И.М. Сапрыкин, главный технолог,
ООО ПНТК «Энергетические Технологии», г. Нижний Новгород

Введение

В системах теплоснабжения имеются весьма значительные резервы экономии теплоэнергетических ресурсов, в частности тепловой и электрической энергии.

В последнее время на рынке появилось много нового высокоэффективного оборудования и технологий, направленных на повышение комфортности проживания и экономичности систем теплоснабжения. Правильное применение новаций предъявляет высокие требования к инженерному корпусу. К сожалению, с инженерными кадрами происходит обратное явление: снижение численности квалифицированных специалистов в сфере теплоснабжения.

Для выявления и наилучшего использования резервов экономии необходимо в том числе знание законов регулирования отпуска теплоты. В технической литературе вопросам практического применения режимов регулирования отпуска теплоты не уделено должного внимания. В этой статье сделана попытка восполнить этот пробел, при этом предложен несколько иной подход к формированию основных уравнений, описывающих режимы регулирования отпуска теплоты, чем изложенные в технической литературе, например .

Описание предлагаемых методик

Известно, что законы регулирования отопительных нагрузок зданий могут быть получены из системы трех уравнений, описывающих тепловые потери здания через ограждающие конструкции, теплоотдачу нагревательных приборов в здании и подачу теплоты по тепловым сетям. В безразмерном виде эта система уравнений выглядит следующим образом местной воды, т. е. приводит к количественно-качественному изменению параметров воды местной системы отопления. Прекращение подачи сетевой воды в элеватор вызывает немедленное прекращение циркуляции воды в местной системе отопления и, соответственно, быстрое прекращение подачи тепла в отапливаемые помещения.

Этот проект является прототипом, и поэтому испытания не должны использоваться на людях, а только на контролируемых теплогенераторах. В этой статье описывается конструкция прототипа для измерения теплового потока с использованием метода прямой калориметрии с использованием датчиков для определения изменений температуры; раскрываются различные этапы прототипа и критерии выбора устройств для построения аппаратного обеспечения, а также основные характеристики программного обеспечения, разработанные для представления полученных данных.

Рис. 5.3. Графики температур (а) и относительных расходов (б) воды в тепловой сети и местной системе отопления при качественном и количественном регулировании отпуска тепла

1, 1’ - температура воды в подающем трубопроводе тепловой сети соответственно при качественном н количественном регулировании; 2, 2’- температура воды в местной системе отопления соответственно при качественном и количественвом регулировании; 3, 3’- температура обратной воды соответственно при качественном и количественном регулировании; 4,4" - относительный расход воды cоответственно при качественном и количественном регулировании

Клинические заболевания и постхирургическое заболевание обычно повышают затраты энергии как часть метаболического ответа организма на стресс, который представляет это условие распада у пациента. Это увеличение зависит от тяжести заболевания и степени страдания или от определенных состояний, таких как наличие лихорадки, инфекционные осложнения и терапевтические меры, принятые для ее выздоровления.

Мониторинг метаболизма у пациентов, находящихся в послеоперационном состоянии, является важным аспектом процесса восстановления и выявления возможных энергетических или питательных дисбалансов, которые препятствуют правильному продвижению их здоровья. Этот контроль и контроль за питанием можно определить с помощью изменений количества тепла, выделяемого организмом в процессе производства и потребления энергии.

Рассмотрим некоторые особенности регулирования отпуска тепла на отопление. Основная особенность состоит в том, что в теплоснабжаемом районе могут быть здания с различным значением относительных внутренних тепловыделений по отношению к потерям тепла через наружные ограждения. Следовательно, при одной и той же наружной температуре к разным зданиям должна поступать сетевая вода с разной температурой что практически невозможно. В этих условиях наиболее рациональным является назначение температур воды в сети по расходу тепла на отопление жилых зданий. Объясняется это следующими причинами: во-первых, на жилые здания приходится до 75% суммарного расхода тепла на отопление жилых и общественных зданий городской застройки, а во-вторых, учет внутренних тепловыделений в жилых зданиях позволяет сократить годовой расход тепла на их отопление на 10%. Для тех общественных зданий, относительные внутренние тепловыделения в которых в период пребывания в них людей меньше, чем в жилых зданиях, недостаточная температура воды в тепловой сети должна компенсироваться увеличением расхода сетевой воды.

Чтобы провести исследование энергии, необходимо определить вещество или область в интересующем пространстве, в этом случае человеческое тело, которое отделено изолирующим и защитным слоем, известным как кожа, который будет называться границей, поскольку он изолирует изучаемую систему от ее окружения. Эта система, несмотря на ее изоляцию, находится в непрерывном обмене массой и энергией, необходимой для поддержания ее функционирования; эта концепция известна в термодинамике как открытая система . Масса и энергия можно понимать как продукты, вещества и питательные вещества, которые входят в систему и вмешиваются во внутренний метаболизм для производства других видов энергии, которые отвечают различным требованиям организма.

Активное регулирование отпуска тепла (абонентское, приборное и т. п.) должно только уменьшать теплоотдачу нагревательных дриборов по сравнению с ее нормированным значением, но ни в коем случае не превышать этого значения. Обусловливается это тем, что в настоящее время централизованное теплоснабжение рассчитывается на лимитированный отпуск тепла на отопление (в размере, необходимом для поддержания, нормативного значения температуры воздуха в отапливаемых помещениях). При этом ограничении всякий перерасход тепла одним из абонентов системы теплоснабжения- или одним из приборов местной системы отопления влечет недополучение тепла другим абонентом или другим прибором.

Основным продуктом и мотивом нашего исследования с точки зрения энергии является тепло. Термодинамика - это отрасль физики, известная как наука о энергии, и позволяет нам находить различные отношения между теплом и его способностью производить работу. Можно рассматривать проблему измерения потока тепла с помощью изменения температуры, пока есть четкое знание термодинамических представлений о тепловом потоке и температуре. Эти два параметра коррелированы, но не представляют одинакового.

Температура представляет собой физическую величину , которая позволяет узнать степень концентрации тепловой энергии. В частности, температура является физическим параметром, описывающим систему, которая характеризует теплоту или передачу тепловой энергии между одной системой и другими, а тепловой поток - скорость передачи энергии на единицу площади. Тепло понимается как энергетическое взаимодействие и происходит только из-за разницы температур. Теплопередача - это обмен тепловой энергией.

Теоретическое обоснование методики гидравлического расчета трубопроводов водяных тепловых сетей (применение уравнения Дарси, предельное число Рейнольдса, практические скорости теплоносителя, гидравлический режим работы).

В результате гидравлического расчета тепловой сети определяют диаметры всех участков теплопроводов, оборудования и запорно-регулирующей арматуры, а также потери давления теплоносителя на всех элементах сети. По полученным значениям потерь давления рассчитывают напоры, которые должны развивать насосы системы. Диаметры труб и потери давления на трение (линейные потери) определяют по формуле Дарси

Где он представляет количество тепла, передаваемого во время процесса между двумя состояниями. Тепло обычно передается тремя различными способами : проводимостью, конвекцией и излучением. Проведение - это передача энергии от более энергичных частиц вещества к соседним менее энергетическим частицам из-за прямого взаимодействия между ними. Конвекция - это передача энергии между твердой поверхностью и смежной жидкостью или газом, который находится в движении. Радиация - это энергия, излучаемая веществом электромагнитными волнами; для исследований теплообмена более важно, что тепловое излучение, которое излучается телами из-за их температуры, чем выше температура, тем больше излучение, излучаемое системой.

где - потери давления на трение (линейные), Па; - коэффициент трения; l, d- длина и диаметр участка трубопровода, м; w-скорость потока, .м/с; - плотность теплоносителя, кг/м 3 .

Если энергию потока, Дж, отнести к единице силы, Н, получим формулу для расчета потерь напора, м. Для этого все члены уравнения (7.1) следует разделить на удельный вес, Н/м 3:

Связь между температурой и температурой получена из закона охлаждения Ньютона, который гласит, что при условии, что между окружающей средой и анализируемым телом не существует большой разницы, скорость теплообмена может быть найдена на единицу время к телу или от тела излучением, конвекцией и проводимостью, которая, в свою очередь, приблизительно пропорциональна разнице температур между телом и внешней средой.

Метаболизм - это сумма всех химических реакций, необходимых для преобразования энергии в живые существа и обычно характеризуется скоростью метаболизма, которая определяется как скорость преобразования энергии во время этих химических реакций. Тепло является конечным продуктом более 95% энергии, выделяемой в организме, когда нет внешнего потребления энергии.

(7.2)

Коэффициент трения зависит от режима движения жидкости, характера шероховатости внутренней поверхности трубы и высоты выступов шероховатости k.

Движение теплоносителя в водяных и паровых сетях характеризуется турбулентным режимом. При относительно небольших значениях числа Рейнольдса (2300

Процесс мониторинга затрат энергии должен проводиться в условиях полного отдыха. Расходы энергии человека, когда они находятся в этих условиях, известны как базальный метаболизм, и именно в этих контролируемых условиях используются методы измерения теплового потока.

Калориметрия - это метод измерения теплоты химической реакции или покоящегося вещества. В настоящее время для измерения теплового потока в медицинских приложениях используются два метода. Это процесс, посредством которого измеряется расход кислорода, который используется непосредственно в окислительном метаболизме, то есть реакции, которые происходят между кислородом и пищей для выработки энергии. Более 95% энергии, потребляемой организмом, происходит от реакций кислорода с разными продуктами питания, поэтому можно рассчитать скорость метаболизма всего организма от скорости использования кислорода.

(7.3)

С развитием турбулентности потока толщина ламинарного слоя уменьшается, выступы шероховатости начинают возвышаться над ним и оказывать сопротивление движению потока. При этой в потоке наблюдается как вязкостное, так и инерционное гидравлическое сопротивление. Последнее связано со срывом турбулентных вихрей с выступов шероховатости. Турбулентные вихри оказывают инерционное сопротивление ускорению, возникающему вследствие перемещения их в зону больших скоростей к оси потока.

Он основан на процессе, описываемом термодинамикой, и отвечает за измерение количества тепла, выделяемого телом внутри калориметра. Человек вводится в изолированную камеру с контролируемыми температурными условиями. Тепло, генерируемое пациентом, приводится в движение окружающим воздухом и вынуждено проходить через воду, окружающую камеру. Используя определение калорий и зная начальную температуру воды, вы можете получить количество калорий, генерируемых индивидуумом внутри калориметра.

Стоимость, сложность и время, требуемые этим методом, не позволяют его применение регулярно и ограничиваются только областью исследований и ее использованием в ограниченном количестве мест в мире. Метод Косвенной Калориметрии не дает необходимой точности, поскольку постоянная потребления кислорода изменяется в зависимости от тела с учетом переменных пола, возраста, массы тела и других факторов; Кроме того, это неудобная процедура как для пациента, так и для членов медицинской бригады. С другой стороны, метод прямой калориметрии, использующий измерительную камеру, является очень дорогостоящим, он позволяет только обратить внимание одного человека на камеру, что подразумевает низкую эффективность предоставления услуг пациентам, которым необходим этот тип будьте осторожны.

Рассмотренные режимы движения относятся к переходному турбулентному режиму. Установившийся турбулентный режим характеризуется квадратичным законом сопротивления, когда сопротивление обусловлено наличием инерционных сил и не зависит от вязкости жидкости. Коэффициент трения для этого режима рассчитывают по формуле Б. Л. Шифринсона:

В качестве предложения по решению проблемы, представленной двумя описанными выше методами измерения теплового потока, предлагается модель со следующими характеристиками. Высокий коэффициент отклонения общего режима. Фактор отклонения высокого источника.

Хорошее отношение сигнал / шум. Высокая помехоустойчивость 60 Гц. Возможность будущего беспроводного соединения. Каждый из этапов предназначен для использования с технологией поверхностного монтажа, что делает возможным небольшой размер для удобного управления и транспортировки модуля. Прототип имеет акриловую инкапсуляцию, которая изолирует датчик от цепи, а это, в свою очередь, от батареи, которая защищает измеренные данные от помех с элементами схемы и предотвращает пороки развития сигнала мощности, создаваемого генератором.

(7.4)

где k э - абсолютная эквивалентная равномерно - зернистая шероховатость, которая создает гидравлическое сопротивление, равное действительному сопротивлению трубопровода; k э /d - относительная шероховатость.

Предельное число Рейнольдса, разграничивающее переходный и установившийся турбулентные режимы, равно

При Re>Re np наблюдаетсяквадратичный закон сопротивления. Определим предельную скорость движения воды, соответствующую квадратичному закону сопротивления. Максимальные расходы воды в тепловых сетях отвечают точке излома графика температур, поэтому предельный режим рассчитаем для температуры воды t-70°C, при которой v=0,415-10 -6 м 2 /с. Эквивалентная шероховатость для водяных сетей k э =0,0005 м. Тогда:

На рисунке 1 показан обзор системы с помощью блок-схемы. Ниже приведены этапы проектирования прототипа. Характеристика измеряемой переменной. Температура у человека имеет определенное поведение и пределы, определяемые различными реакциями, которые могут иметь тело.

Датчик, используемый для этого прототипа, представляет собой термистор, который проиллюстрирован на рисунке. Он имеет эпоксидное покрытие, которое покрывает полупроводниковый материал, изолированные кабели, которые облегчают манипуляции внутри электронной схемы и небольшие размеры, которые соответствуют характеристикам модуля.

Скорость движения воды в теплопроводах обычно превышает 0,5 м/с, следовательно, в большинстве случаев они работают в области квадратичного режима.

Предельную скорость движения пара среднего давления, соответствующую границе области квадратичного закона сопротивления, определим при давлении р=1,28 МПа (абсолютном). При этом давлении температура насыщения t=190°С, а кинематическая вязкость = = 2,44-10 -6 м 3 /с. Предельная скорость при k э =0,0002 м будет равна:

Сопротивление против Температура термистора не является линейной; однако в пределах температуры тела, в которой он работает, термистор имеет характеристику, очень близкую к прямой. Представлена ​​математическая модель используемого термистора. Понятно, что сходство между кривыми приемлемо для принятия математической модели. Мост Уитстона используется для обнаружения изменений сопротивления.

В мост Уитстона был добавлен ограничительный резистор 12, 1 кОм, который генерирует делитель напряжения для поддержания дифференциального выхода максимум на 320 мВ; более высокое напряжение генерирует насыщенность в измерительном усилителе. На рисунке 5 показана схема, используемая на этапе амплификации.

В паропроводах скорость обычно больше 7м/с, следовательно, они также работают в области квадратичного режима.

Для насыщенного пара низкого давления при t=115°C, р = 0,17 МПа (абсолютном) и = 13,27-10 -6 м 2 /с предельная скорость соответственно равна:

Эта скорость близка к максимальной в паропроводах, поэтому паропроводы низкого давления работают в основном в области гидравлически гладких труб.

Расчет гидравлического сопротивления для переходногр и установившегося турбулентных режимов можно вести по универсальной формуле А. Д. Альтшуля:

(7.5)

При Re k э /d68 она совпадает с формулой Б. Л. Шифринсона (7.4).

При гидравлических расчетах принимают следующие значения абсолютной эквивалентной шероховатости внутренней поверхности труб:

Тепловые сети Паровые Водяные Горячего водоснабжения и конденсатопроводов

k э,м. 0,0002 0,0005 0,001

20 Задачи и общие положения методики инженерного гидравлического расчета трубопроводов тепловых сетей. Определение расчетных расходов теплоносителя и потерь напора в разветвленных водяных тепловых сетях в соответствии с требованиями СНиП 2.04.07-86*.

Расчетные расходы воды для всех участков разветвленной сети определяют однозначно в зависимости от расчетных расходов теплоносителя у потребителей. Возможные потери давления в тепловых сетях зависят от напора, развиваемого принятыми для установки циркуляционными насосами, и могут быть весьма различными. Таким образом, в постановке задачи гидравлического расчета имеется неопределенность, для устранения которой необходимо добавить дополнительные условия. Такие условия формулируют из требований максимальной экономической эффективности системы теплоснабжения, определяющих собой задачи технико-экономического расчета теплопроводов. Следовательно, технико-экономический расчет органически связан с гидравлическим расчетом и позволяет по формулам гидравлики однозначно рассчитать диаметры всех элементов тепловой сети.

Основной смысл технико-экономического расчета теплопроводов заключается в следующем. От принятых диаметров элементов тепловой сети зависят гидравлические потери в них. Чем меньше диаметры, тем больше потери. С уменьшением диаметров снижается стоимость системы, что повышает ее экономическую эффективность. Но с ростом потерь растет напор, который должны развивать насосы, а с ростом напора растут их стоимость и энергия, расходуемая на перекачку теплоносителя. При таких условиях, когда с изменением диаметров одна группа стоимостных показателей уменьшается, а другая увеличивается, всегда существуют оптимальные значения диаметров, при которых суммарная стоимость, сети будет минимальной.

В данном параграфе рассмотрен гидравлический расчет тепловой сети по приближенной методике, когда для подбора диаметров теплопроводов используют значения удельных потерь давления на трение, рекомендуемые СНиП.

Рис. 7.4. Схема тепловой сети

1,2,…..,7 - номера участков

Расчет ведут в следующем порядке:

1) сначала рассчитывают основную магистраль. Диаметры подбирают по среднему гидравлическому уклону, принимая удельные потери давления на трение до 80 Па/м, что дает решение, близкое к экономически оптимальному. При определении диаметров труб принимают значение k э, равное 0,0005 м, и скорость движения теплоносителя не более 3,5 м/с;.

2) после определения диаметров участков тепломагистрали подсчитывают для каждого участка сумму коэффициентов местных сопротивлений, используя схему тепловой сети, данные по расположению задвижек, компенсаторов и других сопротивлений и значения коэффициентов местных сопротивлений. Для каждого участка находят эквивалентную местным сопротивлениям длину при = 1 и рассчитывают эквивалентную длину k э для этого участка. После определения l э заканчивают расчет тепломагистрали и определяют потери напора в ней. Исходя из потерь напора в подающей и обратной линиях и необходимого располагаемого напора в конце магистрали, который назначают с учетом гидравлической устойчивости системы, определяют необходимый располагае мый напор на выводных коллекторах источника тепла;

3) рассчитывают ответвления, используя оставшийся напор, при условии, чтобы в конце каждого ответвления сохранялся необходимый располагаемый напор и удельные потери давления на трение не превышали 300 Па/м. Эквивалентные длины и потери напора на участках определяют аналогично их определению для основной магистрали.

Методика гидравлического расчета паропроводов тепловых сетей: определение диаметров трубопроводов, расчет потерь напора, рекомендуемые скорости, учет влияния плотности пара на гидравлические потери, структура таблиц и номограмм.

Потери энергии при движении жидкости по трубам определяются режимом движения и характером внутренней поверхности труб. Свойства жидкости или газа учитываются в расчете с помощью их параметров: плотности и кинематической вязкости. Сами же формулы, используемые для определения гидравлических потерь, как для жидкости, так и для пара являются одинаковыми.

Отличительная особенность гидравлического расчета паропровода заключается в необходимости учета при определении гидравлически потерь изменения плотности пара. При расчете газопроводов плотность газа определяют в зависимости от давления по уравнению состояния, написанному для идеальных газов, и лишь при высоких давлениях (больше примерно 1,5 МПа) вводят в уравнение поправочный коэффициент, учитывающий отклонение поведения реальных газов от поведения идеальных газов.

При использовании законов идеальных газов для расчета трубопроводов, по которым движется насыщенный пар, получаются значительные ошибки. Законы идеальных газов можно использовать лишь для сильно перегретого пара. При расчете паропроводов плотность пара определяют в зависимости от давления по таблицам. Так как давление пара в свою очередь зависит от гидравлических потерь, расчет паропроводов ведут методом последовательных приближений. Сначала задаются потерями давления на участке, по среднему давлению определяют плотность пара и далее рассчитывают действительные потери давления. Если ошибка оказывается недопустимой, производят пересчет.

При расчете паровых сетей заданными являются расходы пара, его начальное давление и необходимое давление перед установками, использующими пар. Методику расчета паропроводов рассмотрим на примере.

Пример 7.2 . Рассчитать паропровод (рис. 7.5) при следующих исходных данных: начальное давление пара при выходе из источника тепла Р н =1,3 МПа (избыточное); пар насыщенный; конечное давление пара у потребителей р к =0,7 МПа; расходы пара потребителями, т/ч: D 1 =25; D II =10;, D III =20; D IV = 15; длины участков, м: l 1-2 =500; l 2-3 ==500; l 3-4 =450; l 4- IV = 400; l 2- I =100; l 3- II =200; l 4- III =100.

1.Определяем ориентировочное значение удельных потерь на трение на участках от источника тепла до наиболее удаленного потребителя IV:

Здесь -суммарная длина участков 1-2-3-4-IV; а - доля потерь давления в местных сопротивлениях, принимаемая равной 0,7 как для магистрали с П-образными компенсаторами со сварными отводами и предполагаемыми диаметрами 200-350 мм.

2.Рассчитаем участок 1-2. Начальное давление на участке p 1 = 1,4 МПа (абсолютное). Плотность насыщенного пара при этом давлении, определенная. по таблицам водяного пара, =7,l кг/м 3 . Задаемся конечным давлением на участке р 2 ==1,2 МПа (абсолютным). При этом давлении =6,12 кг/м 3 . Средняя.плотность пара на участке:

Расход пapa на участке 1-2: D l -2 =70 т/ч=19,4 кг/с. По принятым удельным потерям давления 190 Па/м и расходу 19,4 кг/с по номограмме на рис. 7.1 находим диаметр паропровода. Так как номограмма составлена для пара с плотностью р п - 1=2,45 кг/м 3 , предварительно пересчитываем удельное падение давления на табличную плотность:

Для значений (= 513 Па/м и D 1-2 =19,4 кг/с находим диаметр паропровода d 1-2 =325х8 мм ()=790 Па/м. Скорость движения пара w т = 107 м/с. Определяем действительные потери давления и скорость движения пара:
Скорость пересчитываем аналогично:

Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений на участке 1-2 (см. табл. 7.1):

Задвижка..........0,5

Компенсатор П-образный со сварными отводами (3 шт.) .............2,8-3=8,4

Тройник при разделении потока (проход) . . .1

Значение эквивалентной длины при = l при k э = 0,0002 м для трубы диаметром 325x8 мм по табл. 7.2 l э =17,6 м, следовательно, суммарная эквивалентная длина для участка 1- 2: 1 э = 9,9*17,6= 174 м.

Приведенная длина участка 1-2: l Пр.1-2 =500+174=674 м.

Потери давления на трение и в местных сопротивлениях на участке 1-2:

Давление пара в конце участка 1-2:

что практически равняется предварительно принятой величине в 1,2 МПа. Средняя плотность -пара также будет равна 6,61 кг/м 3 . В связи с этим пересчета не производим. При существенном отклонении полученного значения средней плотности пара от предварительно принятой величины производим пересчет.

Остальные участки паропровода рассчитываем аналогично участку 1-2. Результаты всех расчетов сводим в табл. 7.7. Расчет эквивалентных длин местных сопротив лений проводим аналогично примеру 7.1.

Гидравлический режим и надежность работы тепловых сетей. Теоретическое обоснование и методика построения пьезометрического графика, расчет требуемых напоров сетевых и подпиточных насосов.

Из-за большой плотности вода оказывает значительное гидростатическое давление на трубы и оборудование, поэтому гидравлический расчет водяных систем теплоснабжения включает две части: первую - собственно гидравлический расчет, при котором определяют диаметры теплопроводов, и вторую - проверку соответствия гидравлического режима предъявляемым требованиям.

Проверяют режим при статическом состоянии системы (гидростатический режим), когда циркуляционные насосы не работают, и при динамическом состоянии системы (гидродинамический режим) с учетом геодезических высот проложения трубопровода. В результате определяют линии максимальных давлений в подающем и обратном теплопроводах из условия механической прочности элементов системы и линии минимальных давлений из условия предотвращения вскипания высокотемпературного теплоносителя и образования вакуума в элементах системы. Пьезометрические линии проектируемого объекта не должны выходить за эти крайние границы. При разработке гидродинамического режима тепловой сети выявляют параметры для подбора циркуляционных насосов, а при разработке гидростатического режима - для подбора подпиточного насоса.

При гидравлическом расчете паровых сетей ввиду малой плотности пара разностью высотных отметок отдельных точек паропровода пренебрегают.

Для изучения режима давлений в тепловых сетях и местных системах зданий широко используют пьезометрические графики. На графиках в определенном масштабе наносят рельеф местности по разрезам вдоль тепловых трасс, указывают высоту присоединяемых зданий, показывают напор в подающих и обратных линиях теплопроводов и в оборудовании теплоподготовительной установки. Роль пьезометрического графика при разработке гидравлических режимов систем теплоснабжения очень велика, так как он позволяет наглядно показать допустимые границы давлений и фактические их значения во всех элементах системы.

Рассмотрим график напоров в теплопроводе, проложенном под землей (рис. 8.1). В населенных пунктах тепловые сети заглубляют примерно на 1 м. Ввиду малого заглубления при вычерчивании профиля трассы теплопровода его ось условно совмещают с поверхностью земли.

За горизонтальную плоскость отсчета принята плоскость ОО, проходящая через нулевую отметку. Все геодезические отметки профиля трассы соответствуют масштабу, указанному на шкале слева. Таким образом, величина z i показывает геодезическую высоту оси трубопровода в точке i над плоскостью отсчета.

Понятие надежности отражает два главных подхода к оценке работы устройства или системы. Первый - это вероятностная оценка работоспособности системы. Необходимость в вероятностной оценке связана с тем, что продолжительность работы элементов системы обуславливается рядом случайных факторов, предвидеть воздействие которых на работу элемента не представляется возможным. Поэтому детерминированная оценка времени работы элемента заменяется вероятностной оценкой, т. е. законом распределения времени работы. Учет времени работы - это второй главный подход к оценке работоспособности системы. Надежность - это сохранение качеств элементом или системой во времени. В соответствии с этими основными свойствами понятия надежности главным ее критерием является вероятность безотказной работы системы (элемента) Р в течение заданного периода t.

Рис. 8.1. График напоров в теплопроводе

1 - линия полных напоров без учета потерь на трение; 2 -линия полных напоров без учета потерь на трение и скоростного напора; 3 - линия полных напоров с учетом потерь на трение; 4-линия полных напоров с учетом потерь на трение и без учета скоростного напора; 5 - ось теплоровода.

По ГОСТу надежность определяется как свойство системы выполнять заданные функции с сохранением заданных эксплуатационных показателей в течение принятого времени эксплуатации. Для теплоснабжения заданной функцией является подача потребителям определенного количества воды с заданными температурой и давлением и определенной степени очистки.

Существуют два пути для создания надежных систем. Первый путь - это повышение качества элементов, из которых состоит система; второй - резервирование элементов. Повышают надежность, реализуя прежде всего первый путь. Но, когда исчерпываются технические возможности повышения качества элементов или когда дальнейшее повышение качества оказывается экономически невыгодным, идут по второму пути. Второй путь необходим, когда надежность системы должна быть выше надежности элементов, из которых она состоит. Повышения надежности достигают резервированием. Для систем теплоснабжения применяют дублирование, а для тепловых сетей дублирование, кольцевание и секционирование.

Надежность характеризуется долговечностью - свойством сохранять работоспособность до предельного состояния с допустимыми перерывами или без них при техническом обслуживании и ремонтах. Системы теплоснабжения - долговечные системы.

Системы теплоснабжения - ремонтируемые системы, поэтому они характеризуются ремонтопригодностью - свойством, заключающимся в приспособленности системы к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Основным показателем ремонтопригодности систем теплоснабжения является время восстановления отказавшего элемента t рем. Время восстановления имеет большое значение при обосновании необходимости резервирования системы. Оно в основном зависит от диаметров трубопроводов и оборудования сети. При малых диаметрах время ремонта может оказываться меньше допустимого перерыва теплоснабжения. В таком случае нет необходимости в резервировании.

Для возможности оценки надежности системы прежде всего необходимо точно сформулировать понятие отказа элемента и системы. При формулировке понятия отказа элемента тепловой сети исходят из внезапности и длительности перерыва в теплоснабжении потребителей. Внезапный отказ элемента - это такое нарушение его работоспособности, когда отказавший элемент необходимо немедленно выключить из работы. При постепенном отказе вначале можно провести предварительный ремонт элемента без нарушения или с допустимым нарушением теплоснабжения, перенеся полный восстановительный ремонт на некоторое время, когда его выключение не приведет к отказу системы.

При расчете надежности системы и определении степени резервирования следует учитывать только внезапные отказы.

Таким образом, отказ элемента, учитываемый при расчете надежности систем теплоснабжения, - это внезапный отказ при условии» что t рем >t д o п. Такой отказ у нерезервированных систем приводит к отказу системы, а у резервированных - к изменению гидравлического режима работы.

Причинами отказов, связанных с нарушением прочности элементов, являются случайные совпадения перегрузок на ослабленных местах элементов. Как перегрузки элементов, так и их ослабления определяются значениями ряда независимых случайных величин. Например, снижение прочности сварного шва может быть связано с непроваром, наличием шлаковых включений и других причин, которые в свою очередь зависят от квалификации сварщика, качества используемых электродов, условий сварки и т. п. Таким образом, отказы имеют случайную природу.

Изучение отказов, связанных с коррозией трубопроводов, нарушением работоспособности оборудования, приводит также к выводу, что их природа случайна. Вместе с тем совпадение ряда случайных факторов, которое может вызвать отказ, является событием редким, поэтому и отказы относятся к категории редких событий.

Таким образом, главные свойства отказов, учитываемых при расчете надежности, заключаются в том, что они представляют собой случайные и редкие события. Если нарушение работоспособности элемента не является случайным событием, то его можно предусмотреть в учесть в расчетах.

Задачей систем теплоснабжения является обеспечение требуемых уровней параметров у потребителей, при которых достигаются комфортные условия жизни людей. Аварийные отказы нарушают теплоснабжение жилых и общественных зданий, вследствие чего недопустимо ухудшаются условия труда и отдыха населения, что вызывает последствия социального характера. К этим последствиям прежде всего относится сам факт нарушения нормальных условий работы и жизни людей, который приводит к увеличению числа заболеваний людей, к падению их работоспособности. Социальные последствия не поддаются экономической оценке. Вместе с тем их значение весьма велико, поэтому в методике оценки надежности систем теплоснабжения должны учитываться социальные последствия перерывов в подаче тепла.

Учитывая изложенное, при оценке надежности теплоснабжения следует исходить из принципиальной недопустимости отказов, считая, что отказ системы приводит к непоправимым для выполнения задачи последствиям.

Как отмечалось выше, повреждения участков теплопроводов или оборудования сети, которые приводят к необходимости немедленного их отключения, рассматриваются как отказы. К отказам приводят следующие повреждения элементов тепловых сетей:

1) трубопроводов: сквозные коррозионные повреждения труб; разрывы сварных швов ;

2) задвижек: коррозия корпуса или байпаса задвижки; искривление или падение дисков; неплотность фланцевых соединений; засорыг приводящие к негерметичности отключения участков;

3) сальниковых компенсаторов: коррозия стакана; выход из строя грундбуксы.

Все отмеченные выше повреждения возникают в процессе эксплуатации в результате воздействия на элемент ряда неблагоприятных факторов. Причинами некоторых повреждений являются дефекты строительства.

Наиболее частой причиной повреждений теплопроводов является наружная коррозия. Количество повреждений, связанных с разрывом продольных и поперечных сварных швов труб, значительно меньше, чем коррозионных. Основными причинами разрывов сварных швов являются заводские дефекты при изготовлении труб и дефекты сварки труб при строительстве.

Причины повреждений задвижек весьма разнообразны: это и наружная коррозия, и различные неполадки, возникающие в процессе эксплуатации (засоры, заклинивание и падение дисков, расстройство фланцевых соединений).

Все рассмотренные выше причины, вызывающие повреждения элементов сетей, являются следствием воздействия на них различных случайных факторов. При возникновении повреждения участка трубопровода его отключают, ремонтируют и вновь включают в работу. Со временем на нем может появиться новое повреждение, которое также будет отремонтировано. Последовательность возникающих повреждений (отказов) на элементах тепловой сети составляет поток случайных событий - поток отказов.

И.М. Сапрыкин, главный технолог,
ООО ПНТК «Энергетические Технологии», г. Нижний Новгород

Введение

В системах теплоснабжения имеются весьма значительные резервы экономии теплоэнергетических ресурсов, в частности тепловой и электрической энергии.

В последнее время на рынке появилось много нового высокоэффективного оборудования и технологий, направленных на повышение комфортности проживания и экономичности систем теплоснабжения. Правильное применение новаций предъявляет высокие требования к инженерному корпусу. К сожалению, с инженерными кадрами происходит обратное явление: снижение численности квалифицированных специалистов в сфере теплоснабжения.

Для выявления и наилучшего использования резервов экономии необходимо в том числе знание законов регулирования отпуска теплоты. В технической литературе вопросам практического применения режимов регулирования отпуска теплоты не уделено должного внимания. В этой статье сделана попытка восполнить этот пробел, при этом предложен несколько иной подход к формированию основных уравнений, описывающих режимы регулирования отпуска теплоты, чем изложенные в технической литературе, например.

Описание предлагаемых методик

Известно, что законы регулирования отопительных нагрузок зданий могут быть получены из системы трех уравнений, описывающих тепловые потери здания через ограждающие конструкции, теплоотдачу нагревательных приборов в здании и подачу теплоты по тепловым сетям. В безразмерном виде эта система уравнений выглядит следующим образом }

Просматривая статистику посещения нашего блога я заметил, что очень часто фигурируют такие поисковые фразы как, например, «какая должна быть температура теплоносителя при минус 5 на улице?» . Решил выложить старый график качественного регулирования отпуска тепла по среднесуточной температуре наружного воздуха . Хочу предупредить тех, кто на основании этих цифр попытается выяснить отношения с ЖЭУ или тепловыми сетями: отопительные графики для каждого отдельного населенного пункта разные (я писал об этом в статье ). По данному графику работают тепловые сети в Уфе (Башкирия).

Так же хочу обратить внимание на то, что регулирование происходит по среднесуточной температуре наружного воздуха, так что, если, например, на улице ночью минус 15 градусов, а днем минус 5 , то температура теплоносителя будет поддерживаться в соответствии с графиком по минус 10 о С .

Как правило, используются следующие температурные графики: 150/70 , 130/70 , 115/70 , 105/70 , 95/70 . Выбирается график в зависимости от конкретных местных условий. Домовые системы отопления работают по графикам 105/70 и 95/70. По графикам 150, 130 и 115/70 работают магистральные тепловые сети.

Рассмотрим пример как пользоваться графиком. Предположим, на улице температура «минус 10 градусов». Тепловые сети работают по температурному графику 130/70 , значит при -10 о С температура теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети должна быть 85,6 градусов, в подающем трубопроводе системы отопления — 70,8 о С при графике 105/70 или 65,3 о С при графике 95/70. Температура воды после системы отопления должны быть 51,7 о С.

Как правило, значения температуры в подающем трубопроводе тепловых сетей при задании на теплоисточник округляются. Например, по графику должно быть 85,6 о С, а на ТЭЦ или котельной задается 87 градусов.

Температура наружного воздуха Тнв, о С	Температура сетевой воды в подающем трубопроводе Т1, о С			Температура воды в подающем трубопроводе системы отопления Т3, о С		Температура воды после системы отопления Т2, о С
	150	130	115	105	95
8	53,2	50,2	46,4	43,4	41,2	35,8
7	55,7	52,3	48,2	45,0	42,7	36,8
6	58,1	54,4	50,0	46,6	44,1	37,7
5	60,5	56,5	51,8	48,2	45,5	38,7
4	62,9	58,5	53,5	49,8	46,9	39,6
3	65,3	60,5	55,3	51,4	48,3	40,6
2	67,7	62,6	57,0	52,9	49,7	41,5
1	70,0	64,5	58,8	54,5	51,0	42,4
0	72,4	66,5	60,5	56,0	52,4	43,3
-1	74,7	68,5	62,2	57,5	53,7	44,2
-2	77,0	70,4	63,8	59,0	55,0	45,0
-3	79,3	72,4	65,5	60,5	56,3	45,9
-4	81,6	74,3	67,2	62,0	57,6	46,7
-5	83,9	76,2	68,8	63,5	58,9	47,6
-6	86,2	78,1	70,4	65,0	60,2	48,4
-7	88,5	80,0	72,1	66,4	61,5	49,2
-8	90,8	81,9	73,7	67,9	62,8	50,1
-9	93,0	83,8	75,3	69,3	64,0	50,9
-10	95,3	85,6	76,9	70,8	65,3	51,7
-11	97,6	87,5	78,5	72,2	66,6	52,5
-12	99,8	89,3	80,1	73,6	67,8	53,3
-13	102,0	91,2	81,7	75,0	69,0	54,0
-14	104,3	93,0	83,3	76,4	70,3	54,8
-15	106,5	94,8	84,8	77,9	71,5	55,6
-16	108,7	96,6	86,4	79,3	72,7	56,3
-17	110,9	98,4	87,9	80,7	73,9	57,1
-18	113,1	100,2	89,5	82,0	75,1	57,9
-19	115,3	102,0	91,0	83,4	76,3	58,6
-20	117,5	103,8	92,6	84,8	77,5	59,4
-21	119,7	105,6	94,1	86,2	78,7	60,1
-22	121,9	107,4	95,6	87,6	79,9	60,8
-23	124,1	109,2	97,1	88,9	81,1	61,6
-24	126,3	110,9	98,6	90,3	82,3	62,3
-25	128,5	112,7	100,2	91,6	83,5	63,0
-26	130,6	114,4	101,7	93,0	84,6	63,7
-27	132,8	116,2	103,2	94,3	85,8	64,4
-28	135,0	117,9	104,7	95,7	87,0	65,1
-29	137,1	119,7	106,1	97,0	88,1	65,8
-30	139,3	121,4	107,6	98,4	89,3	66,5
-31	141,4	123,1	109,1	99,7	90,4	67,2
-32	143,6	124,9	110,6	101,0	94,6	67,9
-33	145,7	126,6	112,1	102,4	92,7	68,6
-34	147,9	128,3	113,5	103,7	93,9	69,3
-35	150,0	130,0	115,0	105,0	95,0	70,0

Прошу не ориентироваться на диаграмму в начале поста — она не соответствует данным из таблицы.

Расчет температурного графика

Методика расчета температурного графика описана в справочнике (Глава 4, п. 4.4, с. 153,).

Это довольно трудоемкий и долгий процесс, так как для каждой температуры наружного воздуха нужно считать несколько значений: Т 1 , Т 3 , Т 2 и т. д.

К нашей радости у нас есть компьютер и табличный процессор MS Excel. Коллега по работе поделился со мной готовой таблицей для расчета температурного графика. Её в свое время сделала его жена, которая трудилась инженером группы режимов в тепловых сетях.

Для того, чтобы Excel расчитал и построил график достаточно ввести несколько исходных значений:

• расчетная температура в подающем трубопроводе тепловой сети Т 1
• расчетная температура в обратном трубопроводе тепловой сети Т 2
• расчетная температура в подающем трубопроводе системы отопления Т 3
• Температура наружного воздуха Т н.в.
• Температура внутри помещения Т в.п.
• коэффициент «n » (он, как правило, не изменен и равен 0,25)
• Минимальный и максимальный срез температурного графика Срез min, Срез max .

Все. больше ничего от вас не требуется. Результаты вычислений будут в первой таблице листа. Она выделена жирной рамкой.

Диаграммы также перестроятся под новые значения.

Также таблица считает температуру прямой сетевой воды с учетом скорости ветра.

Регулирование нагрузки в системах теплоснабжения

Системы теплоснабжения представляют собой взаимосвязанный комплекс потребителей теплоты, отличающихся как характером, так и величиной теплопотребления. Режимы расходов теплоты многочисленными абонентами неодинаковы. Тепловая нагрузка отопительных установок изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха, оставаясь практически стабильной в течение суток. Расход теплоты на горячее водоснабжение и для ряда технологических процессов не зависит от температуры наружного воздуха, но изменяется как по часам суток, так и по дням недели.

В этих условиях необходимо искусственное изменение параметров и расхода теплоносителя в соответствии с фактической потребностью абонентов. Регулирование повышает качество теплоснабжения, сокращает перерасход тепловой энергии и топлива.

В зависимости от места осуществления регулирования различают центральное, групповое, местное и индивидуальное регулирование.

Центральное регулирование выполняют на ТЭЦ или в котельной попреобладающей нагрузке, характерной для большинства абонентов. В городских тепловых сетях такой нагрузкой может быть отопление или совместная нагрузка отопления и горячего водоснабжения. На ряде технологических предприятий преобладающим является технологическое тепло-потребление.

Групповое регулирование производится в центральных тепловыхпунктах (ЦТП) для группы однородных потребителей. В ЦТП поддерживаются требуемые расход и температура теплоносителя, поступающего в распределительные или во внутриквартальные сети.

Местное регулирование предусматривается на абонентском вводе длядополнительной корректировки параметров теплоносителя с учетом местных факторов.

Индивидуальное регулирование осуществляется непосредственно у теплопотребляющих приборов, например, у отопительных приборов систем отопления, и дополняет другие виды регулирования.

Тепловая нагрузка многочисленных абонентов современных систем теплоснабжения неоднородна не только по характеру теплопотребления, но и по параметрам теплоносителя. Поэтому центральное регулирование отпуска теплоты дополняется групповым, местным и индивидуальным, т. е. осуществляется комбинированное регулирование. Комбинированное

регулирование, состоящее из нескольких ступеней, взаимно дополняющих друг друга, создает наиболее полное соответствие между отпуском тепло-ты и фактическим теплопотреблением.

По способу осуществления регулирование может быть авто-матическим и ручным.

Сущность методов регулирования вытекает из уравнения теплового баланса

где Q - количество теплоты, полученное прибором от теплоносителя и отданное нагреваемой среде, кВт/ч; G c . в - расход теплоносителя - сете

вой воды, кг/ч; с - теплоемкость теплоносителя, кДж/кг°С; 1 , 2 - тем-пература теплоносителя на входе и выходе из теплообменника, °С.

Регулирование тепловой нагрузки возможно несколькими методами: изменением температуры теплоносителя - качественный метод; измене-нием расхода теплоносителя - количественный метод; периодическим от-ключением систем - прерывистое регулирование; изменением поверхно-сти нагрева теплообменника. Сложность осуществления последнего мето-да ограничивает возможность его широкого применения.

Качественное регулирование осуществляется изменением тем-пературы при постоянном расходе теплоносителя. Качественный метод яв-ляется наиболее распространенным видом центрального регулирования водяных тепловых сетей.

Количественное регулирование отпуска теплоты производится изменением расхода теплоносителя при постоянной его температуре в подающем трубопроводе.

Качественно-количественное регулирование выполняется путем со-вместного изменения температуры и расхода теплоносителя.

Прерывистое регулирование достигается периодическим от-ключением систем, т. е. пропусками подачи теплоносителя, в связи с чем этот метод называется регулированием пропусками.

Центральные пропуски возможны лишь в тепловых сетях с однородным теплопотреблением, допускающим одновременные перерывы в пода-че теплоты. В современных системах теплоснабжения с разнородной тепловой нагрузкой регулирование пропусками используется для местного регулирования.

В паровых системах теплоснабжения качественное регулирование не-приемлемо ввиду того, что изменение температур в необходимом диапазоне требует большого изменения давления. Центральное регулирование паро-вых систем производится в основном количественным методом или путем пропусков. Однако периодическое отключение приводит к неравномерному прогреву отдельных приборов и к заполнению системы воздухом. Более эффективно местное или индивидуальное количественное регулирование.

Современные системы теплоснабжения характеризуются наличием разнородных потребителей, отличающихся как видом теплопотребления, так и параметрами теплоносителя. Наряду с отопительными установками значительное количество теплоты расходуется на горячее водоснабжение, возрастает вентиляционная нагрузка. При одновременной подаче теплоты по двухтрубным тепловым сетям для разнородных потребителей цен-тральное регулирование, выполняемое по преобладающей нагрузке, долж-но быть дополнено групповым и местным регулированием.

Температура сетевой воды в подающем трубопроводе закрытых систем не должна быть ниже 70 °С, так как при более низких температурах нагрев водопроводной воды в теплообменнике до 60-65 °С будет невозможен.

В результате такого ограничения график температур имеет вид лома-ной линии с точкой излома при минимально допустимой температуре воды (рис. 6.7). В открытых системах температура воды в подающей линии не

должна превышать 60 °С (τ 1 = t г 60 °С). Температура наружного воздуха, соответствующая точке «излома» или «срезки» графика, обозначается t н .

При температурах наружного воздуха выше t н центральное регулирование

сезонной нагрузки во избежание перегрева помещений дополняется местным регулированием.

В зависимости от соотношения нагрузок горячего водоснабжения и отопления центральное регулирование разнородной нагрузки производится по отопительной нагрузке или по совместной нагрузке отопления и горячего водоснабжения.

Центральное качественное регулирование по отопительной нагрузке принимается в системах теплоснабжения со среднечасовой нагрузкой горячего водоснабжения, не превышающей 15 %, от расчетного расхода теп-лоты на отопление.

Рис. 6.7. График температур при комби-нированном регулировании отопительной на-грузки: 1 , 2. о - температуры сетевой воды в

подающем и обратном трубопроводах теплосе-ти; 1 , 2. о и 1 , 2. о - температуры сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах теплосети при t н ро и при t н соответственно

	ро
t н	t н

Точка излома температурного графика делит отопительный период на два диапазона (рис. 6.7): 1 - в интервале наружных температур 2 - в интервале температур . Граница между диапазонами находится графически в точке пересечения кривой с горизонтальной линией, соответствующей t = 70 °С.

График температур, приведенный на рис. 6.7, носит название отопительно-бытового.

Вопросы для самоконтроля

1. Поясните устройство водяных и паровых систем теплоснабжения, их плюсы и минусы.

2. Какие существуют схемы подключения абонентов к водяным сис-темам теплоснабжения? Начертите их и объясните принцип работы.

3. Какие существуют тепловые нагрузки?

4. Каким образом может осуществлятся регулирование нагрузок в системах теплоснабжения?