Теплофикация и тепловые сети. И тепловые

• Название: И тепловые
• Анкор: Теплофикация и тепловые сети
• Дата: 27.03.2022
• Размер: 2.4 Mb.
• Имя файла: Теплофикация и тепловые сети.docx
• Тип: Учебник; #420164
• страница: 46 из 101

Рис. 6.27. Принципиальная схема (а) н пьезомет­рический график (б) двухтрубной водяной тепло­вой сети

тательном коллекторах насоса в точках 6 и / поддерживаются постоянными при всех гидравлических режимах сети с помощью расширительных резервуаров IV и V, при­соединенных к обратному и подающему коллекторам тепловой сети на станции.

На рис. 6.27, б показан пьезометриче­ский график этой тепловой сети при двух положениях регулирующего клапана ИГ. 1-2-3-4-5-6 при полном открытии клапана 111 и 1-2'-3'-4'-5'-6 при полном закрытии клапана 111.

На рис. 6.28 показан характер изменения напора во времени с обеих сторон регули­рующего клапана III в точках 2 и 3 при двух режимах его закрытия: медленном — штри­ховая и быстром — сплошная линия.

До закрытия клапана 111 напоры в точках 2 и 3 равны (Н₂ ⁼ Н₃). После полного закры­тия клапана 111 и наступления установивше­гося режима напор в точке 2 Н₂ = Н\, где Н_{ — напор на подающем коллекторе ТЭЦ, а напор в точке 3 Н₃ = Н₆, где Н₆ — напор на обратном коллекторе ТЭЦ (см. рис. 6.27).



Рнс. 6.28. Харакзер нзменення вапора во временя нрн гидравлическом уларе а — изменение напора в точке 2, 6 — изменение на­пора в точке 3, быстрое закрытие клапана ///.

медленное закрытие клапана III

При медленном закрытии клапана III на­поры в точках 2 и 3 монотонно изменяются от Н₂ до Н₂ = Н₁ и соответственно от Н₃ до Н'у = Н₆.

При быстром закрытии клапана 111 вода в первый момент продолжает двигаться в прежнем направлении и с прежней ско­ростью w, что приводит к повышению на­пора в трубопроводе перед клапаном на величину Н_у, называемую напором гидрав­лического удара (рис. 6.28, а). Величина

= 7/yPg называется давлением гидравли­ческого удара.

Повышение давления перед клапаном /// вызывает сжатие воды и растяжение стенок трубопровода. В образовавшееся под дейст­вием давления гидравлического удара при­ращение емкости поступает вода, подводи­мая к клапану ///.

Возникшая перед клапаном при гид­равлическом ударе волна повышения дав­

ления движется со скоростью звука от кла­пана 111 к точке 1, т.е. в направлении, обрат­ном движению воды, и тормозит движу­щийся поток.

В момент торможения меняются знак и значение скорости воды (от + w до скорости ударной волны -а).

Давление гидравлического удара может быть определено на основе закона импуль­сов. Изменение количества движения равно импульсу силы:

G(w + a) = p_y/, (6.51)

где G =fwp — массовый расход воды, кг/с; w — скорость воды до торможения, м/с; а— скорость звука в воде, м/с; f — пло-

2

щадь сечения трубы, м ; р — плотность во­ды, кг/м³; р_у — давление гидравлического удара, Па,

p_y = (w² + ow)p. (6.52)

2

Пренебрегая значением w вследствие его малости по сравнению с aw, получаем

р_у = awp. (6.53)

Уравнение (6.53) — известная формула Н.Е. Жуковского, предложенная им в 1899 г. [36].

При гидравлическом ударе давление р_у возникает практически мгновенно; поэтому вызываемые гидравлическим ударом на­пряжения и деформации в трубопроводах существенно, примерно в 2 раза, больше, чем при постепенном повышении давления от 0 до ру (более подробно см. § 9.4).

Если клапан III закрывается не полно­стью, а частично и соответственно скорость воды в трубопроводе изменяется от началь­ного значения на некоторое значение Aw, то давление гидравлического удара

Ру = aAwp. (6.54а)

Соответственно напор гидравлическо­го удара

Ну = a&.w!g, (6.546)

где g — ускорение свободно падающего те­ла (g = 9,81 м/с²).

Скорость, м/с, перемещения волны уда­ра в трубопроводе, равная скорости звука, может быть определена по формуле £. d

^Есх ^s

где Е_в — модуль упругости воды, равный о

2-10 Па; £_ст г— модуль упругости мате­риала стенок трубопровода (для стали £_ст = 2 • 10³¹ Па); d, s — диаметр и толщина стенки трубопровода.

Для сортамента труб, применяемых в те­пловых сетях, в диапазоне изменения диа­метра от 0,05 до 1,4 м отношение dl s изме­няется от 20 до 100 и скорость звука в воде а составляет от 1300 до 1000 м/с.

При больших значениях Aw давление гидравлического удара может достигнуть недопустимых значений и привести к раз­рыву трубопроводов. Так, при Aw = 1 м/с, а = 1000 м/с и р = 1000 кг/м³ р_у - 10⁶ Па =

2

= 1 МПа = 10 кгс/см и соответственно Я_у = 100 м.

Возникшая при быстром закрытии кла­пана 111 в точке 2 (см. рис. 6.27) ударная волна достигает точки фиксированного дав­ления 1 через интервал времени

z₀ = /₁.₂/a, (6.55а)

где /|_₂ — длина участка 1-2, м.

В течение всего указанного интервала времени масса воды на участке 1-2, которая еще не успела затормозиться, продолжает движение в пределах упругих деформаций жидкости и трубопровода в направлении от точки 1 к точке 2, т.е. в направлении, обрат­ном движению ударной волны. При дости­жении ударной волной точки фиксирован­ного давления 1 напор в слое жидкости у этой точки уменьшается до Н\, и с этого момента начинается обратное движение волны давления. Возникшая в точке 1 новая волна понижения давления перемещается от точки / к точке 2 со скоростью звука а и гасит давление, созданное первой ударной волной.Через интервал времениz_y=2ly_2/a = = 2z₀ , называемый фазой удара, волна по­нижения давления достигает точки 2 непо­средственно перед клапаном III. В этот мо­мент напор перед клапаном снизится до Ну.

Таким образом, за период времени z , равный фазе удара, график напоров H-f{z) в точке 2 опишет полуволну, увеличиваясь сначала от стабильного значения Ну до максимального напора при ударе {Ну + Н_у) и снижаясь затем до стабильного значения Н_{ [137].

В течение всего периода перемещения волны понижения давления от точки 1 к точке 2 движение жидкости на участке /—2 происходит в пределах упругих деформа­ций жидкости и трубопровода и направлено от точки 2 к точке I. Когда волна понижения давления достигает точки 2, жидкость со­храняет по инерции прежнее направление движения. Это вызывает понижение давле­ния перед клапаном, которое становится ниже стабильного. При некотором мини­мальном значении напора перед клапаном {Ну - Н_у) движение слоя жидкости непо­средственно перед клапаном III прекра­тится. Возникшая перед клапаном III волна понижения давления, сопровождающаяся остановкой жидкости, будет передаваться со скоростью звука а от точки 2 к точке I. В момент z = 3/^2 la = 3z₀, когда волна по­нижения давления достигнет точки /, вся жидкость в трубопроводе 1-2 будет непод­вижна и напор в ней будет равен {Ну - Н'_у). Так как давление в точке / больше, чем дав­ление в трубопроводе 1-2, то жидкость нач­нет перемещаться по трубопроводу в преде­лах упругих деформаций в направлении от точки Z к точке 2 и давление в трубопро­вод воде начнет увеличиваться. В момент z = = 4/_ь2 la = 4z₀ = 2z_y волна повышения дав­ления достигнет точки 2 и напор перед кла­паном достигнет стабильного значения Ну. Поскольку теперь движение жидкости на­правлено от точки / к точке 2, т.е. к клапану III, а клапан III закрыт, то перед клапаном вторично возникнет гидравлический удар, в результате которого напор перед клапаном опять увеличится и превысит стабильное значение на Н" (см. рис. 6.28).

Как видно из анализа процесса, измене­ние напора в трубопроводах при гидравли­ческом ударе имеет волновой характер с шагом полуволны z , равным фазе удара. Поскольку энергия удара расходуется на работу сил трения и деформацию трубопро­вода и жидкости, то амплитуда напоров ударной волны постепенно затухает.

С другой стороны клапана ///, в точке 3, будет наблюдаться аналогичная картина.

Суммарный напор в трубопроводе, воз­никающий при гидравлическом ударе,

Н_с = Н±Н_у, (6.56)

где Н — напор при стабильном режиме; Н_у — напор гидравлического удара.

Суммарное давление при гидравличе­ском ударе

Р_С^Р^±Р_Г (6.57)

где р — давление при стабильном режиме; р_у — давление гидравлического удара.

Схема тепловой сети, приведенная на рис. 6.27, имеет только иллюстративное зна­чение. В реальных тепловых сетях, как пра­вило, давление в подающем коллекторе ТЭЦ не фиксируется. Давление в обратном коллекторе ТЭЦ обычно поддерживается с помощью подпиточного устройства. Од­нако быстродействие подпиточного устрой­ства недостаточно для фиксации давления в условиях гидравлического удара. Поэтому в современных тепловых сетях практически отсутствуют точки фиксированного давле­ния, способные погасить ударную волну.

В таких сетях под фазой удара понима­ют время, необходимое для перемещения ударной волны по сети от сечения ее воз­никновения до сечения встречи волн с про­тивоположными знаками плюс время об­ратного возврата отраженных волн в исход­ные сечения.

Условно считая, что волны давления и разрежения движутся навстречу друг дру­гу с одинаковой скоростью и встречаются в середине замкнутого контура сети, фазу удара можно определить по формуле

z_y = lla, (6.58)

где / — полная длина замкнутого контура сети, м.

Для сети, изображенной на рис. 6.27, а, полная длина замкнутого контура

/⁼ 1\.2 ⁺ h.-l ⁺ /з-4 ⁺ ^5-6 ^{+ 1}в-\-

Когда изменение скорости воды в трубо­проводе происходит не мгновенно, под Aw в формуле (6.54) следует понимать измене­ние скорости за время, равное фазе удара.

Если начальная скорость воды в трубо­проводе была W] и за время z > z_y эта ско­рость уменьшилась до w₂, то при равномер­ном изменении скорости во времени

Aw = (w, - w₂) z /z. (6.59)

Из совместного решения (6.54) и (6.59) следует, что давление гидравлического удара, Па,

p_y = (wi-w₂)apz_y/z. (6.60)

При z < Zy в (6.60) необходимо подстав­лять Zy/Z = 1.

Из совместного решения (6.58) и (6.60) получаем

Ру^Лр, (6.61)

или

H_y = Jllg,

где J= (w, - w₂)/z — ускорение воды в тру- 2

бопроводе при ударе, м/с .

Если р_д — давление, допускаемое в тру­бопроводе по условию прочности, а р_р — рабочее давление, то допустимое макси­мальное ударное давление

р_у<(р_л-р_р). (6.62)

Допустимое ускорение воды в трубо­проводе, м/с², которое должно учитываться при выборе быстродействия регулирующих и дросселирующих клапанов,



можно определить из совместного решения (6.61) и (6.63).

Уравнение (6.60) может быть записано в следующей форме:

Ру/АК= 5_Bz_y/z, (6.64)

где s_B = ар / f— волновое сопротивление

трубопровода, Па • с/м³ (для данного трубо­провода величина практически постоянная); А К— изменение объемного расхода воды в трубопроводе при ударе, м³/с (Kj = W[/ — объемный расход воды в трубопроводе до удара, м³/с; К₂ = — объемный расход

воды в трубопроводе после удара, м³/с);/— 2

площадь сечения трубопровода, м .

Аналогично

Я_у/АК= j ®г_у/г, (6.64а)

где s® — волновое сопротивление трубо­провода, м • с/м³.

При z < z_y, т.е. когда время торможения потока воды равно или меньше фазы удара,

р_у/А(/ = 5_в

или

Я_у/АК=5_н^в. (6.65)

Волновое сопротивление равно давле­нию (напору) гидравлического удара, возни­кающему в трубопроводе при изменении

245

Электронная библиотека http://tgv.khstu.ru/