буде відносно рівномірним по всьому перетину теплопроводів. Такий рух води називається ламінарним. При великих швидкостях виникають завихрення руху води, який називається турбулентним. По тому як здійснюється рух мережевої води в теплопроводах, судять про втрату напору. При турбулентному русі збільшується втрата напору і ускладнюється розподіл швидкостей потоку води і напору (тиск).

Рис. 5.1. Зміна тиску в теплопроводах теплових мереж

1, 2, 3, 4, 5, 6 – ділянки теплопроводу; 7 - теплові мережі; 8 - мережевий насос

Розглянемо співвідношення між швидкостями руху води в теплопроводах і тиском. На рис. 5.1 показані теплові мережі, пов'язані з мережевим насосом. На певних ділянках до теплопроводу приєднані вертикальні трубки для вимірювання тиску (напору). Якщо мережевий насос не працюватиме, то вода за законом сполучених посудин у всіх трубках буде на одному рівні по лінії АБ. Висота стовпа води, що знаходиться у спокої, показуватиме статистичний тиск. Але як тільки включиться в роботу мережевий насос, мережева вода в теплопроводах прийде в рух. У подавальному теплопроводі по ходу руху мережевої води після мережевого насоса створюється певний шпор, який на рис.5.1 позначений буквою Н. Вимірюється шпор в метрах водяного стовпа (м.вод.ст.). При цьому 10 м.вод.ст. відповідає тиску 0,1 МПа (1 кгс/см²).

На прямолінійній ділянці теплопроводу 1-3, де перетин його однаковий, рівень води в трубках буде поступовий і рівномірно знижуються по напряму руху води. На даній ділянці теплопроводу однаковий перетин а, отже, відсутні істотні опори руху мережевій воді в теплопроводі. Вода переміщується з постійною швидкістю і рівномірним падінням напору. Втрати напору, на цій ділянці, виникають через тертя потоку води об стінки теплопроводу. Ці втрати називають лінійними. Різкі звуження або розширення труб, повороти труб, встановлені засувки, вентилі, компенсатори і т.п, створюють на шляху руху потоку води додаткові опори, які називаються місцевими втратами.

На ділянці 3-4 є різке звуження теплопроводу. У цьому місці швидкість потоку води збільшується, а напір різко падатиме. Але на ділянці 4-5 в місці розширення теплопроводу швидкість потоку зменшується, а напір збільшується. На ділянці 5-6 потік води проходить П-подібний компенсатор і тут наочно видно продовження падіння напору. Якщо збільшити напір (тобто встановити насос в джерелі теплопостачання з великим напором) швидкість руху води в теплопроводах збільшиться, виникне великий опір руху потоку води, а отже, напір теж різко падатиме. Чим чистіша внутрішня поверхня теплопроводів, тим менший опір при русі в них потоку води. Цю обставину враховують, коли планують на літній період промивку теплових мереж. Слід відмітити ще один важливий фактор. У місцях розгалужень теплових мереж потік води в більшій кількості спрямується в теплопроводи з великим діаметром, чим у відгалуження з малими діаметрами.

Розрахунок гідравлічного режиму теплових мереж має за мету наступні завдання: а) тиск в подавальному і зворотному теплопроводах повинен забезпечувати надійну роботу всіх систем опалення споживачів теплоти (для елеваторних приєднань різниця тиску між подавальним і зворотним теплопроводами перед елеватором повинен бути не меншого 15 м. вод. ст.); б) тиск в тепловій мережі не повинен перевищувати допустимого тиску для роботи систем опалення споживачів теплоти; в) тиск в усіх точках мережі і в системах опалення не повинен бути нижчий за атмосферний, щоб уникнути потрапляння повітря в теплопроводи і системи опалення будівель; г) тиск в теплопроводах або в будь-якій точці системи опалення, де температура мережевої води вище 100 °С, не повинен бути нижче за тиск пароутворення, щоб уникнути гідравлічних ударів і пов'язаних з ним руйнуваннями систем опалення. При регулюванні гідравлічного режиму необхідно, щоб якомога менше втрачався напір, що розвивається мережевими насосами джерела теплопостачання, і якомога більше був надлишок цього напору на вводах до споживачів теплоти. При цьому стійкіше працюватимуть теплові мережі і системи опалення. Поглинання надмірного напору на вводах до споживача теплоти досягається шляхом правильного розрахунку діаметру сопел і підбору елеваторів.

Заздалегідь визначають витрати теплоти на опалення, вентиляцію і гаряче водопостачання будівель в кДж/год (ккал/год), підключених до певної ділянки теплових мереж. Потім отриману кількість теплоти переводять в ГДж/год (Гкал/год). Система теплопостачання працює при стандартних температурних графіках: Δt = 150 - 70°С, Δt = 130 - 70°С, Δt = 95 - 70°С . Отже, відомими даними на первинну стадію розрахунку гідравлічного режиму повинні бути обов'язково: теплове навантаження ділянки теплової мережі в ГДж/год (Гкал/год) і температурний графік в °С. По довідковій літературі визначаємо по тепловому навантаженню два значення для подальшого розрахунку: d - діаметр теплопроводів, м; R - питома втрата тиску на тертя на 1 м протяжності теплопроводів, МПа (кгс/см²). Таким чином, лінійні втрати тиску всієї ділянки теплових мереж визначають по формулі, МПа (кгс/см²):

(5.1)

де 1 - довжина ділянки теплових мереж, м.

Для визначення місцевих втрат тиску на даній ділянці теплових мереж потрібно спочатку визначити витрату мережевої води G по наявному тепловому навантаженню в КДж/год (ккал/год) Q по формулі, кг/год:

(5.2)

звідси швидкість руху мережевої води на даній ділянці теплової мережі може бути визначена по формулі, м/с:

(5.3)

Прийнявши для теплових мереж еквівалентну шорсткість внутрішніх стінок, теплопроводів k_е = 0,5 мм визначимо значення критерію к_е:

Rе =568(d/k_е) (5.4)

Тоді коефіцієнт гідравлічного тертя сталевих труб рівний:

(5.5)

Еквівалентну довжину місцевих опорів визначають по формулі, м (5.6)

де - сума коефіцієнтів місцевих опорів. Цю величину приймають по табл. 30. Тоді місцеві втрати тиску на ділянці теплової мережі складуть, МПа (кгс/см² ):

(5.7)

Сумарне падіння, тиску в теплопроводах ділянки теплових мереж складається з лінійних і місцевих втрат і визначається по формулі, МПа (кгс/см2):

(5.8)

При цьому 0,1 МПа (1 кгс/см²) 10 м. вод. ст. = 10000 кгс/см² = 10000 мм. вод. ст.

Для виробництва розрахунку гідравлічного режиму теплових мереж необхідно мати: а) схему теплових мереж з вказівкою довжин, арматури, компенсаторів і фасонних частин; б) дані про розрахункові витрати теплоти і мережевої води на окремих ділянках теплових мереж; в) стандартний температурний графік.

Нерідко до існуючих теплових мереж приєднують знов побудовані будівлі з своїми системами опалення і іноді це здійснюється без проекту, навіть без попереднього розрахунку гідравлічного режиму. При цьому слід мати на увазі, що існує квадратична залежність витрати від напору. Так, наприклад, при збільшенні витрати мережевої води по тепловій мережі в 2 рази необхідно збільшити напір в 4 рази. Збільшуючи напір в 2 рази, витрата збільшується в 1,4 рази. При зменшенні діаметру теплопроводів теплових мереж в 2 рази, падіння напору зростає в 25, разів або майже в 26 разів. Існуючі теплові мережі дуже часто розраховані тільки для роботи існуючих споживачів теплоти і тому додаткове підключення нових споживачів теплоти може порушити гідравлічний режим роботи теплових мереж і систем опалення всіх опалювальних будівель житлового району. Разом з цим різко погіршає теплопостачання житлових будівель цього району.