&&&
$$$002-007-100$Лекция №7.Вопросы для самоконтроля
&&&
$$$002-008-000$3.2.8 Лекция №8. ОБОРУДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ
{Вопросы лекции}
1 Прокладка трубопроводов.
2 Опоры трубопроводов.
3 Компенсация температурных деформаций.
4 Особенности температурной компенсации при бесканальной прокладке.
5 Радиальная компенсация.
&&&
$$$002-008-001$3.2.8.1
{Конспект лекции}
7.1. Прокладка трубопроводов.
Прокладка может быть наземной и подземной. Наземные теплопроводы разрешается прокладывать только в малонаселенной местности, либо по территории промышленного предприятия. Трубопроводы прокладываются по низким опорам, либо на мачтах, эстакадах и т.п. Не допускается прокладка по фасаду здания.
Подземная прокладка может быть канальная или бесканальная. Каналы могут быть проходные, полупроходные и непроходные. Проходные – при большом скоплении коммуникаций. Размеры канала - из условия свободного прохода человека. Полупроходные сооружаются когда трубопроводы требуют постоянного наблюдения, а сооружение проходных каналов экономически нецелесообразно. Размеры полупроходных каналов выбираются из условия прохода человека в полусогнутом состоянии (hв свету 
1.4м).
Проходные и полупроходные каналы должны быть оснащены системой вентиляции, поддерживающей температуру воздуха в канале не выше 500С, иметь освещение (u<30В), иметь устройство для отвода дренажных вод, через каждые 200 метров должны быть люки.
Непроходные каналы – из готовых железобетонных конструкций. Размер канала зависит от диаметра прокладываемого трубопровода. В местах скопления арматуры делаются теплофикационные колодцы, павильоны, камеры.
Прокладка бесканальная может быть в литых, шамотных и засыпных конструкциях.
Трубопроводы, проложенные под землей, находятся в условиях, способствующих коррозии. Для защиты трубопроводов от влаги нужна гидроизоляция трубопровода (на сам трубопровод): покрытие гидрозолом, эмалирование, нанесение пленочных покрытий.
Для защиты от увлажнения на поверхность тепловой изоляции обязательно накладывается покрывной слой.
Для снижения уровня грунтовых вод делается попутный дренаж (с одной или двух сторон трубопровода укладываются керамические трубы d>250 мм через каждые 40 метров сооружают колодцы для прочистки дренажа).
Для защиты от блуждающих токов используют:
1. Катодную защиту. В грунт закладывают электроды и подают напряжение.
2. Электрическое секционирование трубопроводов. В этом случае элементы трубопроводов соединяются с использованием фланцев между которыми закладывают электроизоляционный материал.
3. Увеличение электрического сопротивления. На переходе рельсы – грунт (укладка рельсов на слой гравия), увеличение электросопротивления грунта (спец. добавки в почву), применение электроизоляционных покровных материалов, прокладка труба в трубе.
7.2. Опоры трубопроводов.
Опоры делят на свободные и неподвижные. Свободные опоры воспринимают вес трубопровода с тепловой изоляцией, теплоносителем и позволяют трубопроводу свободно перемещаться.
Неподвижные опоры воспринимают усилия внутреннего давления, реакцию компенсаторов и свободных опор. Они фиксируют положение трубопроводов.
| Удельная нагрузка
q в=  -
q в – вес трубопровода с изоляцией и снеговым покрытием на 1 м трубы. qг – горизонтальная составляющая (ветровое усилие).
k – аэродинамический коэффициент (1.4…1.6). Wв, r в – скорость и плотность воздуха.
|
dH – диаметр тепловой изоляции.
Расстояние между свободными опорами определяется либо по допустимым напряжениям на изгиб, либо по допустимой стреле прогиба y. Максимальный изгибающий момент на опоре есть
.
Стрела прогиба трубопровода определяется по формуле
, где EJ - жёсткость трубы; E - модуль Юнга; J - момент инерции.
, где W - полярный момент сопротивления трубы. Отсюда
- расстояние между опорами.
Свободные опоры могут быть скользящими, роликовыми и катковыми.
| Реакция на скользящей опоре определяется как N = Q b μ, Qb =1.5 qbl Здесь μ – коэффициент трения скольжения; Qb - вертикальное усилие на опоре. Коэффициент 1.5 учитывает возможность провисания одной из опор. Скользящие опоры применяются для трубопроводов с диаметром меньше 400 мм. |
1-тепловая изоляция;
2-опорный полуцилиндр;
3-скоба; 4-бетонный камень.
Рис.7.2. Скользящая опора
| Горизонтальная реакция на роликовой опоре рассчитывается из условия равенства силовых моментов.
 , откуда 
|
Рис.7.3. Роликовая опора
Где S – коэффициент трения качения; m – коэффициент трения скольжения на поверхности цапфы; r – радиус цапфы; R – радиус ролика. Роликовые опоры применяются на трубопроводах среднего диаметра.
Рис.7.4. Катковая опора
Величина горизонтальной реакции определяется по формуле
, где S 1 – коэффициент трения качения при перемещении катка по опорной поверхности; S 2 – коэффициент трения качения при перемещении стальной поверхности трубопровода по поверхности катка. Катковые опоры применяются на трубопроводах большого диаметра.
Из всех свободных опор наименьшее значение горизонтальной реакции имеют роликовые опоры.
В ряде случаев применяются также подвесные опоры.
1) 2)
Рис.7.5. Подвесные опоры
1. Простая; 2. Пружинная
Неподвижные опоры воспринимают реакцию внутреннего давления, свободных опор и компенсатора.
Результирующее усилие, действующее на неподвижную опору, может быть представлено в виде
, где
a – коэффициент, зависящий от направления действия осевых усилий внутреннего давления с обоих сторон опоры. Если опора разгружена от усилия внутреннего давления, то a =0, иначе a =1; p – внутреннее давление в трубопроводе; F в – площадь внутреннего сечения трубопровода; m – коэффициент трения на свободных опорах; Dl – разность длин участков трубопровода с обеих сторон неподвижной опоры; DS – разность сил трения осевых скользящих компенсаторов или сил упругости гибких компенсаторов с обоих сторон неподвижной опоры.
Рис.7.6. Схемы расположения опор
Схема 1. С обоих сторон неподвижной опоры А расположены сальниковые компенсаторы. Торцевые сечения участков трубопровода с обеих сторон опоры А открыты. Осевое усилие внутреннего давления не передается (а =0).
Схема 2. С обоих сторон опоры А расположены участки с естественной компенсацией. Торцевые сечения участка закрыты отводами с обоих сторон опоры А. Усилия внутреннего давления передаются, но они противоположны и равны (а =0).
Схема 3. На трубопроводе установлена задвижка. При ее закрытии с обеих сторон может установиться разное давление. Появится осевое усилие ((а =1).
Схема 4. С одной стороны – сальниковый компенсатор, с другой – гнутый (упругий) компенсатор. Осевое усилие внутреннего давления направлено от неподвижной опоры в сторону упругого компенсатора.
7.3. Компенсация температурных деформаций
Компенсация температурных деформаций стальных трубопроводов имеет исключительно важное значение при транспорте теплоносителя. При нагреве в стенке трубы возникают большие разрушающие напряжения. Если отсутствует компенсация температурных напряжений, то это может привести к разрушению трубопровода. Удлинение трубы при повышении температуры на D t можно рассчитать по формуле
, где l – расстояние между неподвижными опорами; t M-температура при монтаже; a - коэффициент линейного удлинения; для углеродистой стали a = 1.2 
10-5, 1/град Напряжение, возникающее при температурной деформации
s = 
Усилие сжатия, возникающее при нагреве в прямолинейном трубопроводе без компенсации 
Для компенсации температурных деформаций используют различные пластичные вставки (компенсаторы).
По принципу действия компенсаторы разделяются на радиальные и осевые.
Осевые компенсаторы допускают перемещения трубопровода только по направлению оси. Их нельзя устанавливать близко к поворотам.
Осевые компенсаторы: сальниковые, линзовые (сильфонные).
Рис.7.7. Линзовый компенсатор
Линзовые компенсаторы устанавливаются на трубопроводах низкого давления – до 0.5 Мпа.
Наибольшее распространение получили гнутые компенсаторы.
Рис.7.8. Схемы гнутых компенсаторов
Радиальные компенсаторы позволяют перемещение трубопровода и в осевом, и в радиальном направлениях. При радиальной компенсации термическая деформация трубопровода воспринимается за счет изгиба эластичных вставок или отдельных участков самого трубопровода.
7.4. Особенности температурной компенсации при бесканальной прокладке.
При бесканальной прокладке изоляция трубопровода находится в непосредственном контакте с грунтом, а также и под давлением грунта. При изменении температуры трубопровода возникает сила трения. Р – усилие возникающее при нагреве металла.
.
Кроме того, на трубопровод действует сила трения на протяжении всего трубопровода.
.
dтр = dиз, если имеет место адгезия изоляции к металлу трубы (трубопровод перемещается вместе с изоляцией). dтр = dн, если адгезия отсутствует и трение действует на поверхности металла. При нагреве трубы перемещение наблюдается только на тех участках, на которых P>N. Максимальное напряжение возникает в том сечении, где P=N. Участок, на котором P>N - защемлен. Увеличение D t приводит к смещению сечения с максимальным напряжением ближе к опоре, и при некотором значении D t это сечение будет размещаться над опорой. Предельное значение длины пролета от компенсатора до опоры можно рассчитать из условия P=N.
.
Для трубопровода без адгезии dср=dтр. При изменении температуры теплоносителя компенсация деформации происходит не на всей длине, а на участке l *от компенсатора в сторону опоры, на котором сила сжатия или растяжения больше силы трения.
При этом температурном режиме все сечения трубопровода на расстоянии l > l * находятся в защемленном состоянии, компенсации этих участков нет.
При Δ t = Δ t *, перемещение свободного конца составит: Δ l =0.5α l(τ – t0), т.е. происходит недокомпенсация трубопровода.
При Δ t > Δ t *, напряжения в сечении над опорой меняются, удлинение составляет величину: Δ l =α l Δt=0.5α l Δt*.
Рис.7.9. Температурные деформации и напряжения в бесканальных теплопроводах
а) - удлинение при начальном нагреве: 1 – действительное; 2 – при свободном перемещении;
б) – изменение напряжений при нагреве и охлаждении
При повышении температуры (от Δ t =0 до Δ t = Δ t*) в данном сечении возникает напряжение сжатия, которое растет от 0 до - s 1 (линия 0-1 на рис.7.8б). При дальнейшем повышении температуры - от Δ t 1 до Δ t 2 напряжение сжатия не меняется (линия 1-2). Процесс, происходящий при снижении температуры показан линией 2-3-4-5. На участке 2-3 температура снижается на Δ t 2 - Δ t 3 = Δ t 1 - Δ t 0, а напряжение сжатия уменьшается до 0. При дальнейшем снижении температуры – до Δ t 4 – возникает напряжение растяжения, которое растет от 0 до s 1 при Δ t 4. При дальнейшем снижении температуры напряжение не меняется, т.к. сила сжатия больше силы трения. Последующие циклы нагрева и охлаждения характеризуются линией 5-6-7-2-3-4-5. При длине пролета больше lmax напряжение у опоры может стать больше допустимого, и трубопровод может быть разрушен.
7.5. Радиальная компенсация
Компенсация напряжений за счет изгиба отдельных участков самого трубопровода называется естественной компенсацией. Преимущества – простота устройства, надежность, разгруженность неподвижных опор от усилий внутреннего давления. Недостаток – поперечное перемещение деформируемых участков. Это требует увеличения сечения непроходных каналов и затрудняет применение засыпных изоляций и бесканальной прокладки.
| Максимальное изгибающее напряжение в П-образном компенсаторе есть  , где A=2{1/k[3.14R l 2-2.28R2 l +1.4 R3]+0.67 l 3+ l 1 l 2-4R l 2+2 l 2 l 1-1.33 R3}. Это напряжение возникает в "спинке" компенсатора (верхняя горизонтальная перекладина). При предварительной растяжке компенсатора на половину теплового удлинения трубопровода компенсирующая способность есть 
|
Рис.7.10. Схема П-образного компенсатора
&&&
$$$002-008-100$Лекция №8.Вопросы для самоконтроля
&&&
$$$002-009-000$3.2.9 Лекция №9. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ
{Вопросы лекции}
1 Подземная прокладка.
2 Подземная бесканальная однотрубная прокладка.
3 Подземная бесканальная двухтрубная прокладка.
4 Подземная канальная прокладка.
5 Тепловые потери трубопровода.
6 Выбор толщины изоляционного слоя.
&&&
$$$002-009-001$3.2.9.1
{Конспект лекции}
В задачу теплового расчета трубопроводов входит:
1) расчет толщины изоляции;
2) расчет снижения температуры теплоносителя;
3) расчет температурного поля вокруг теплопроводов;
4) расчет потерь тепла.
Количество тепла, проходящее через цепь последовательно соединенных термических сопротивлений в единицу времени есть
. (8.1)
q – линейная плотность теплового потока; R – термическое сопротивление; t – температура теплоносителя; t 0 – температура окружающей среды.
8.1. Наземная прокладка.
R=Rвн + Rст + Rиз + Rнар.
При наземной прокладке влияние соседней трубы не учитывается.
8.2. Подземная прокладка.
8.2.1. Подземная бесканальная однотрубная прокладка
| При бесканальной прокладке R=Rиз + Rгр. Термическое сопротивление грунта определяется по формуле
 ,
lгр – коэффициент теплопроводности грунта; h – глубина залегания оси трубы; d – диаметр трубы. Если h/d > 2, то приближенно
 . Подсчет теплопотерь проводят не при действительной глубине залегания трубы, а по приведенной
hп=h + hф, где hф – толщина фиктивного слоя грунта. hф =lгр/a, где a – коэффициент теплоотдачи на поверхности.
|
Рис.8.1. Схема однотрубного бесканального теплопровода
8.2.2. Подземная бесканальная двухтрубная прокладка
| Взаимное влияние соседних труб учитывается условным дополнительным сопротивлением R0. В этом случае
 .
Теплопотери первой трубы
|
Рис.8.2. Схема двухтрубного бесканального теплопровода
Теплопотери второй трубы
. Здесь t 0 – естественная температура грунта на глубине оси трубы h. Температурное поле в грунте вокруг двухтрубного бесканального теплопровода определяется по формуле
.
t – температура любой точки грунта, удаленной на x от вертикальной плоскости, проходящей через ось трубы с более высокой температурой теплоносителя (подающий трубопровод), и на y от поверхности грунта.
8.2.3. Подземная канальная прокладка
| При наличии воздушной прослойки между изолированным трубопроводом и стенкой канала термическое сопротивление определяется как
R=Rи + Rн + Rпк + Rк + Rг.
Температура воздуха в канале определяется из уравнения теплового баланса
|
Рис.8.3. Схема канальной прокладки однотрубного теплопровода
При канальной прокладке многотрубного теплопровода уравнение теплового баланса можно записать в виде
.
После определения температуры воздуха в канале рассчитываются потери тепла от каждой трубы.
8.3. Тепловые потери трубопровода
Тепловые потери тепловой сети складываются из потерь тепла участков трубопровода без арматуры и фасонных частей – линейных тепловых потерь и теплопотерь фасонных частей, арматуры, опор, фланцев и т.п. – местных потерь тепла.
Линейные потери тепла есть
Qл = ql
Потери тепла отводов, колен, гнутых компенсаторов и т.п., периметр поперечного сечения которых близок к периметру трубопровода, рассчитываются по формулам для прямых круглых труб. Тепловые потери фланцев, фасонных частей и арматуры обычно определяются в эквивалентных длинах трубы того же диаметра.
Qм = qlэкв.
Суммарные потери тепла трубопровода определяются как
Q=q(l+lэкв)=ql(1+b), b=lэкв/l.
Для предварительных расчетов можно принять b =0.2-0.3.
Изменение энтальпии теплоносителя вследствие тепловых потерь можно определить из уравнения баланса
.
При транспорте насыщенного пара вследствие падения энтальпии выпадает конденсат. При коротких трубопроводах, когда ожидаемое падение температуры не превышает 3-4 % величины температуры в начале участка, расчет можно проводить в предположении постоянства удельных тепловых потерь. При длинных или слабо изолированных участках трубопровода нужно учитывать изменение удельных тепловых потерь по длине трубы. Уравнение баланса тепла для участка dl трубы
.
После интегрирования в пределах от tн до tк и от 0 до l получим
.
Данная формула справедлива, строго говоря, для изобарного течения. Снижение температуры при падении давления можно определить по
, где 
- дифференциальный дроссель-эффект; Dp – падение давления пара. Действительная температура пара в конце трубопровода есть 
. Можно найти длину паропровода, на которой пар теряет перегрев. Для точного расчета длины нужно знать закон изменения температуры и давления по длине трубы. Задача решается графически.
| 1 – кривая изменения температуры по длине трубопровода; 2 – кривая изменения давления по длине трубопровода; 3 – кривая температур насыщения по длине трубопровода.
Количество конденсата на участке трубопровода
|
Рис.8.4. Определение точки выпадения конденсата
8.4. Выбор толщины изоляционного слоя
Материал изоляции выбирается исходя из критической толщины тепловой изоляции, диапазона рабочих температур, технологических и эксплуатационных соображений.
Толщина изоляционного слоя выбирается исходя из технических и технико-экономических соображений.
Технические требования.
1. Необходимо обеспечить заданную температуру теплоносителя в отдельных точках тепловой сети. Обычно это условие предъявляется к паропроводу.
2. Обеспечение нормированных теплопотерь.
3. Непревышение заданной температуры поверхности изоляции.
При прокладке теплопровода в рабочих помещениях температура поверхности изоляции не должна превышать 40-50 0С.
На основании технических требований определяется предельная минимальная толщина изоляции.
&&&
$$$002-009-100$Лекция №9.Вопросы для самоконтроля
&&&
$$$002-010-000$3.2.10 Лекция №10. РАЦИОНАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ
{Вопросы лекции}
1Основные недостатки современных тепловых сетей.
2 Гидравлическая устойчивость сети.
3 Нейтральные точки.
4 Управляемость системы.
5 Резервирование.
6 Выбор схем подключения абонентских установок.
&&&
$$$002-010-001$3.2.10.1
{Конспект лекции}
9.1 Основные недостатки современных тепловых сетей
Основные недостатки:
1) высокая повреждаемость тепловых сетей и отсутствие резервирования, что приводит к частому отключению системы;
2) отсутствие согласованной работы источников тепла, что затрудняет режим подачи тепла в аварийных ситуациях;
3) низкая гидравлическая устойчивость систем, вследствие чего системы должны работать с повышенным по отношению к расчетному расходом воды;
4) низкая управляемость систем, вследствие чего система работает нормально только при постоянном расходе воды;
5) жесткая гидравлическая связь между всеми элементами системы, что может привести к повышению давления в некоторых элементах выше допустимого;
6) большие потери теплоносителя в аварийных ситуациях;
7) высокая стоимость сетей, особенно в закрытых системах, где в ЦТП установлены подогреватели;
8) потребность в большом количестве авторегуляторов;
9) из-за наличия на абонентских вводах элеваторов, недопустимо местное количественное регулирование;
10)невозможность повысить температуру сетевой воды выше 150 0С.
9.2 Гидравлическая устойчивость сети. Нейтральные точки
Гидравлическая устойчивость сети – способность систем поддерживать заданный гидравлический режим. Характеризуется коэффициентом гидравлической устойчивости.
Обозначается y. Это отношение расчетного расхода к максимально возможному. О гидравлической устойчивости сети судят по наиболее удаленному потребителю.
|
Максимальный расход воды у потребителя будет, если отключить все остальные потребители.
|
|
|
D H c при максимальном расходе у потребителя стремится к нулю.
где D H c - потери давления в сети в расчетном режиме.
|
Для повышения гидравлической устойчивости сети при проектировании требуется выбирать наименьшее количество местных сопротивлений. В процессе эксплуатации задвижки должны быть полностью закрыты.
Для стабилизации режима давления в сети в одной или двух (при сложном профиле местности) точках системы давление искусственно изменяют по определенному закону. Такие точки называются точками регулируемого давления. Если в этих точках и в статическом, и в динамическом состоянии поддерживается одно и тоже давление, то эту точку называют нейтральной. Нейтральные точки целесообразно размещать на перемычке сетевых насосов.
Изменение давления в нейтральной точке служит импульсом для регулирования расхода подпиточной воды.
9.3 Управляемость системы
Основные принципы проектирования тепловых сетей:
1) простота;
2) надежность;
3) экономичность;
4) управляемость;
5) резервирование.
Под управляемостью понимают возможность согласованного изменения режима работы всех звеньев системы теплоснабжения. Управляемость определяется тремя факторами:
1) наличием авторегуляторов. Всякая автоматизированная система управляема;
2) гидравлической устойчивостью;
3) количеством самостоятельных элементов системы.
Возможно два типа структуры тепловой сети: