Основной особенностью наружных тепловых сетей по сравнению с внутренними системами отопления являются значительно более высокие диаметры теплопроводов и, как следствие, другой режим течения воды, который, как правило, соответствует квадратичной области гидравлического сопротивления. Кроме того, в тепловых сетях оказывается также более высокой эквивалентная шероховатость стенок труб. В силу этого для гидравлического расчёта наружных сетей приходится применять несколько иные формулы и зависимости, чем для систем отопления зданий. При этом целесообразно сравнить результаты, даваемые каждой из этих зависимостей, для наглядного выявления различий в характере гидравлических сопротивлений, а также для дополнительной оценки точности используемых выражений и пределов их применимости.
В работе [1] автором приводится аппроксимационное соотношение для удельных потерь давления на трение R [Па/м] при движении воды в трубопроводах систем водяного отопления при использовании стальных водогазопроводных труб по ГОСТ 3262:
где w — скорость воды в трубопроводе, м/с; dB — его внутренний диаметр, мм.
В то же время в публикации [2] показаны также выражения, которые могут применяться для гидравлического расчёта теплопроводов большого диаметра по ГОСТ 10704, используемых в наружных тепловых сетях.
Один из вариантов содержит зависимость R от расхода воды G [кг/ч]:
В силу определённых причин для гидравлического расчёта наружных сетей приходится применять несколько иные формулы и зависимости, чем для систем отопления зданий. При этом целесообразно сравнить результаты, даваемые каждой из этих зависимостей
Соотношение (2) справедливо при среднем значении плотности воды р = = 940 кг/м3, характерном для температур в теплосетях [3]. При других плотностях необходим пропорциональный пересчёт. С учётом связи между скоростью и расходом воды и сечением трубопровода получаем формулу в таком же виде, как и (1), но несколько отличающуюся числовыми коэффициентами:
Сопоставление значений R, определяемых по формулам (1) и (3), можно наглядно показать с помощью рис. 1, где различные линии соответствуют как водогазопроводным трубам систем отопления, так и электросварным трубам в тепловых сетях. Для расчётов были выбраны четыре диаметра Dy50, Dy65, Dy80 и Dy100, являющиеся переходными между рассматриваемыми типами трубопроводов. Видно, что при скоростях в диапазоне 0,6—1,0 м/с удельные потери давления в обоих случаях изменяются практически одинаковым образом, но выражение (3) даёт величину R примерно на 16-20 % больше.
Это объясняется главным образом тем, что для теплосетей принята более высокая эквивалентная шероховатость труб, чем в системах водяного отопления, а именно — 0,5 вместо 0,2 мм [3, 4].
Заметим ещё, что в практике гидравлических расчётов тепловых сетей местные сопротивления принято учитывать в виде эквивалентных длин, то есть в виде добавки lэ к длине соответствующего участка теплопровода l. Из очевидного равенства величины потерь давления на местном сопротивлении ΔРм = ζРд = Rlэ, где ζ — коэффициент местного сопротивления (КМС), с учётом выражения для динамического давления Рд = pw1 2 3 4 5 6/2 и для R из формулы (3), можно получить формулу для вычисления lэ:
Как и в формуле (3), величину dв необходимо здесь подставлять в [мм]. Значения КМС для различных сопротивлений можно принимать по справочным данным. В частности, для наиболее часто встречающихся случаев пересчётом из [3] можно получить табл. 1.
При этом, как было показано в работе [2], формула для экономически наиболее целесообразного диаметра трубопроводов теплосетей dв.опт, при оптимальной скорости wопт около 0,9 м/с, получается в следующем виде, где G следует подставлять в кг/ч:
Однако в работе [3] и некоторых других источниках рекомендуется при выборе диаметра трубопровода для заданного расхода учитывать, что величина R вдоль основного расчётного направления (то есть от источника теплоты до наиболее удалённого потребителя) должна составлять не более 80 Па/м. Если подставить данное значение в правую часть уравнения (2) и выразить оттуда dв.опт, соответствующая формула будет выглядеть следующим образом:
На рис. 2 приведено сопоставление результатов расчёта dв.опт по выражениям (5) и (6). Видно, что оба подхода к выбору dв.опт дают качественно близкие результаты. При этом экономически обоснованный уровень диаметра при средних и высоких расходах оказывается даже несколько выше, примерно на 15-20 %, что соответствует более низким значениям R — от 20 до 60 Па/м. В принципе, это не противоречит рекомендациям [3], поскольку величина 80 Па/м там обозначена как максимально допустимая. В настоящее время, однако, строительные нормативы требуют определять dв.опт именно из технико-экономических соображений. В частности, такое указание имеется уже в документе [5], так что использование формулы (6) является наиболее обоснованным.
Заметим ещё, что во внутренних системах холодоснабжения при больших холодильных нагрузках диаметры трубопроводов также могут оказаться значительными и соответствующими условиям, рассматриваемым в данной работе. Тогда, если вместо воды используются низкозамерзающие холодоносители, в формулу (3) необходимо вводить поправочный коэффициент для учёта изменения физических свойств среды.
Из-за того, что режим течения в данном случае квадратичный, этот коэффициент будет равен только отношению плотности антифриза к плотности воды ρа / ρ, или, поскольку величина ρ считается равной 972 кг/м3 [4], этот коэффициент допускается принимать по табл. 2, которую можно составить по данным работы [1] с учётом [6].
Таким образом, формулы и таблицы, приведённые в настоящей работе, очень просты, наглядны и доступны для инженерных расчётов, особенно при использовании электронных таблиц MS Excel, а также в учебном процессе. Они вполне обеспечивают требуемую точность в широком диапазоне скоростей и расходов воды и диаметрах вплоть до dK = 325 мм. Этого вполне достаточно для проектирования водяных тепловых сетей в большинстве современных случаев.
