Гидравлические характеристики тепловых энергоустановок

Гидростатическое давление. Если в трубе высотой Н ₁ содержится вода (рис. 2), то согласно закону Паскаля столб воды оказывает на свое основание (сечение 0 – 0) давление, равное:

Р_СТ = Н₁ ρ g Па, (7)

где ρ = 1000 кг/м³ - плотность воды, g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения, м/с².

Как следует из формулы, давление водяного столба создается силами земного притяжения и зависит только от высоты столба (трубы). Такое давление называется гидростатическим. Оно не зависит от длины трубы, наличия или отсутствия движения воды, или от направления движения воды. Поэтому гидростатическое давление, например, в обратном трубопроводе системы отопления девятиэтажного дома составит, примерно, 0,27 МПа или 27 м вод (9 этажей по 3 м) независимо от числа присоединенных к стояку нагревательных приборов.

Рис. 2. К определению гидростатического давления

Гидростатическое давление действует всегда вниз. Поэтому подъем воды по трубе с помощью насоса возможен только в случае, когда насос преодолевает действие гидростатического давления. При опускании воды по трубам гидростатическое давление помогает движению воды, увеличивает ее расход.

Формула 1 используется также и для нахождения силы естественной тяги S в котлах. Последняя находится как разность давления воздуха Р_В перед топкой и давления газов Р_Г (продуктов сгорания) в основании дымовой трубы:

S = (Р_В – Р_Г) = Н ρ_В g – Н ρ_Г g (8)

Где H – высота дымовой трубы; ρ_В и ρ_Г - плотности воздуха и газов, кг/м³.

Полное давление воды (воздуха) характеризует давление потока воды (воздуха) внутри трубы (канала). Часть полного давления, называемая статическим, действует на стенки трубы. Другая часть полного давления действует вдоль потока воды и называется динамическим давлением. Таким образом полное давление движущейся воды есть сумма статического и динамического давлений потока воды. При отсутствии движения воды динамическое давление равно нулю, а полное давление равно статическому.

На рис. 3 показано измерение полного давления воды открытой, изогнутой под углом 90 ⁰ напорной трубкой 4. Полное давление воды действует на открытый конец напорной трубки и вытесняет жидкость (ртуть) из правого колена U – образного манометра в левое колено. Если левое колено манометра соединено с атмосферой, то манометр покажет избыточное полное давление, выраженное высотой столба ртути.

Статическое давление измеряется U – образным манометром, подключенным к трубе через штуцер 2. Если отсоединить трубку 4 от манометра, то ртуть из левого колена будет частично вытеснена статическим давлением в правое колено. Перепад уровней столбиков ртути в коленах манометра покажет величину избыточного статического давления. Заметим, что на практике к штуцеру 2 для измерения статического давления воды присоединяется обычный пружинный манометр.

При подключении U–образного манометра к отборной трубке 4 и штуцеру 2 манометр показывает разность полного и статического давлений, т.е. динамическое давление. Величина динамического давления находится как

Р_Д = W ²ρ /2 Па, (9)

где W – скорость воды, м/с; ρ – плотность воды, кг/м³.

Из выражения (9) следует: во –первых, динамическое давление возникает, когда скорость воды больше нуля; во-вторых, величина давления меняется прямо пропорционально изменению скорости в квадрате.

Режим работы тепловой энергоустановки, когда скорость движения воды больше нуля, называется динамическим.

Рис. 3. Схема измерения динамического давления:

1 – стенка трубы; 2 – отбор статического давления; 3 - стеклянный U – образный манометр; 4 – отбор полного давления

Установлено, что в идеальном трубопроводе (гидравлические сопротивления отсутствуют) полное давление является постоянной величиной. Поэтому при увеличении скорости воды возрастает динамическое давление, а статическое давление снижается. Снижение скорости воды приводит к увеличению статического давления. Максимальное статическое давление устанавливается только при прекращении движения воды.

В реальном трубопроводе полное давление равно сумме статического, динамического давлений и гидравлических сопротивлений. Поэтому по длине трубопровода полное давление из-за роста сопротивлений снижается. Однако и в этом случае воздействие скорости воды на статическое давление остается прежним.

Скорость воды в трубопроводах не превышает 2-3 м/с. При скорости, например 2 м/с динамическое давление потока воды составит W ²ρ /2 = 2² · 1000/2 = 2000 Па. (0,02 кгс/см²). Если в системе отопления используются чугунные радиаторы, то избыточное статическое давление не должно превышать 0,6 МПа (6 кгс/см²), что в 300 раз больше величины динамического давления в рассмотренном примере. Поэтому в динамическом режиме полное давление, практически, равно статическому и соответствует показаниям пружинных манометров.

К такому же выводу можно прийти, рассмотрев соотношение давлений в воздушных и газовых каналах. Однако в горелочных устройствах котлов, где скорости воздуха для создания качественной горючей смеси велики, полное давление воздуха перед горелкой в основном определяются величиной динамического давления.

Гидравлические сопротивления. При д вижении воды по трубопроводам поток воды преодолевает сопротивления трения и местные сопротивления.

Сопротивления трения обусловлены трением между слоями воды, а также между водой и стенками трубы.

К местным сопротивлениям относятся сужения, расширения и повороты трубопроводов, а также запорно-регулирующая арматура трубопроводов. Такие же сопротивления движению воздуха и продуктов сгорания имеют место в котельных установках и системах вентиляции.. В отличие от гидравлических их называют аэродинамическими сопротивлениями.

Суммарное сопротивление участка трубопровода находится по формуле:

D h = h_тр + h_м = (l L / d + Z) W² r/ 2 Па, ( 10)

где h _тр – сопротивления трения; h _м – местные сопротивления;

l – коэффициент трения; L – длина трубопровода, м; d – диаметр трубопровода, м; Z – коэффициент местного сопротивления; W – скорость воды, м/с; r - плотность воды, кг/м³.

Из выражения (10) следует, что сопротивления прежде всего зависят от изменения скорости воды поскольку она входит формулу (10) в квадрате: скорость увеличилась в 2 раза, сопротивления возросли в 4 раза.

Кроме того сопротивления увеличиваются с ростом длины трубопровода (воздуховода), с уменьшением диаметра трубопровода (например, из-за их загрязнения), а также с увеличением степени деформации потока (сужение и расширение, неполное открытие задвижки, закрутка потока и др., о чем судят по величине коэффициента местного сопротивления). Например, коэффициент местного сопротивления газомазутной горелки равен 8, вследствие чего сопротивление воздушного тракта котла на 90 % определяется сопротивлением горелки. В теплопроводах сопротивления в основном зависят от количества и типа установленной арматуры, наличия регуляторов расхода и давления, водоподогревателей и нагревательных приборов. Так, например, коэффициент местного сопротивления полностью открытых задвижек и вентилей составляет 0,2 – 2,5 (большие значения относятся к вентилям), для чугунных радиаторов его величина достигает 1,5 – 1,8.

На преодоление сопротивлений насос (элеватор) затрачивает часть создаваемого им напора (часть динамического давления). Напором называется разность полных давлений на выходе и входе в насос (для элеватора – разность давлений в подающем и обратном трубопроводах в тепловом пункте). О потере напора можно судить по разности давлений, которые показывают манометры, установленные в начале и в конце участка трубопровода. Давление Р₁ вначале участка всегда больше давления в его конце:

Р₂ = Р₁ – D h, (11)

где - D h – суммарное сопротивление участка трубопровода.

Для обеспечения требуемого давления Р₂ давление Р₁ должно быть увеличено на величину D h.

По экономическим соображения скорости воды не должны превышать 2,5– 3 м/с (для воздуха – 8–10 м/с, для пара – 40-70 м/с). Скорость воды ограничивается так же требованиями недопущения в трубопроводах возникновения гидравлических ударов. Величина гидравлического сопротивления, например, 1 погонного метра магистрального теплопровода составляет, примерно, 8 мм вод ст, а для ответвлений от них –30 мм вод. ст. Потери в вентилях стальных радиаторов достигают 400 – 650 мм вод. ст. Наибольшие потери напора (12 – 15 м вод. ст) имеют элеваторы. Сопротивление систем отопления обычно не превышает 1 – 1, 5 вод. ст.

Расход воды в установке зависит от величины напора Н = (Р₁ – Р₂) на входе и сопротивления установки D h:

G = к (Н ^0,5 / D h), (12)

где к – коэффициент пропорциональности.

Очевидно, что расход сетевой воды, потребляемой, например, системой отопления будет тем больше, чем больше напор на тепловом вводе и чем меньше гидравлическое сопротивление системы отопления.

Гидравлическое сопротивление может играть и положительную ролью. Для регулирования потоков воды в местных системах в отдельные трубопроводы, где расходы воды повышенные, устанавливаются дроссельные диафрагмы Диаметр проходного отверстия диафрагмы меньше диаметра трубопровода, а потому диафрагма является местным сопротивлением; давление воды на входе в трубопровод снижается и расход воды уменьшается. Выбор диаметра отверстия дроссельной диафрагмы производится по формуле:

d = 10 G ^0,5 / D H^0,25 мм, (13)

где G – расчетный расход воды в трубопроводе, т/ч; D H - напор, гасимый дроссельной диафрагмой, м

Уравнение неразрывности потока устанавливает постоянство объемного секундного расхода воды в любом сечении трубопровода (закон сохранения массы вещества), независимо от величины и формы сечения:

V = f w = Соnst м ³/с, (14)

где f - сечение трубопровода, м ²; w - скорость воды,м /с.

Из уравнения следует, что при увеличении сечения канала скорость потока падает обратно пропорционально изменению сечения, и наоборот. Например, для увеличения скорости воды в 10 раз площадь сечения трубопровода нужно уменьшить тоже в 10 раз. Если канал выполнить форме сужающегося сопла, при движении воды от входа к выходу сопла скорость воды будет увеличиваться от минимальной (на входе) до максимальной (на выходе).

Принцип действия элеватора. Отмеченная выше зависимость скорости воды от сечения канала реализуется установкой в элеваторе сужающегося сопла 1, диаметр которого на выходе в несколько раз меньше, диаметра трубопровода (рис. 4). В связи с этим скорость воды (рабочего потока) на выходе из сопла возрастает в 5 и более раз. Поэтому доля динамического давления струи воды в приемной камере резко возрастает, а доля статического давления становится малой. Статическое давление в приемной камере 2, куда поступает струя воды, становится ниже давления снаружи приемной камеры. Поэтому в приемную камеру поступает (инжектируется) обратная вода, охлажденная в радиаторах отопления.

В расчетном режиме работы системы отопления рабочим потоком является сетевая вода с температурой 150 ⁰С, а инжектируемым – обратная вода с температурой 70 ⁰С. После смешения в камере 3 температура воды становится равной 95 ⁰С, но она по прежнему имеет низкое давление. Для повышения давления используется диффузор 4. Вследствие постоянного увеличения поперечного сечения диффузора поток воды тормозится и динамическое давление преобразуется в статическое. Движение воды в элеваторе сопровождается большими гидравлическими сопротивлениями, на преодоление которых затрачивается большая часть напора элеватора. Поэтому полное давление на выходе из диффузора значительно меньше давления рабочего потока перед элеватором и по своему характеру практически является статическим давлением. Его величина должна быть достаточным для преодоления гидравлического сопротивления системы отопления, присоединенной к элеватору.

На каждый кг воды рабочего потока в элеватор поступает 2,2 кг обратной воды.

Рис.4. Принципиальная схема элеватора:

1 – сопло; 2 – приемная камера; 3 – камера смешения; 4 – диффузор

Эта величина называется коэффициентом смешения и является его основной характеристикой.

Действительное значение коэффициента смешения зависит от температур воды и находится по формуле:

U = (t₁ - t₃) / (t₃ – t₂), (14)

где t₁ - температура сетевой воды перед элеватором, ⁰С;

t₂ - температура воды в обратном трубопроводе системы отопления, ⁰С;

t₃ – температура смеси воды на выходе из элеватора, ⁰С.

Диаметр сопла элеватора, мм, определяется по формуле:

d _С = 9,6 G ^0,5/ H^0,25, (15)

где G – расчетный расход воды на отопление из тепловой сети, т/ч; H – напор перед элеватором, определяемый по пьезометрическому графику, м вод. ст.

Минимальный необходимый напорперед элеватором, м, приближенно определяется как

Н = 1,4 Н₀ (1 + U), (16)

Где Н₀ – потеря напора в системе отопления после элеватора, м.