Насосы. Гидравлические расчеты тепловых сетей

В современных котельных используются центробежные насосы различных конструкций и фирм.

Наиболее часто употребляются насосы:

российских фирм:

- ООО «Линас», Москва,

- АО «Ливгидромаш»,

- АО «Катайский насосный завод» и др.;

западных фирм:

- «Вило» (W1LO) и «Грундфос» (GRUNDFOS), «КСБ» (KSB) - Германия,

- «ДАБ» (DAB) - Италия,

- «Колмекс» (KOLMEKS) - Финляндия и др.

Центробежный насосизображен на рис.3.47 [14]. По приемной трубе вода попадает к центру рабочего колеса насоса 3, захваты­вается лопатками колеса и под действием развиваемой центробежной силы выбрасывается через специальную камеру (улитку) в напорный трубопровод.

Рис.3.47. Схема устройства центробежного насоса:

1 - корпус; 2 - вал; 3 -рабочее колесо; 4 -всасывающий патрубок; 5 - нагнетатель-

ный патрубок; 6 -сальниковая коробка; 7 - улитка

Высота всасывания холодной воды для центробежного насо­са составляет не более 6 м. При повышении температуры воды высота всасывания уменьшается и при 90-100 °С она практи­чески будет равна нулю. При температуре воды более 40 °С вода должна подводиться к насосу под напором, исключающим срыв его работы.

При необходимости подачи воды с большим напором насосы делают с несколькими рабочими колесами. В таких нacocax вода, поступившая к насосу по всасывающей трубе, проходит последовательно через все колеса насоса и затем на­гнетается в напорный трубопровод. Такие насосы называются многоступенчатыми, и они развивают значительно больший напop, чем одноступенчатые.

Вместе с насосом устанавливаются задвижка на всасывающей линии насоса, манометр, задвижка и обратный клапан на нагнетательной линии.

В водогрейных котельных применяют только центробежные насосы с электроприводом.

Современные насосы боятся грязной воды, особенно металлических частиц и других твердых вкраплений. Эта проблема решается путем применение фильтров с магнитными вставками или магнитных шламоотделителей, устанавливаемых на подающем тракте насоса.

В настоящий момент для осуществления автоматизированного регулирования параметров теплоносителя компании, выпускающие насосы, предлагают насосные станции, оборудованные инверторами (частотными приводами) или обеспечивающие каскадное включение. Управление частотным преобразователем или каскадом осуществляет электронный автоматический регулятор, контролирующий температуру или давление теплоносителя. Такие станции дают значительную (до 30 %) экономию электроэнергии в процессе их эксплуатации. Практически все западные производители предлагают насосные агрегаты с частотными регуляторами, встроенными в электропривод.

При больших нагрузках наиболее оптимальным решением является использование установки, включающей в себя группу из 3-6 небольших насосов и управляемых одним частотным регулятором, подключаемым одновременно только к одному из насосов. При достижении максимальной производительности управляемый насос переводится в обычный режим работы, а частотный преобразователь переключается к следующему агрегату [17].

Необходимо обратить внимание при выборе насоса на то, что насосы отечественных производителей имеют более пологиезависимости подачи и давления, чем западные аналоги.

Кроме того, западные производители освоили и предлагают так называемые насосы «дуплекс», т.е. насосы, имеющие два двигателя, установленных в одном корпусе. Такие насосы обычно имеют встроенный АВР, позволяющий при выходе из строя одного двигателя автоматически включать в работу второй двигатель. При этом практически все насосы «дуплекс» могут также одновременно работать на обоих двигателях (параллельная работа), при этом производительность насоса резко увеличивается [17].

В автономных котельных устанавливают следующие группы насосов:

- при двухконтурной схеме (закрытая система теплоснабжения с независимым присоединением систем отопления к тепловой сети):

· насосы первичного (котлового) контура для подачи воды от котлов к подогревателям отопления, вентиляции и горячего водоснабжения;

· сетевые насосы систем отопления (насосы вторичного контура);

· сетевые насосы систем горячего водоснабжения;

· циркуляционные насосы горячего водоснабжения;

- при одноконтурной схеме (открытая система теплоснабжения, зависимое присоединение систем отопления к тепловой сети):

· сетевые насосы систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения;

· циркуляционные насосы горячего водоснабжения.

Одной из основных величин для выбора насоса является величина необходимой производительности.

При выборе насосов следует рассчитывать:

1. Производительность насосов первичного (котлового) контура, м³/ч:

,

где - расчетный максимальный расход греющей воды от котлов;

-температура греющей воды на выходе из котла, °С;

-температура обратной воды на входе в котел, °С.

Напор насосов первичного и вторичного контуров принимают на 20-30 кПа больше суммы потерь давления в соответствующих системах.

2. Производительность насосов вторичного контура, осуществляющих подачу воды в системы отопления и вентиляции, м³/ч:

,

где -расчетный максимальный расход воды на отопление и вентиляцию;

-температура воды в подающем трубопроводе системы отопления, °С;

-температура воды в обратном трубопроводе системы отопления, °С.

3. Производительность насосов вторичного контура, осуществляющих подачу воды в систему горячего водоснабжения, м³/ч:

,

где - температура горячей воды, подаваемой в систему ГВС, °С;

- температура холодной воды, °С.

4. Подачу подпиточных насосов G_ПНв закрытых сис­темах теплоснабжения следует принимать равной расчетному расходу воды накомпенсацию утечки из тепловой сети G_ПН = G_УТ, принимаемой равной 0,75 % от объема воды в системе теплоснабжения. Кроме того, должна предусматриваться аварийная подпитка водопроводной водой в размере 2 % от объема воды в системе теп­лоснабжения. В открытых системах подача подпиточных насосов принимается равной сумме максимального расхода воды на горячее водоснабже­ние G_ГВСmax и расчетного расхода воды на компенсацию утечки G_УТ,принимаемой равной 0,75 % от объема воды в тепловой сети (G_ПН = G_УТ+ G_ГВСmax).

Объем воды в системе теплоснабжения допускается принимать равным 65 м³ на 1 МВт расчетного теплового потока при закрытой системе те­плоснабженияи 70 м³ на 1 МВт - при открытой системе теплоснабжения.

5. Подачу циркуляционных насосов горячего водоснабжения (принимают в размере 10 % от максимального расчетного расхода воды на горячее водоснабжение), м³/ч:

.

Для приема излишков воды в системе отопления при ее нагревании и для подпитки системы отопления при наличии утечек в автономной котельной рекомендуется предусматривать расширительные баки диафрагменного типа.

Кроме необходимой производительности, насос должен обеспечивать давление (напор), достаточное для преодоления сопротивления трубопроводной сети. Для правильного выбора нужно определить потери в наиболее протяженной линии сети (до самого дальнего радиатора), определяемые из гидравлического расчета тепловой сети, потери в теплообменниках отопления и вентиляции и теплообменниках системы ГВС, потери в котельной.

Напор насосов вторичного контура Н_сн следует принимать равным сумме потерь напора в установ­ках на источникетеплоты DН_S, в подающем DН_под и обратном DН_обртрубо­проводах тепловой сети, а также в местной системе теплопотребления (у абонента) DН_аб:

Н_сн=DН_S+DН_под+DН_обр+DН_аб . (3.15)

Потери напора в коммуникациях источника, при отсутствии более точ­ных данных, могут быть приняты равными 20 м, потери напора в теплообменниках отопления и вентиляции - 10 м, потери напора в теплообменниках ГВС - 5 м. Потери напора в местной сис­теме теплопотребления принимаются: для магистральных сетей не менее 40 м, для квартальных сетей потери напора у абонента зависят от схемы присоединения абонентских установок (при присоединении систем отопления через элеватор – 10-20 м). Потери напора в подающем и обратном трубопроводах принимают по результатам гидравлического расчета при пропуске суммарных расчетных расходов воды.

Для неотопительного периода потери напора в по­дающих трубопроводах DН^л_под могут быть определены по следующей формуле:

DН ^л_под =DН_под· . (3.16)

Потери напора в обратном трубопроводе открытых систем теплоснабже­ния в неотопительный период могут быть определены по формуле

DН ^л_обр=DН_под· . (3.17)

где G - суммарный расход сетевой воды на головном участке системы теплоснабжения в отопительный период;

G ^л_ГВСmax-максимальный расход сетевой воды на горячее водоснабже­ние в неотопительный период.

Напор подпиточных насосов Н_ПНдолжен определяться из условий поддержания в водяных тепловых сетях статического напора Н_СТ и преодоления потерь напора в подпиточной линии DН_ПЛ, величина которых, при отсутствии более точных данных, принимается равной 10-20 м:

Н_ПН= Н_СТ+DН_ПЛ – z, (3.18)

где z - разность отметок уровня воды в подпиточном баке и оси подпиточных насосов.

Число параллельно включенных подпиточных насосов следует прини­мать в закрытых системах теплоснабжения не менее двух, один из которых является резервным; в открытых системах не менее трех, один из которых также является резервным. Технические данные насосов для систем теплоснабжения приведены в таблицах и справочнике [1]. При подборе насосов следует учитывать тре­бования по максимальной температуре воды, по величине допускаемых напо­ров на всасывающем патрубке насоса.

Гидравлические расчеты водяных тепловых сетей

При движении теплоносителя по трубам полные потери давления складываются из потерь давления на трение и потерь давления в местных сопротивлениях :

(3.19)

Потери давления на трение определяются по формуле

(3.20)

где R – удельные линейные потери давления, Па/м, определяемые по формуле

(3.21)

где - коэффициент гидравлического трения; d - внутренний диаметр трубопровода, м;

- плотность теплоносителя, кг/м³;

- скорость движения теплоносителя, м/с;

L - длина трубопровода, м.

Потери давления в местных сопротивлениях определяются по формуле:

, (3.22)

где - сумма коэффициентов местных сопротивлений, определяемых по табл. 3.26.

Потери давления в местных сопротивлениях могут быть также определены по следующей формуле:

, (3.23)

где L_э – эквивалентная длина местных сопротивлений, которую определяют по формуле:

L_э = или L_э= l_э· , (3.24)

здесь lэ- эквивалентная длина при = 1, определяемая по табл. 3.27.

Полные потери давления могут быть определены по формуле

DР=R·L_П, (3.25)

где LП - приведенная длина участка LП = L + Lэ.

Перед выполнением гидравлического расчета разрабатывают расчетную схему тепловых сетей. На расчетной схеме проставляют номера участков (сначала по главной магистрали, а потом по ответвлениям), расходы теплоносителя в кг/с или т/ч, длины участков в метрах. За главную магистраль принимается наиболее протяженная и нагруженная ветвь сети от источника теплоты (точки подключения) до наиболее удаленного потребителя. При неизвестном располагаемом перепаде давления в начале теплотрассы удельные линейные потери давления R следует принимать:

· на участках главной магистрали 20-40, но не более 80 Па/м;

· на ответвлениях – по располагаемому перепаду давления, но не более 300 Па/м.

Гидравлический расчет производится с помощью табл.3.28. Сначала выполняют расчет главной магистрали. По известным расходам, ориентируясь на рекомендованные величины удельных линейных потерь давленияR, определяют диаметры трубопроводов d_н´S; фактические удельные линейные потери давления R_лф, а также скорость движения теплоносителя w:

R_лф=13,64∙10^-6 , Па/м; (3.26)

w= , м/с. (3.27)

Условный проход труб, независимо от расчетного расхода теплоносителя, должен приниматься в тепловых сетях не менее 32 мм.

Скорость движения воды не должна быть более 3,5 м/с. Определив диаметры трубопро­водов, находят количество компенсаторов на участках n и другие виды местных сопротивлений.

n = , где L- длина участка; L_но – расстояние между неподвижными опорами, определяемое по табл. 3.29.

Потери давления в местных сопротивлениях определяют по формуле (3.22) либо по формуле (3.23). Затем определяют полные потери дав­ления на участках главной магистрали и суммарные - по всей ее длине в подающей и обратной магистралях.

Диаметры подающего и обратного трубопроводов двухтрубных водяных теп­ловых сетей при совместной подаче теплоты на отопление, вентиляцию и горя­чее водоснабжение должны приниматься, как правило, одинаковыми.

По известным значениям потерь давления определяют значение потерь напора в тепловой сети .

Таблица 3.27

Значения 1_э для труб при = 1

Таблица 3.28

Удельные перепады давления DР_тр, Па/м, в стальных трубах при нормированной шероховатости к_э=0,0005 м

По полученным величинам подачи и напора определяют рабочую точку насоса (точка А) рис.3.48 и подбирают в каталогах насос с близкой характеристикой.

Нельзя забывать, что рассчитанные параметры необходимы для действия системы при максимальной нагрузке. Такие условия встречаются крайне редко, наибольшую часть отопитель-

ного сезона потребность в тепле не так велика. Поэтому, если есть сомнения, всегда нужно выбирать меньший насос. Это позволяет не только сэкономить при его покупке, но и снизить в дальнейшем расходы на электроэнергию [1].

Основные характеристики насосов российских и зарубежных производителей приведены в табл. 3.30.

Рассмотрим пример подбора насосов для закрытой системы теплоснабжения с независимым подключением к тепловой сети систем отопления [17].

Пример.Котельная выдает в наружную тепловую сеть горячую воду для обеспечения нагрузок отопления, вентиляции и ГВС по температурному графику 105/70 °С. Приготовление теплоносителя раздельно на отопление, вентиляцию и ГВС происходит за пределами котельной, в индивидуальном тепловом пункте (ИТП) здания.

Потери давления составляют:

- в теплообменниках систем отопления и вентиляции - 7,0 м вод.ст.;

- в теплообменниках ГВС- 3,0 м вод.ст.;

- в теплосети - 6,0 м вод.ст. (зима), 3,0 м вод.ст. (лето);

- в котельной - 4,0 м вод.ст.

Тепловые нагрузки:

- отопление = 1,0 МВт,

- вентиляция = 0,4 МВт,

- ГВС макс. = 0,66 МВт,

- ГВС ср. ч. = 0,3 МВт.

Выбор насосов.

- максимальный расход теплоносителя составит (зимний период)

= м³/ч;

- среднечасовой расход теплоносителя составит (зимний период)

= м³/ч.

- максимальный расход теплоносителя составит (летний период)

= м³/ч;

- среднечасовой расход теплоносителя составит (летний период)

= м³/ч.

где: 1,03 - коэффициент, учитывающий потери тепла в тепловых сетях;

0,8 - коэффициент снижения расхода теплоносителя в летний период.

В летний период нет смысла перерасходовать топливо, достаточный темпера­турный график для нормальной работы как котлов, так и приготовления теплоносителя ГВС-80/60 °С;

максимальные потери давления в системе теплоснабжения:

- зима 7,0+6,0+4,0+ 3,0=20,0 м вод.ст.;

- лето = 3,0 +3,0 + 4,0=10,0 м вод.ст.;

- требуемый запас напора (СП41-104-2000) составляет 2-3 м вод.ст.;

расчетный напор насосов:

- зима = 20,0 + 3,0 = 23,0 м вод.ст.;

- лето 10,0 + 2,0 = 12,0 м вод.ст.

Исходя из вышеполученных данных, рекомендуется два варианта установки насосов:

1-й вариант.Два насоса (один рабочий и один резервный) G = 53,0-10,6 м³/ч, Н= 23,0-12,0 м вод.ст. для обеспе­чения нагрузок в зимний и летний периоды с частотными преобразователями.

2-й вариант.Два насоса (один рабочий и один резервный) G = 53,0-43,0 м³/ч, Н = 23,0 м вод.ст. для обеспече­ния нагрузок в зимний период с частотными преобразователями.

Тринасоса, установленных параллельно (два рабочих и один резервный) G = 5,0-13,0 м³/ч, Н = 12,0 м вод. ст. с частотными преобразовате­лями для обеспечения нагрузок ГВС в летний период.

Таблица 3.30

Технические характеристики насосов