Расчет тепловых потерь трубопроводами в excel - Word и Excel

Расчет теплоотдачи трубы

Опубликовано 18 мая 2018
Рубрика: Теплотехника | 39 комментариев

Сколько тепла отдает воздуху помещения стояк или лежак системы отопления? На сколько градусов остывает вода в изолированной воздушной теплотрассе? Как правильно и экономично выполнить теплоизоляцию трубопровода? Используя представленную далее…

…программу в Excel, можно оперативно получить точные ответы на эти и другие вопросы!

Объект исследований — труба с теплоносителем — водой, окруженная воздушным пространством.

Очередные пользовательские функции (ПФ) Полковова Вячеслава Леонидовича выполняют автоматический расчет теплоотдачи трубы с теплоизоляцией поверхности и без таковой в любом пространственном положении.

Напомню, что пользовательской функцией (ПФ-функцией, UDF-функцией) в Excel называется программа (макрос), записанная на языке VBA в программном модуле файла, и имеющая вид:

y=f (x₁, x₂, x₃, …, x_n), где:

y – значение функции (искомый расчетный параметр);
x₁, x₂, x₃, …, x_n – значения аргументов функции (исходные данные).

Чуть подробнее о работе с пользовательскими функциями можно посмотреть в предыдущей статье на блоге и почитать в Интернете.

Расчет в Excel теплоотдачи трубы.

Для выполнения расчетов необходимо ввести в таблицу MS Excel исходные данные. Их – 13. Это — физические параметры теплоносителя (воды), температура окружающего воздуха, геометрические размеры трубы и слоя теплоизоляции, теплопроводность материалов и степень черноты наружных поверхностей трубы и изоляции.

В ячейках результатов автоматически выводится значение мощности тепловой отдачи трубы в Ваттах для четырёх вариантов, и температура остывания воды в градусах Цельсия за время движения по заданному участку трубопровода.

Все 22 пользовательские функции, задействованные в этой расчетной программе Excel, записаны каждая в своем Module в папке Modules. Доступ к папке — в Редакторе Visual Basic.

Теория, алгоритмы, литература.

Трубы, в системах теплоснабжения, могут выполнять две функции — транспортировать теплоноситель к месту его использования и служить сами отопительным прибором (регистром).

При реализации любой из вышеперечисленных функций необходимо производить количественную оценку эффективности её выполнения.

Основные показатели для систем транспорта тепловой энергии определены нормативными документами СО 153-34.20.523-2003 в 4 частях.

В любом случае возникает необходимость оперативного и точного расчёта:

параметров теплообмена между трубой и окружающей её средой;
затрат энергии на транспортирование теплоносителя (воды) через трубу.

Теплоотдача «голой» трубы

Параметры, знание которых позволяет рассчитывать тепловые процессы в системе «вода — труба — воздух», собраны и показаны в блоке исходных данных таблицы из предыдущей части статьи.

На рисунке ниже приведена эквивалентная схема теплоотдачи голой трубы.

При расчётах теплоотдачи трубы удобно использовать метод аналогии между теплотехникой и электротехникой, принимая:

перепад температур dt=t_вода— t_возд, как разность электрических потенциалов;
тепловой поток q, как электрический ток;
термическое сопротивление R_t, как электрическое сопротивление.

По аналогии с законом Ома получаем следующее уравнение:

q=dt/R_t=(t_вода— t_возд)/(R_вн+R_тр+R_нар), Вт.

Термическое сопротивление между двумя средами – водой и воздухом – препятствует всем формам теплообмена между ними:

конвективному;
контактному;
излучением.

Каждая из перечисленных форм теплообмена имеет свою специфику и описывается соответствующими аналитическими выражениями.

1. Конвективный теплообмен между движущейся водой и твёрдой цилиндрической стенкой

R_вн=1/(α_вн·F_вн) – термическое внутреннее сопротивление, °С/Вт, где:

α_вн – средний по длине трубы коэффициент теплоотдачи от движущейся воды внутренней поверхности трубы, Вт/(м²·°С);
F_вн — площадь смачиваемой внутренней стенки трубы, м².

α_вн=Nu_вода·λ_вода/D_тр– коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности трубы, Вт/(м²·°С), где:

Nu – критерий Нуссельта;
λ_вода – коэффициент теплопроводности воды, Вт/(м·°С);
D_тр – гидравлический диаметр трубы, м.

Число Нуссельта (Nu_вода) для движущейся воды в цилиндрической трубе, равно:

Nu_вода=С·Re_вода^m·Pr_водаⁿ·K — число Нуссельта для движущейся воды в цилиндрической трубе, где:

Re_вода – число Рейнольдса для движущейся воды;
Pr_вода – число Прандтля для воды;
С, m, n и K – индексы, значения которых зависят от характера потока воды (ламинарный или турбулентный).

2. Термическое сопротивление твёрдой стенки цилиндрической трубы

R_тр=Ln(D_нар/D_тр)/(λ_тр·2·π·L_тр) — термическое сопротивление стенки трубы, °С/Вт, где:

D_нар – наружный диаметр трубы, м;
D_тр – внутренний диаметр трубы, м;
λ_тр – к-т теплопроводности материала трубы, Вт/( м·°С);
L_тр – длина трубы, м.

3. Конвективный и лучистый теплообмены между твёрдой цилиндрической стенкой трубы и окружающим воздухом

R_нар=1/[(α_к+α_л)·F_нар] – термическое наружное сопротивление, °С/Вт, где:

α_к – средний по длине трубы коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м²·°С);
α_л – средний по длине трубы коэффициент лучистой теплоотдачи, Вт/(м²·°С);
F_нар — площадь омываемой воздухом наружной стенки трубы, м².

α_к=Nu_возд·λ_возд/D_нар— коэффициент теплоотдачи за счёт конвекции, Вт/(м²·°С), где:

Nu_возд – критерий Нуссельта для воздуха;
λ_возд – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/( м·°С);
D_нар – наружный диаметр трубы, м.

Nu_возд=С·(Gr_возд·Pr_возд)ⁿ·K — число Нуссельта для воздуха, омывающего цилиндрическую горизонтальную трубу, где:

Gr_возд – критерий Грасгофа для воздуха;
Pr_возд – критерий Прандтля для воздуха;
С, m и n – индексы, значения которых зависит от характера потока воздуха, омывающего трубу.

Если Gr_возд·Pr_возд≤10⁹ — ламинарный поток воздуха: С=0,47; n=0,26; К=1.

Если Gr_возд·Pr_возд>10⁹ — турбулентный поток воздуха: С=0,2; n=0,33; К=1.

Gr_возд=g·β·ρ_возд²·dt_нар·D_нар³/μ_возд² — число Грасгофа для воздуха, омывающего горизонтальную трубу, где:

g – ускорение свободного падения, м/с²;
β – температурный коэффициент объёмного расширения для воздуха, 1/К;
ρ_возд – объёмная плотность воздуха, кг/м³;
dt_нар – разность температур между наружной стенкой трубы и воздухом, °С;
μ_возд — динамическая вязкость воздуха, Н·с/м² (Па·с).

q_л=e_изл·С₀·[(T₀+t_возд+dt_нар)⁴-(T₀+t_возд)⁴] — удельный тепловой поток за счёт излучения, Вт/м², где:

e_изл – излучательная способность (степень черноты) поверхности трубы;
С₀– постоянная Стефана-Больцмана, С₀=5,67·10^-8 Вт/(м²·К⁴).

α_л=q_л/dt_нар — коэффициент теплоотдачи за счёт излучения, Вт/(м²·К).

4. Перепад температур между наружной стенкой трубы и воздухом

Значение разности температур между наружной стенкой трубы и воздухом (dt_нар) находится с помощью метода итераций при использовании следующих равенств:

R_нар=φ(dt_нар) -> dt_нар=R_нар·q -> R_нар=φ(dt_нар) n раз, или до момента Δ(dt_нар) ≈ 0.

5. Итоговые обобщения алгоритма

При движении воды по трубе изменяются физические параметры воды и, следовательно, меняются режимы теплообмена. Для «длинных» труб погрешности расчёта могут быть очень большими, даже при использовании усреднённых значений физических параметров (Р, t) воды.

Одним из вариантов повышения точности расчётов является разбиение трубы на участки небольших размеров, физические параметры воды на которых изменяются в «приемлемых границах». При этом параметры воды на выходе предыдущего участка являются входными параметрами воды последующего участка.

Рассмотренный выше алгоритм расчета разработан для горизонтально расположенных труб.

Аналогичный алгоритм расчёта и аналитические зависимости используются и при расчёте теплоотдачи вертикальной трубы. Незначительные отличия в формулах и новые значения индексов представлены далее.

Nu_возд=С·(Gr_возд·Pr_возд)ⁿ — критерий Нуссельта для воздуха, омывающего цилиндрическую вертикальную трубу, где:

Gr_возд=g·β·ρ_возд²·dt_нар·L_тр³/μ_возд² — критерий Грасгофа для воздуха, омывающего вертикальную трубу.

Если Gr_возд·Pr_возд≤10⁹ — ламинарный поток воздуха: С=0,59; n=0,25.

Если Gr_возд·Pr_возд>10⁹ — турбулентный поток воздуха: С=0,021; n=0,4.

6. Пользовательские функции

Для автоматизации рутинных расчетов были разработаны перечисленные ниже пользовательские функции (ПФ), предназначенные для вычисления параметров теплообмена между «голой» трубой и внешней воздушной средой:

ПФ для расчёта теплоотдачи горизонтальной «голой» трубы с водой в воздушном пространстве:

Р_трГГ=qТрВодаВоздухГор(P_вода, G_вода, t_вода, t_возд, D_тр, h_тр, λ_тр, kэ, L_тр, е_тр), Вт.

ПФ для вычисления тепловой мощности вертикальной «голой» трубы, заполненной движущейся водой и окруженной воздушной средой:

Р_трВГ=qТрВодаВоздухВерт(P_вода, G_вода, t_вода, t_возд, D_тр, h_тр, λ_тр, kэ, L_тр, е_тр), Вт.

ПФ для расчёта разности между температурами воды на входе и выходе горизонтальной «голой» трубы при теплообмене с воздушной средой:

dt_трГГ=dtТрВодаВоздухГор(P_вода, G_вода, t_вода, t_возд, D_тр, h_тр, λ_тр, kэ, L_тр, е_тр), °С.

ПФ для вычисления изменения температуры воды на участке от входа до выхода из вертикальной «голой» трубы, находящейся в воздушном пространстве:

dt_трВГ=dtТрВодаВоздухВерт(P_вода, G_вода, t_вода, t_возд, D_тр, h_тр, λ_тр, kэ, L_тр, е_тр), °С.

Теплоотдача изолированной трубы

На следующем рисунке приведена эквивалентная схема к расчету теплоотдачи изолированной трубы.

Расчётный алгоритм для теплоизолированной трубы отличается от алгоритма для «голой» трубы учётом дополнительного термического сопротивления теплоизоляции.

R_из=Ln(D_из/D_нар)/(λ_из·2·π·L_тр) – термическое сопротивление изоляции, °С/Вт, где:

D_из – наружный диаметр теплоизоляции, м;
D_нар – наружный диаметр голой трубы, м;
λ_из – коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции, Вт/( м·°С);
L_тр – длина трубы, м.

q=dt/R_t=(t_вода— t_возд)/(R_вн+R_тр+R_из+R_нар) — тепловой поток от воды через стенку трубы, слой изоляции к окружающему водуху, Вт.

Остальные формулы — те же, что и в расчетах «голой» трубы.

Для упрощения расчётов теплоотдачи изолированных труб были разработаны похожие на предыдущие четыре пользовательские функции:

ПФ для расчёта теплоотдачи изолированной горизонтальной трубы:

Р_трГИ=qТрИзолВодаВоздухГор(P_вода, G_вода, t_вода, t_возд, D_тр, h_тр, λ_тр, h_из, λ_из, kэ, L_тр, e_из), Вт.

ПФ для вычисления тепловой мощности изолированной вертикальной трубы:

Р_трВИ=qТрИзолВодаВоздухВерт(P_вода, G_вода, t_вода, t_возд, D_тр, h_тр, λ_тр, h_из, λ_из, kэ, L_тр, e_из), Вт.

ПФ для определения падения температуры воды в теплоизолированной горизонтальной трубе:

dt_трГИ=dtТрИзолВодаВоздухГор(P_вода, G_вода, t_вода, t_возд, D_тр, h_тр, λ_тр, h_из, λ_из, kэ, L_тр, e_из), °С.

ПФ для расчёта разности между температурами воды на входе и выходе теплоизолированной вертикальной трубы:

dt_трВИ=dtТрИзолВодаВоздухВерт(P_вода, G_вода, t_вода, t_возд, D_тр, h_тр, λ_тр, h_из, λ_из, kэ, L_тр, e_из), °С.

Влияние степени черноты наружной поверхности на мощность теплового потока «голых» и изолированных труб

В рассмотренном ниже примере расчёты теплоотдачи выполнены с использованием пользовательских функций для «голой» и теплоизолированной труб со степенью черноты наружных поверхностей в диапазоне e=0,1…1,0.

Графики наглядно демонстрируют, что коэффициент излучения наружной поверхности теплоизоляции не значительно влияет на относительную мощность теплового потока. В то же время степень черноты внешней стенки «голой» трубы оказывает весьма существенное влияние на теплоотдачу! Это означает, что для «голых» труб необходимо более точно в расчётах задавать значение коэффициента излучения их наружных поверхностей. Для теплоизолированных труб точность задания степени черноты поверхности изоляции менее критична.

Коэффициенты излучения поверхностей различных материалов существенно отличаются и часто значительно зависят от температуры.

Литература:

Х.Уонг Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. Справочник. Москва. Атомиздат. 1979.
Ф.Крейт, У.Блэк Основы теплопередачи. Москва, Мир, 1983.
М.А. Михеев, И.М. Михеева Основы теплопередачи. Издание второе. Москва, Энергия, 1977.
В.Р. Кулинченко Справочник по теплообменным расчётам. Киев. Тэхника, 1990.

Ссылка на скачивание файла: raschet-teplootdachi-truby (xls 271,0KB).

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Источник

TeploRotr ( на

www.janko.front.ru

)

Программа расчета теплопотерь (версия от 10.02.10 c доработкой и изменениями) через изоляцию трубопроводов с расчетом экономической (оптимальной) толщины последнего слоя изоляции. В том числе:

1. Надземная до 3-х слоев изоляции. Расчет времени замерзания теплоносителя при простое.

2. Подземная бесканальная многотрубная (многониточная) до 4-х тр-дов. Предусмотрена возможность построения и просмотра температурных полей грунта с определением температуры грунта в любой точке заявленого подземного участка. Размещение тр-дов в грунте произвольное может изменяться с помощь ввода координат пользователем.

3. Подземная в непроходных каналах до 4-х тр-дов.

4. Расчет потерь тепла по длине паропровода при надземной прокладке. Расчет обьема изоляции (без учета К(уплотн.)), трубопроводов, площади поверхности.

5. Расчет потерь тепла многослойными стенками. Калькулятор теплофизических свойств сухого воздуха.

6. Расчет потерь тепла паровыми спутниками трубопроводов. Калькулятор теплофизических свойств мазутопродуктов(коэф-нтов уравнения Вальтера) и потерь давления прямого участка мазутопровода.

7. Расчет одноходовых горизонтальных теплообменников «труба в труба» (пар-мазут, пар-вода, вода-вода.). Греющая среда подается только в межтрубное пространство.

8. Расчет теплоодачи горизонтального тр-да на компенсацию потерь тепла через изоляцию БАГВ.

9. Расчет потерь давления на составляющих элементах узлов учета тепловой енергии. Калькуляторы теплофизических свойств воды и КМС.

10. Раздел по оценке нерационального использования воды, сжатого воздуха, потерь тепла неизолированной арматурой, электроэнергии на перекачку воды гидравлически несовершенными трубами и другое….Несколько справочников по свойствам теплоизоляционных метериалов, огнеупоров, сталей (для себя).

11. Доработан калькулятор нагревания горизонтальным паропроводом воды в резервуаре (приямки моечных машин), расширен вывод расчетных величин необходимых при расчете экономической (оптимальной) толщины последнего слоя изоляции трубопровода, а также калькулятор ориентировочных теплопотерь цилиндрического подземного резервуара. Устранены некоторые очепятки.

12.По ряду расчетов предусмотрен вывод результатов в текстовый файл. Ряд значений промежуточных параметров расчетов, пояснений, ссылок на формулы и составляющих результатов расчетов можно посмотреть в режиме «всплывающей подсказки» подводя курсор к соответствующим ячейкам . Перечень используемой литературы и ссылки на формулы есть в самой программе.

P.S. Сделано «для себя». Язык интерфейса: украинский.

Источник

Расчет в Excel теплопотерь через пол и стены, примыкающие к грунту по общепринятой зональной методике В.Д. Мачинского.

Температура грунта под зданием зависит в первую очередь от теплопроводности и теплоемкости самого грунта и от температуры окружающего воздуха в данной местности в течение года. Так как температура наружного воздуха существенно различается в разных климатических зонах, то и грунт имеет разную температуру в разные периоды года на разных глубинах в различных районах.

Для упрощения решения сложной задачи определения теплопотерь через пол и стены подвала в грунт вот уже более 80 лет успешно применяется методика разбиения площади ограждающих конструкций на 4 зоны.

Каждая из четырех зон имеет свое фиксированное сопротивление теплопередаче в м2·°С/Вт:

R₁=2,1 R₂=4,3 R₃=8,6 R₄=14,2

Зона 1 представляет собой полосу на полу (при отсутствии заглубления грунта под строением) шириной 2 метра, отмеренную от внутренней поверхности наружных стен вдоль всего периметра или (в случае наличия подпола или подвала) полосу той же шириной, отмеренную вниз по внутренним поверхностям наружных стен от кромки грунта.

Зоны 2 и 3 имеют также ширину 2 метра и располагаются за зоной 1 ближе к центру здания.

Зона 4 занимает всю оставшуюся центральную площадь.

На рисунке, представленном чуть ниже зона 1 расположена полностью на стенах подвала, зона 2 – частично на стенах и частично на полу, зоны 3 и 4 полностью находятся на полу подвала.

Если здание узкое, то зон 4 и 3 (а иногда и 2) может просто не быть.

Площадь пола зоны 1 в углах учитывается при расчете дважды!

Если вся зона 1 располагается на вертикальных стенах, то площадь считается по факту без всяких добавок.

Если часть зоны 1 находится на стенах, а часть на полу, то только угловые части пола учитываются дважды.

Если вся зона 1 располагается на полу, то посчитанную площадь следует при расчете увеличить на 2×2х4=16 м2 (для дома прямоугольного в плане, т.е. с четырьмя углами).

Если заглубления строения в грунт нет, то это значит, что H=0.

Ниже представлен скриншот программы расчета в Excel теплопотерь через пол и заглубленные стены для прямоугольных в плане зданий.

Площади зон F₁, F₂, F₃, F₄ вычисляются по правилам обычной геометрии. Задача громоздкая, требует часто рисования эскиза. Программа существенно облегчает решение этой задачи.

Общие потери тепла в окружающий грунт определяются по формуле в КВт:

Q_Σ=((F₁+F_1у)/R₁+F₂/R₂+F₃/R₃+F₄/R₄)*(t_вр—t_нр)/1000

Пользователю необходимо лишь заполнить в таблице Excel значениями первые 5 строчек и считать внизу результат.

Для определения тепловых потерь в грунт помещений площади зон придется считать вручную и затем подставлять в вышеприведенную формулу.

На следующем скриншоте показан в качестве примера расчет в Excel теплопотерь через пол и заглубленные стены для правого нижнего (по рисунку) помещения подвала.

Сумма потерь тепла в грунт каждым помещением равна общим тепловым потерям в грунт всего здания!

На рисунке ниже показаны упрощенные схемы типовых конструкций полов и стен.

Пол и стены считаются неутепленными, если коэффициенты теплопроводности материалов (λ_i), из которых они состоят, больше 1,2 Вт/(м·°С).

Если пол и/или стены утеплены, то есть содержат в составе слои с λ<1,2 Вт/(м·°С), то сопротивление рассчитывают для каждой зоны отдельно по формуле:

R_утепл_i=R_{неутепл}_i+Σ(δ_j/λ_j)

Здесь δ_j – толщина слоя утеплителя в метрах.

Для полов на лагах сопротивление теплопередаче вычисляют также для каждой зоны, но по другой формуле:

R_{на лагах}_i=1,18*(R_{неутепл}_i+Σ(δ_j/λ_j))

2 Определение нормируемых эксплуатационныхтепловых потерь

Эксплуатационные
тепловые потери в водяных ТС состоят из двух видов потерь — через
теплоизоляционные конструкции и с утечками сетевой воды.

2.2.1
Определение нормируемых эксплуатационных тепловых потерь через
теплоизоляционные конструкции осуществляется для ТС на балансе энергоснабжающей
организации в виде часовых (при среднегодовых условиях работы ТС) [МВт
(Гкал/ч)] и среднемесячных [МВт (Гкал/ч)] тепловых потерь по участкам ТС (см.
п. 3.1.6 РД
153-34.0-20.523-98 [5, ч. II]) в соответствии с материальной характеристикой (см.
таблицу А.3 настоящих
Рекомендаций), а также месячных и годовых потерь [ГДж (Гкал)] в целом по ТС на
балансе:

— тепловые
потери через изоляцию определяются раздельно по видам прокладки (подземная и
надземная) вследствие различных алгоритмов их зависимости от температур сетевой
воды и окружающей среды (грунта или воздуха) (см. пп. 3.1.6 и 3.1.8 РД
153-34.0-20.523-98 [5, ч. II]);

— нормируемые
часовые среднегодовые потери по участкам ТС в общем виде определяются формулой
(1) РД
153-34.0-20.523-98 [5, ч. II]

= q_нKLβ

Значения
удельных (на 1 м длины) часовых тепловых потерь q_н, Вт/м [ккал/(м × ч)],
по видам прокладки определяются по нормам [1] и [2] в зависимости от срока
ввода ТС в эксплуатацию (см. п. 3.1.7 и
таблицы П1.1 — П1.5 РД
153-34.0-20.523-98 [5, ч. II]):

— к удельным
тепловым потерям вводятся поправочные коэффициенты К, полученные на основании
результатов испытаний или расчета согласно положениям п. 3.1.11 РД
153-34.0-20.523-98 [5, ч. II], и β — на
дополнительные потери тепла арматурой, компенсаторами, опорами (см. п. 3.1.6 РД
153-34.0-20.523-98 [5, ч. II]);

— нормируемые
часовые тепловые потери при среднегодовых условиях работы в целом по ТС на
балансе энергопредприятия определяются путем суммирования часовых среднегодовых
потерь по участкам (по видам прокладки);

— нормируемые
часовые среднемесячные [МВт (Гкал/ч)] и месячные [ГДж (Гкал)]
тепловые потери по видам прокладки определяются путем пересчета часовых
среднегодовых тепловых потерь на среднемесячные температурные условия работы ТС
(см. таблицу А.2 настоящих
Рекомендаций) и число часов работы в данном месяце;

— составляющая
ЭХ по тепловым потерям через изоляцию строится в виде графика часовых
среднемесячных [МВт (Гкал/ч)] (см. рисунок Б.3 настоящих Рекомендаций) и месячных [ГДж (Гкал)]
тепловых потерь в разрезе года раздельно по видам прокладки для тепловой сети
на балансе энергоснабжающей организации.

2.2.2
Определение нормируемых эксплуатационных тепловых потерь с потерями сетевой
воды в настоящих Рекомендациях в соответствии с РД
153-34.0-20.523-98 [5, ч. II] осуществляется только для потерь с нормируемой утечкой в виде
годовых тепловых потерь [ГДж (Гкал)] по
формуле (36) РД
153-34.0-20.523-98 [5, ч. II] (см. рисунок
данных Рекомендаций):

При этом:

— нормируемая
среднегодовая утечка сетевой воды а [м3/(ч × м3)]
принимается по РД
34.20.501-95 [4] в размере 0,25 % среднегодового объема (емкости) ТС и
систем теплопотребления;

— среднегодовой
объем сетевой воды Vср.г (м3)
определяется исходя из объема ТС и систем теплопотребления в отопительном и
летнем периодах работы СЦТ и соответствующего числа часов работы n;

— расчет
производится в целом для ТС и подключенных систем теплопотребления на балансе
энергоснабжающей организации;

— определяются
нормируемые эксплуатационные месячные тепловые потери с утечкой сетевой воды . [ГДж (Гкал)] исходя из сезонных потерь и соответствующих
средних температур сетевой и холодной воды и числа часов работы;

— составляющая
ЭХ по потерям тепла с потерями сетевой воды строится в виде графика месячных
тепловых потерь ТС на балансе энергоснабжающей организации.

2.2.3
Энергетическая характеристика водяных ТС по показателю «тепловые потери»
определяется путем суммирования нормируемых месячных значений тепловых потерь
через тепловую изоляцию с потерями сетевой воды, а также их годовых значений.

Для оценки доли
тепловых потерь от количества переданной тепловой энергии могут быть определены
их относительные значения по месяцам и в целом за год работы ТС.

1 Исходные данные

2.1.1 Источником
теплоснабжения является ТЭЦ в составе АО-энерго, входящего в РАО «ЕЭС России».

На балансе
АО-энерго находятся магистральные и часть распределительных водяных ТС,
основная часть распределительных и квартальные сети эксплуатируются
муниципальным предприятием; ТС на промпредприятия, составляющие незначительную
долю всех ТС, находятся на балансе промпредприятий.

Присоединенная
тепловая нагрузка по договорам составляет 1258 Гкал/ч; в том числе
коммунально-бытовая 1093 и промышленная 165 Ткал/ч; отопительно-вентиляционная
тепловая нагрузка составляет 955 Гкал/ч, максимальная нагрузка на горячее
водоснабжение (по закрытой схеме) — 303 Гкал/ч; отопительно-вентиляционная
нагрузка коммунально-бытового сектора — 790 Гкал/ч, в том числе отопительная —
650 и вентиляционная — 140 Гкал/ч.

Утвержденный
АО-энерго температурный график отпуска тепла (рисунок Б.1 настоящих Рекомендаций) — повышенный, расчетными
температурами воды 150/70 °С при расчетной температуре наружного воздуха t_н.р = -30 °С, со срезкой 135 °С, спрямлением для горячего
водоснабжения (ГВС) 75 °С.

2.1.2 Тепловая
сеть двухтрубная тупиковая; ТС выполнены в основном подземной канальной и
надземной на низких опорах прокладкой, другие виды прокладки (бесканальная, в
проходных каналах и т.п.) занимают незначительный объем (по материальной
характеристике). Тепловая изоляция выполнена из минераловатных изделий.

Продолжительность
отопительного периода 5808 ч, летнего — 2448, ремонтного — 504 ч.

2.1.3
Материальная характеристика ТС на балансе АО-энерго по участкам представлена в
таблице А.1 настоящих
Рекомендаций.

2.1.4
Среднемесячные и среднегодовые значения температуры наружного воздуха и грунта
(на средней глубине залегания трубопроводов) по данным местной
метеорологической станции или климатических справочников, усредненным за
последние 5 лет, приведены в таблице А.2
настоящих Рекомендаций.

2.1.5
Среднемесячные значения температуры сетевой воды в подающем и обратном
трубопроводах по утвержденному температурному графику отпуска тепла при
среднемесячных значениях температуры наружного воздуха и среднегодовые значения
температуры сетевой воды приведены в таблице А.2 настоящих Рекомендаций.

2.1.6 Результаты
испытаний по определению тепловых потерь в виде поправочных коэффициентов к
удельным тепловым потерям по нормам проектирования составляют: в среднем по
надземной прокладке — 0,91; по подземной — 0,87. Испытания проводились в 1997
г. в соответствии с РД
34.09.255-97 [6].

Испытаниям
подвергались участки магистрали № 1 ТЭЦ ÷ ТК-1 и TK-1 ÷ TK-2 надземной прокладки с наружными
диаметрами 920 и 720 мм протяженностью соответственно 1092 и 671 м и участки
магистрали № 2 TK-1 ÷ TK-4 и ТК-4 ÷ ТК-6 подземной
канальной прокладки с наружными диаметрами 920 и 720 мм протяженностью
соответственно 88 и 4108 м. Материальная характеристика испытанных сетей
составляет 38 % всей материальной характеристики ТС на балансе АО-энерго.

2.1.7 Ожидаемый
(планируемый) отпуск тепловой энергии, определяемый планово-экономическими
службами энергоснабжающей организации по месяцам и за год, приведен в таблице настоящих Рекомендаций (без учета
количества тепла на промпредприятия).

Классификация систем теплоснабжения

Существует классификация систем теплоснабжения по различным признакам:

По мощности — различаются по дальности транспортировки тепла и количеству потребителей. Местные системы теплоснабжения находятся в одном или соседних помещениях. Нагрев и передача тепла воздуху объединены в одно устройство и располагаются в печи. В централизованных системах один источник обеспечивает обогрев нескольких помещений.
По источнику тепла. Выделяют районное теплоснабжение и теплофикацию. В первом случае источником отопления является котельная, а при теплофикации тепло обеспечивает ТЭЦ.
По виду теплоносителя выделяют водяные и паровые системы.

Теплоноситель, нагреваясь в котельной или ТЭЦ, переносит теплоту к приборам отопления и водоснабжения в зданиях и жилых домах.
Водяные тепловые системы бывают одно- и двухтрубными, реже — многотрубными. В многоквартирных домах наиболее часто применяют двухтрубную систему, когда по одной трубе горячая вода поступает в помещения, а по другой трубе, отдав температуру, возвращается к ТЭЦ или котельной. Подразделяют открытые и закрытые водяные системы. При открытом типе теплоснабжения горячую воду потребители получают из подающей сети. Если вода используется в полном объеме, применяют однотрубную систему. При закрытом водоснабжении теплоноситель возвращается к источнику тепла.

Системы централизованного теплоснабжения должны соответствовать следующим требованиям:

санитарно-гигиеническим — теплоноситель не оказывает неблагоприятного воздействия на условия помещений, обеспечивая среднюю температуру приборов нагрева в районе 70-80 градусов;
технико-экономическим — пропорциональное соотношение цены трубопровода к расходу топлива для обогрева;
эксплуатационным — наличие постоянного доступа для обеспечения регулировки уровня тепла в зависимости от температуры окружающей среды и времени года.

Прокладывают теплосети над и под землей, учитывая особенности местности, технические условия, температурные режимы эксплуатации, бюджет проекта.

Важно знать! Если на планируемой для застройки территории много грунтовых и поверхностных вод, оврагов, железных дорог или подземных сооружений, то прокладывают надземные трубопроводы. Их часто используют при строительстве тепловых сетей на промышленных предприятиях

Для жилых районов в основном применяют подземные схемы теплопроводов. Преимущество надземных трубопроводов состоит в ремонтопригодности и долговечности.

Выбирая территорию для прокладки теплопровода, нужно учитывать безопасность, а также предусмотреть возможность быстрого доступа к сети в случае аварии или ремонта. С целью обеспечения надежности, сети теплоснабжения не прокладывают в общих каналах с газопроводами, трубами, проводящими кислород или сжатый воздух, в которых давление превышает 1,6 МПа.

Расчёт температуры грунта на заданной глубине

Часто при проектировании раздела «Энергоэффективность» для моделирования температурных полей и для других расчётов необходимо узнать температуру грунта на заданной глубине.

Температуру грунта на глубине измеряют с помощью вытяжных почвенно- глубинных термометров. Это плановые исследования, которые регулярно проводят метеорологические станции. Данные исследований служат основой для климатических атласов и нормативной документации.

Для получения температуры грунта на заданной глубине можно попробовать, например, два простых способа. Оба способа заключаются в использовании справочной литературы:

Для приближённого определения температуры можно использовать документ ЦПИ-22. «Переходы железных дорог трубопроводами». Здесь в рамках методики теплотехнического расчёта трубопроводов приводится таблица 1, где для определённых климатических районов приводятся величины температур грунта в зависимости от глубины измерения. Эту таблицу я привожу здесь ниже.

Таблица 1

Таблица температур грунта на различных глубинах из источника «в помощь работнику газовой промышленности» еще времён СССР

Нормативные глубины промерзания для некоторых городов:

Глубина промерзания грунта зависит от типа грунта:

Можно конечно попробовать рассчитать температуру грунта, например, по методике, изложенной в книге С.Н.Шорин «Теплопередача» М.1952. На стр.115. Но такой расчёт весьма сложный и не всегда оправдан.

Я думаю, что самый простой вариант, это воспользоваться вышеуказанными справочными данными, а затем интерполировать.

Самый надёжный вариант для точных расчётов с использованием температур грунта — воспользоваться данными метеорологических служб. На базе метеорологических служб работают некоторые онлайн справочники. Например, http://www.atlas-yakutia.ru/.

Здесь достаточно выбрать населённый пункт, тип грунта и можно получить температурную карту грунта или её данные в табличной форме. В принципе, удобно, но похоже этот ресурс платный.

Если Вы знаете ещё способы определения температуры грунта на заданной глубине, то, пожалуйста, пишите комментарии.

P. S. 25.02.2016

Почти через год после написания статьи удалось разобраться с вопросами, озвученными чуть выше.

Во-первых, программа расчета теплопотерь в Excel по методике А.Г. Сотникова считает все правильно — точно по формулам А.И. Пеховича!

Во-вторых, внесшая сумятицу в мои рассуждения формула (3) из статьи А.Г. Сотникова не должна выглядеть так:

R₂₇=δ_усл/(2*λ_гр)=К(cos((h/H)*(π/2)))/К(sin((h/H)*(π/2)))

В статье А.Г. Сотникова — не верная запись! Но далее график построен, и пример рассчитан по правильным формулам!!!

Так должно быть согласно А.И. Пеховичу (стр 110, дополнительная задача к п.27):

R₂₇=δ_усл/λ_гр=1/(2*λ_гр)*К(cos((h/H)*(π/2)))/К(sin((h/H)*(π/2)))

Отсюда:

δ_усл=R₂₇*λ_гр=(½)*К(cos((h/H)*(π/2)))/К(sin((h/H)*(π/2)))

Другие статьи автора блога

На главную

Введите Ваш e-mail:

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

4 Определение нормируемых эксплуатационныхтепловых потерь с потерями сетевой воды

2.4.1
Нормируемые эксплуатационные тепловые потери с потерями сетевой воды
определяются в целом по системе теплоснабжения, т.е. с учетом внутреннего
объема трубопроводов ТС, находящихся как на балансе энергоснабжающей
организации, так и на балансе других организаций, а также объема систем
теплопотребления, с выделением тепловых потерь с потерями сетевой воды в ТС на
балансе энергоснабжающей организации.

Объем ТС на
балансе энергоснабжающей организации в составе АО-энерго составляет (см.
таблицу А.1 настоящих
Рекомендаций)

V_т.с = 11974 м3.

Объем ТС на
балансе других, в основном муниципальных, организаций составляет (по
эксплуатационным данным)

V_г.т.с = 10875 м3.

Объем систем
теплопотребления составляет (по эксплуатационным данным)

V_с.т.п = 14858 м3.

Суммарные объемы
сетевой воды составляют по сезонам:

— отопительный
сезон:

V_от = V_т.с + V_г.т.с + V_с.т.п = 11974 + 10875
+ 14858 = 37707 м3;

— летний сезон
(ремонтный период учтен в числе часов работы ТС в летнем сезоне при определении
Vср.г):

V_л = V_т.с + V_г.т.с = 11974 + 10875 = 22849 м3.

Среднегодовой
объем сетевой воды в трубопроводах ТС и системах теплопотребления Vср.г определяется
по формуле (37) РД
153-34.0-20.523-98 [5, ч. II]:

В том числе в ТС
на балансе энергоснабжающей организации

2.4.2
Нормируемые эксплуатационные годовые тепловые потери с нормируемой утечкой
сетевой воды [ГДж (Гкал)]
определялись по формуле (36) РД
153-34.0-20.523-98 [5, ч. II]:

где ρср.г — среднегодовая
плотность воды, кг/м3; определяется при температуре , °С;

с — удельная
теплоемкость сетевой воды; принимается равной 4,1868 кДж/(кг
× °С)
или 1 ккал/(кг × °С).

Среднегодовая
температура холодной воды, поступающей на источник тепловой энергии для
последующей обработки с целью подпитки ТС, (°С) определяется по
формуле (38) РД
153-34.0-20.523-98 [5, ч. II]:

Температура
холодной воды в отопительный период принимается = 5 °С; в летний
период = 15 °С.

Годовые потери
тепла всего по системе
теплоснабжения составляют

или

= 38552 Гкал,

в том числе в ТС
на балансе энергоснабжающей организации

или

= 13872 Гкал.

2.4.3 Нормируемые
эксплуатационные тепловые потери с нормируемой утечкой сетевой воды по сезонам
работы ТС — отопительному и летнему [ГДж (Гкал)]
определяются по формулам (39) и (40) РД
153-34.0-20.523-98 [5, ч. II]:

— для
отопительного сезона

или

= 30709 Гкал,

в том числе в ТС
на балансе энергоснабжающей организации

или

= 9759 Гкал;

— для летнего
сезона

или

= 7843 Гкал,

в том числе в ТС
на балансе энергоснабжающей организации

или

= 4113 Гкал.

2.4.4
Нормируемые эксплуатационные тепловые потери с утечкой сетевой воды по месяцам
в отопительном и летнем [ГДж (Гкал)] сезонах
определялись по формулам (41) и (42) РД
153-34.0-20.523-98 [5, ч. II]:

— для
отопительного сезона (января)

или

= 4558 Гкал,

в том числе в ТС
на балансе энергоснабжающей организации

или

=
1448 Гкал.

Аналогично
определяются тепловые потери по другим месяцам, например для летнего сезона
(июня):

или

= 1768 Гкал,

в том числе в ТС
на балансе энергоснабжающей организации

или

= 927 Гкал.

Аналогично
определяются тепловые потери по другим месяцам, результаты приведены в таблице А.4 настоящих Рекомендаций.

2.4.5 По
результатам расчета строятся графики (см. рисунок Б.4 настоящих Рекомендаций) месячных и годовых тепловых потерь с
утечкой сетевой воды по системе теплоснабжения в целом и на балансе
энергоснабжающей организации.

В таблице приведены значения потерь тепла в
процентах к планируемому количеству транспортируемой тепловой энергии.
Невысокие значения отношения потерь тепла к его отпуску объясняется небольшой
долей ТС (по материальной характеристике) на балансе энергоснабжающей
организации по сравнению со всеми сетями в системе теплоснабжения.

Замечания и выводы.

Теплопотери здания через пол и стены в грунт, полученные по двум различным методикам существенно разнятся. По алгоритму А.Г. Сотникова значение Q_Σ=16,146 КВт, что почти в 5 раз больше, чем значение по общепринятому «зональному» алгоритму — Q_Σ=3,353 КВт!

Дело в том, что приведенное термическое сопротивление грунта между заглубленными стенами и наружным воздухом R₂₇=0,122 м2·°С/Вт явно мало и навряд ли соответствует действительности. А это значит, что условная толщина грунта δ_усл определяется не совсем корректно!

К тому же «голый» железобетон стен, выбранный мной в примере — это тоже совсем нереальный для нашего времени вариант.

Внимательный читатель статьи А.Г. Сотникова найдет целый ряд ошибок, скорее не авторских, а возникших при наборе текста. То в формуле (3) появляется множитель 2 у λ, то в дальнейшем исчезает. В примере при расчете R₁₇нет после единицы знака деления. В том же примере при расчете потерь тепла через стены подземной части здания площадь зачем-то делится на 2 в формуле, но потом не делится при записи значений… Что это за неутепленные стены и пол в примере с R_ст=R_пл=2 м2·°С/Вт? Их толщина должна быть в таком случае минимум 2,4 м! А если стены и пол утепленные, то, вроде, некорректно сравнивать эти теплопотери с вариантом расчета по зонам для неутепленного пола.

Но самый главный вопрос автору (или редакции журнала) касается формулы (3) и графика:

R₂₇=δ_усл/(2*λ_гр)=К(cos((h/H)*(π/2)))/К(sin((h/H)*(π/2)))

Насчет вопроса, относительно присутствия множителя 2 у λ_гр было уже сказано выше.

Я поделил полные эллиптические интегралы друг на друга. В итоге получилось, что на графике в статье показана функция при λ_гр=1:

δ_усл= (½)*К(cos((h/H)*(π/2)))/К(sin((h/H)*(π/2)))

Но математически правильно должно быть:

δ_усл= 2*К(cos((h/H)*(π/2)))/К(sin((h/H)*(π/2)))

или, если множитель 2 у λ_гр не нужен:

δ_усл= 1*К(cos((h/H)*(π/2)))/К(sin((h/H)*(π/2)))

Это означает, что график для определения δ_услвыдает ошибочные заниженные в 2 или в 4 раза значения…

Выходит пока всем ничего другого не остается, как продолжать не то «считать», не то «определять» теплопотери через пол и стены в грунт по зонам? Другого достойного метода за 80 лет не придумали. Или придумали, но не доработали?!

Предлагаю читателям блога протестировать оба варианта расчетов в реальных проектах и результаты представить в комментариях для сравнения и анализа.

Все, что сказано в последней части этой статьи, является исключительно мнением автора и не претендует на истину в последней инстанции. Буду рад выслушать в комментариях мнение специалистов по этой теме. Хотелось бы разобраться до конца с алгоритмом А.Г. Сотникова, ведь он реально имеет более строгое теплофизическое обоснование, чем общепринятая методика.

Прошу уважающих труд автора скачивать файл с программами расчетов после подписки на анонсы статей!

Ссылка на скачивание файла:

(xls 80,5KB)

Источник

Библиографическое описание:

Кислякова, Е. В. Алгоритм расчета короткого напорного трубовода средствами MS Excel / Е. В. Кислякова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 21 (125). — С. 149-153. — URL: https://moluch.ru/archive/125/34527/ (дата обращения: 17.04.2023).

В статье приводится алгоритм расчета короткого напорного трубопровода и его реализация в MSExcel. Задача нахождения диаметра трубопровода, обеспечивающего требуемый расход, решается методом подбора.

Ключевые слова: короткий трубопровод, гидравлические сопротивления, число Рейнольдса, режим движения жидкости

Введение. Одной из основных задач курса гидравлики является расчет короткого напорного трубопровода. Важность задачи обусловлена широким применением коротких трубопроводов, к которым можно отнести сифонные трубопроводы, всасывающие трубы насосов, дюкеры, части трубопроводов внутри зданий и сооружений и пр.

Короткий трубопровод — трубопровод достаточной малой длины, в котором потери напора в местных сопротивлениях составляют более 10 % от потерь напора по длине [1, с. 215]. В связи с этим при расчете короткого трубопровода необходимо учитывать как потери напора по длине, так и местные потери напора.

Расчет короткого трубопровода сводится к решению одной из трех задач (рис. 1).

Наибольшие сложности вызывает решение третьей задачи, так как в большинстве случаев определить диаметр короткого трубопровода можно только методом подбора.

Алгоритм расчета диаметра короткого напорного трубопровода методом подбора. Рассмотрим общий алгоритм решения поставленной задачи. Вычисления в соответствии с представленным алгоритмом в ручном режиме являются достаточно затратными по времени. Существенно упростить работу по расчету диаметра трубопровода методом подбора позволяет реализация алгоритма в какой-либо программной среде. При этом самым простым вариантом, не требующим специальных навыков в области программирования, является MSExcel.

Этап 1. Зададим исходные данные, известные по условию задачи. К исходным данным следует отнести (рис. 2): потери напора (перепад уровней жидкости) (, м); длину трубопровода (, м); пропускную способность трубопровода (расход) (, м); кинематическую вязкость жидкости (, м2/с); эквивалентную шероховатость стенок трубопровода (, м).

Этап 2. Зададим произвольным образом диаметр трубопровода и определим режим движения жидкости.

Вычислим площадь живого сечения трубопровода. Для упрощения рассуждений будем считать, что диаметр трубопровода по его длине не меняется, трубопровод имеет круглое сечение, полностью заполненное жидкостью:

(1)

Рассчитаем скорость течения жидкости в трубопроводе:

(2)

Определим режим движения жидкости в трубопроводе, для чего вычислим число Рейнольдса:

(3)

При режим движения жидкости ламинарный, при – турбулентный.

Рассчитаем коэффициент гидравлического трения . Если режим движения ламинарный, то коэффициент определяют по формуле:

(4)

Если режим движения турбулентный, то дополнительно нужно определить область сопротивления. Для этого по материалу, из которого изготовлен трубопровод, и сроку его службы нужно найти эквивалентную шероховатость стенок трубопровода [2, с. 72].

Если , то трубопровод следует отнести к области гладкого сопротивления. В этом случае коэффициент может быть рассчитан по формуле Блазиуса:

(5)

Если , то область сопротивления является доквадратичной и для расчета коэффициента используется формула Альтшуля:

(6)

Если , то область сопротивления квадратичная и для нахождения коэффициента можно применить формулу Шифринсона:

(7)

Этап 3. Рассчитаем потери напора в трубопроводе при заданном диаметре. Полные потери напора в трубопроводе состоят из потерь напора по длине и потерь напора в местных сопротивлениях:

(8)

Потери напора по длине определим по формуле Вейсбаха-Дарси:

(9)

Потери напора в местных сопротивлениях вычислим по формуле Вейсбаха:

(10)

где — коэффициент местного сопротивления, который зависит от вида местного сопротивления и его геометрии.

Рис. 4. Фрагмент листа MS Excel с расчетом суммарных потерь напора

Этап 4. Сравним рассчитанные суммарные потери напора в трубопроводе с потерями напора , заданными по условию задачи. Если , то значение диаметра выбрано верно. Если же , то значение диаметра нужно изменить и повторить все вычисления.

Пример решения задачи на расчет короткого напорного трубопровода.

Задача. Трубопровод из стальных новых труб длиной 20 м присоединен к напорному баку, заполненному водой при температуре 20ºС. После полного открытия вентиля расход воды в трубопроводе оказался равным 20 л/с, а разность уровней воды в напорном резервуаре и пьезометре составила 2 см. Определите диаметр трубопровода.

Для решения задачи воспользуемся приведенным выше алгоритмом.

Зададим исходные данные. Коэффициент кинематической вязкости воды при приведен по справочнику [2, с. 16], коэффициент эквивалентной шероховатости стальных новых труб — по справочнику [2, с. 72].

Зададим произвольным образом диаметр трубопровода и определим для указанного диаметра режим движения жидкости.

Так как число Рейнольдса , то режим движения турбулентный. Далее, используя значение эквивалентной шероховатости, определим область сопротивлений. Так как , то область сопротивления доквадратичная и для расчета коэффициента гидравлического трения следует использовать формулу Альтшуля (6). В итоге расчетов получаем .

По формулам (8), (9), (10) рассчитаем потери напора в трубопроводе. В рассматриваемой задаче имеются два местных сопротивления: внезапное сужение потока при переходе из напорного резервуара в трубопровод () и вентиль, который полностью открыт ().

Из проведенного расчета видно, что суммарные потери напора по длине трубопровода примерно совпадают с потерями напора (разностью уровней воды в резервуаре и пьезометре), заданными по условию задачи . Следовательно, диаметр трубопровода выбран верно.

Однако найденное значение диаметра можно уточнить. Если задать значение диаметра , то расчетные суммарные потери напора в трубопроводе составят .

Выводы. Представленный в статье алгоритм определения диаметра короткого напорного трубопровода и его реализация в MSExcel предназначены в первую очередь для студентов строительных направлений подготовки, изучающих гидравлику. Реализация алгоритма средствами MSExcel достаточно проста и позволяет наглядно проследить основные этапы расчета трубопровода. Вместе с тем, применение табличного редактора существенно экономит время проведения типовых расчетов.

Литература:

Чугаев Р. Р. Гидравлика: учебник для вузов. — Л.: Энергоиздат, 1982.
Вильнер Я. М. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам / Я. М. Вильнер, Я. Т. Ковалев, Б. Б. Некрасов, под ред. Б. Б. Некрасова. — Минск, 1976.

Основные термины (генерируются автоматически): потеря напора, диаметр трубопровода, короткий напорный трубопровод, короткий трубопровод, режим движения жидкости, трубопровод, метод подбора, область сопротивления, суммарная потеря напора, значение диаметра.

Источник

Выберите подписку для получения дополнительных возможностей Kalk.Pro

Любая активная подписка отключает

рекламу на сайте

- Доступ к скрытым чертежам
- Безлимитные сохранения расчетов
- Доступ к скрытым чертежам
- Безлимитные сохранения расчетов
- Доступ к скрытым чертежам
- Безлимитные сохранения расчетов
- Доступ к скрытым чертежам
- Безлимитные сохранения расчетов

Более 10 000 пользователей уже воспользовались расширенным доступом для успешного создания своего проекта. Подробные чертежи и смета проекта экономят до 70% времени на подготовку элементов конструкции, а также предотвращают лишний расход материалов.

Подробнее с подписками можно ознакомиться здесь.

Источник