Введение

Цель данной работы заключается в изучении влияния переходного периода на гидравлический режим теплоносителя. Научная новизна работы заключается в изучении процессов, происходящих внутри тепловой сети в переходный период.

Актуальность работы заключается в том, что последние изменения климата на планете вносят коррективы в работу тепловых сетей. Неустоявшаяся погода и многократные изменения температуры (от отрицательной к положительной в течение зимнего периода года) оказывают новые воздействия на тепловые сети. Ранее гидравлический расчёт тепловых сетей не учитывал таких перепадов температуры. Соответственно, теплоноситель предусматривался для периода устоявшихся температур — либо отрицательных, либо положительных. Данные процессы ранее не изучались. Подобные перепады температуры не носили столь длительного характера, поэтому влиянию их на тепловые сети не предавали значения. Только в последнее время при аномально тёплых температурах зимой этот вопрос стал актуальным и требует более детального изучения.

Практическая значимость заключается в том, что изучение влияния переходного периода на тепловые сети позволит проводить более тщательный гидравлический расчёт. Более точный расчёт обеспечит возможность подбора для эксплуатации трубопроводов и остального оборудования таким образом, чтобы минимизировать потери тепловой энергии на всём протяжении тепловой сети.

Под гидравлическим режимом тепловой сети понимают взаимную связь между давлениями (напорами) и расходами теплоносителя в различных точках сети в данный момент времени [1].

«Переходный период» — это период времени года, в котором температура колеблется от отрицательной к положительной. Актуальность изучения гидравлического режима тепловой сети в переходный период стала назревать в прошлом году, когда весь зимний период в средней полосе России температура колебалась от отрицательной к положительной.

По данным интернет-ресурса «Гисметео» [2], изменение температуры в январе 2020 года в городе Москве выглядело следующим образом (табл. 1, рис. 1).

Как видно из табл. 1 и рис. 1, температура колебалась около нулевой отметки на протяжении всего месяца. Похожая ситуация наблюдалась и в другие зимние периоды.

От температуры окружающей среды зависит гидравлический расчёт тепловой сети. При гидравлическом расчёте определяют диаметр трубопроводов, падение давления, устанавливают величины давления в различных точках сети, увязываются все точки системы при статическом и динамическом режимах с целью обеспечения допустимых давлений и требуемых напоров в сети и абонентских системах. Иногда в задачу гидравлического расчёта входит определение пропускной способности трубопроводов при известном их диаметре и заданной потери давления.

Результаты гидравлического расчёта позволяют решить ряд задач: определить капиталовложения, расход металла, основной объём работ по сооружению тепловой сети; установить характеристики циркуляционных и подпиточных насосов, количество насосов и их размещение; выяснить условия работы тепловой и абонентских систем и выбрать схемы присоединения абонентских установок к тепловой сети; выбрать авторегуляторы для тепловой сети и абонентских вводов; а также разработать рациональные режимы эксплуатации.

Рис. 1. Изменение температуры в январе 2020 года в Москве

Для проведения гидравлического расчёта задаются схема и профиль тепловой сети, указываются размещение станции и потребителей, расчётные нагрузки.

Гидравлический расчёт тепловых сетей, который применяют инженеры при проектировании, не учитывает переходного периода. Он сводится к следующему алгоритму: падение давления на горизонтальном участке трубопровода может быть представлено в виде двух слагаемых:

ΔP = ΔPл + ΔPм, (1)

где ΔPл — линейное падение давления, Па; ΔPм — падение давления в местных сопротивлениях, Па.

Линейное падение давления представляет собой падение давления на прямолинейных участках трубопровода за счёт трения. Падение давления в местном сопротивлении представляет собой падение давления в арматуре (задвижках, кранах и т. д.) и других элементах оборудования, размещённых неравномерно по длине трубопровода (коленах, шайбах, переходах и т. д.).

Линейное падение давления в трубопроводе определяется по формуле:

ΔPл = Rлl, (2)

где Rл — удельное линейное падение давления, то есть линейное падение давления на единицу длины трубопровода, Па/м; l — длина трубопровода, м.

Удельное падение давления в трубопроводе определяется исходя из хорошо известного уравнения д«Арси:

ФОРМУЛА 3

где w2 — скорость движения теплоносителя, м/с; λ — коэффициент гидравлического трения (безразмерная величина); ρ — плотность теплоносителя, кг/м³; d — внутренний диаметр трубы, м.

Если скорость транспортируемой среды (теплоносителя) выразить через уравнение неразрывности:

ФОРМУЛА 4

то выражение для расчёта удельного падения линейного давления примет вид:

ФОРМУЛА 5

Коэффициент гидравлического трения определяется режимом течения и характером состояния внутренней поверхности трубопровода. В области ламинарного течения коэффициент гидравлического трения не зависит от состояния внутренней поверхности и определяется по формуле Пуазёйля:

ФОРМУЛА 6

Выразив в критерии скорость через уравнение неразрывности и подставив значение l, определяемое по формуле (6), после преобразований получим:

ФОРМУЛА 7

Это выражение показывает, что линейное падение давления прямо пропорционально первой степени расхода и обратно пропорционально четвёртой степени диаметра трубопровода.

Анализ гидравлического режима тепловой сети в переходный период можно выполнить на основе пьезометрического графика (графика напоров). Данный график отвечает всем требованиям, предъявляемым к гидравлическому режиму. Пьезометрический график благодаря наглядности позволяет легко ориентироваться в гидравлическом режиме тепловых сетей и местных систем.

Проектирование сети без учёта пьезометрического графика, особенно в условиях сложного профиля, может привести к нерациональным схемам присоединения абонентов, неоправданному сооружению насосных подстанций и усложнению эксплуатации всей системы теплоснабжения в целом.

Пьезометрический график позволяет определять следующие показатели: напоры в подающем и обратном трубопроводах, располагаемый напор в любой точке тепловой сети с учётом рельефа местности и т. д. Рассматриваемый график может быть построен только после выполнения гидравлического расчёта трубопроводов — по рассчитанным величинам падения давления на участках сети. На графике в выбранном масштабе нанесены профиль трассы тепловой сети; высоты отопительных систем, присоединённых к тепловой сети, условно равные высотам зданий; величины напоров насосов в любой точке сети при статическом и динамическом режимах.

Пьезометрический график тепловой сети представлен на рис. 2.

Рис. 2. Пьезометрический график тепловой сети

Данный график тепловой сети должен удовлетворять следующим условиям:

  • давление в обратном трубопроводе Ho должно быть выше статического давления в местных системах отопления, а значит линия «обратки» должна располагаться на графике выше любого из зданий и с запасом на 3–5 м;
  • максимальное давление должно быть не выше 60 м вод. ст. (это необходимо для того, чтобы не разрушались чугунные радиаторы отопления);
  • минимальное давление должно быть не меньше 5 м вод. ст. (это необходимо для того, чтобы не происходил подсос воздуха в трубопровод теплоснабжения и не было разрывов циркуляции во внутренних системах теплоснабжения и не появлялась коррозия [2, 3]).

Рассмотрим изменение температуры в подающем/обратном трубопроводах при изменении температуры окружающего воздуха в переходный период (рис. 3) [4]. Как видно из построенного пьезометрического графика, чем выше температура окружающего воздуха, тем больше к прямой линии стремится кривая давления, как в подающем Hп, так и в обратном Ho трубопроводах. Например, синяя линия давления в трубопроводе при −2°C более искривлена, чем фиолетовая при +1°C.

Рис. 3. Изменение температуры в подающем и обратном трубопроводе при изменении температуры окружающего воздуха в переходный период

Это связано с тем, что вода меньше остывает на всём протяжении трубопровода, так как температура окружающего воздуха становится выше. Соответственно, тем меньше становится перепад температуры и тем меньше будет изменение давления в трубопроводе [5, 6].

Заключение

Как видно из полученных данных, влияние переходного периода на гидравлический режим тепловой сети требует внимания, так как в этот период времени года происходят существенные процессы, которые воздействуют на давление и теплопотери по всей длине трубопровода.

Тщательное изучение всех процессов, которые происходят в тепловой сети в переходный период, позволит осуществить более точные гидравлические расчёты и точнее подбирать наиболее подходящие материалы и оборудование.

Теоретическая значимость данного анализа заключается в проработке гидравлического расчёта для тепловых сетей с учётом влияния на них переходного периода. Колебания температуры окружающей среды от отрицательной до положительной в течение длительного времени не учтены в имеющихся методах гидравлического расчёта тепловых сетей. Поэтому процесс требует корректировки.

Практическая значимость данного анализа заключается в том, что более тщательный гидравлический расчёт тепловых сетей позволит выполнить подбор трубопроводов и оборудования для их дальнейшей эксплуатации. Более точный подбор позволит повысить безотказность работы тепловых сетей, а также существенно сократить потери тепла.