§ 5. Трубопроводы систем отопления и тепловой сети

Трубопроводы в системах теплоснабжения и отопления бывают двух типов: неизолированные и изолированные.

Как показали исследования, неизолированные трубопроводы при оценке их динамических свойств могут быть представлены как звенья чистого запаздывания. Инерционностью в данном случае оказывается возможным пренебречь, поскольку теплоемкость металла труб не оказывает заметного влияния на динамику процесса.

Таким образом, передаточная функция неизолированного трубопровода имеет вид:

где %i — время прохождения теплоносителя по трубопроводу, т. е. величина транспортного запаздывания, ч; k (кон/нач) — статический коэффициент передачи трубопровода; кон — температура в конце трубопровода; нач — температура в начале трубопровода. Величина транспортного запаздывания для трубопровода, состоящего из п участков, определяется из выражения

где 1 — длина участка трубопровода, м;

wT — скорость движения теплоносителя, м/с; G — расход воды, м3/ч; d — диаметр трубопровода, м.

Рассмотрение переходных процессов в изолированных трубопроводах показало, что инерционностью в рассматриваемом случае пренебречь нельзя.

Передаточная функция изолированного трубопровода может быть аппроксимирована апериодическим звеном первого порядка с транспортным запаздыванием:

где Гтр — постоянная времени трубопровода, ч.

Как показали многочисленные расчеты, выполненные Ю. Я. Темпелем для распространенных типов прокладки трубопроводов тепловых сетей [35], динамические свойства изолированных трубопроводов практически не зависят от способа прокладки, материала и толщины изоляции. В результате исследований были получены графические зависимости, позволяющие определять величину постоянной времени без каких-либо дополнительных расчетов. Аналитическое выражение, аппроксимирующее эти графические зависимости, имеет вид:

Величина транспортного запаздывания т,- может быть определена по данным проекта тепловой сети с помощью формул (18). Кроме того, ее находят экспериментально путем подачи резкого возмущения температурой теплоносителя в котельной (на ТЭЦ) и фиксации момента его прохождения у абонентов.

На рис. 11 приведены результаты экспериментального определения величин транспортного запаздывания для района теплоснабжения от квартальной котельной с расчетной отопительной нагрузкой 32 МВт. Общая длина сети составляет 9,6 км.

Рис. 11. Температура воды в котельной (1) и на вводах в отапливаемые здания (2 — 6)

средний диаметр — 120 мм, расстояние до наиболее удаленного потребителя — 2,1 км, до ближайшего — 0,17 км.

Из графика видно, что время транспорта теплоносителя до наиболее удаленного потребителя превышает 1 ч; вместе с тем транспортное запаздывание на участке трубопровода от котельной до головного абонента составляет всего 5 мин.

При определении величины запаздывания для труб разного диаметра в зависимости от удельных потерь давления было установлено, что т, уменьшается с увеличением удельных потерь давления и диаметра трубопровода (рис. 12).

Рис. 12. Величины транспортного запаздывания в трубопроводах 0 150 — 1000 мм, длиной 1 км, в зависимости от удельных потерь давления

В тепловых сетях большой протяженности величина транспортного запаздывания может составлять несколько часов. Так, например, в тепловой сети длиной 20 км с диаметром 500 мм при h = 0,4 Па/м T; = 0,175-20 = 3,5 ч. Для сети длиной 5 км ф = 200 мм и h = 0,4 Па/м Х = 0,31 • 5 = 1,55 ч.

В тепловых сетях, эксплуатируемых по режиму количественно-качественного регулирования, запаздывание возрастает при снижении тепловых нагрузок. Если принять коэффициент расхода воды а = 0,6, то для рассмотренных выше случаев время запаздывания соответственно составит: т,- = 3,5:0,6 = = 5,84 ч и т; = 1,55:0,6 = 2,58 ч. Во внутридомовых трубопроводах время прохождения теплоносителя до нагревательного прибора зависит от схемы системы отопления, протяженности трубопроводов, характера циркуляции (искусственная и естественная), расположения прибора по высоте и в плане.

Скорости движения теплоносителя в трубопроводах систем отопления с естественной циркуляцией обычно составляют 0,05 — 0,2 м/с, а при искусственной циркуляции — 0,2 — 1,0 м/с. Величины транспортного запаздывания в трубопроводах различной длины, подсчитанные для этих скоростей воды, приведены в табл. 14.

Таблица 14 Транспортное запаздывание в трубопроводах систем отопления, мин

Тип системы отопления

Длина пути воды до прибора, м

100

500

С естественной циркуляцией . . . С искусственной циркуляцией . . .

1-3

0,2-1

4-16

1-4

8-33

2-8

10-40

Транспортные запаздывания при прохождении теплоносителя через нагревательные приборы однотрубной системы, расположенные по ходу воды до данного прибора, указаны в табл. 15.

Таблица 15 Транспортное запаздывание в однотрубной системе, мин

№ п/п прибора по ходу воды	Емкость 1 м3 9,1 («Гамма-, «Польза-3»)	поверхности нагрева, л/м2 4,4 («Москва-132»)
1	0	0
2	5,8	2,7
3	12,0	5,6
4	18,8	8,8
5	26,2	12,3

Статический коэффициент передачи трубопроводов тепловой сети, характеризующий величину падения температуры теплоносителя по трассе при стационарном режиме, может быть определен из зависимости

где Ту — температура теплоносителя на выходе из котельной (ТЭЦ); Ту — температура воды на входе в абонентскую установку (прибор отопления); АГП — падение температуры теплоносителя в трубопроводах; q — удельные потери тепла на 1 м теплопровода, Вт/м; 1 — длина участка трубопровода, м; Pw — коэффициент, учитывающий местные потери тепла. Расчетная величина падения температуры теплоносителя (по проектным данным) обычно составляет 1 — 3°С, что соответствует £(/КО1Аач) = 0,99-0,98.

В реальных условиях эксплуатации падение температуры в подающих трубопроводах в силу ряда причин (низкое качество теплоизоляции или ее разрушение, затопление теплопроводов водой, недостаточная загруженность сети и пр.) может достигать значительно больших величин. В качестве примера в табл. 16 приведены данные замеров температур подаваемой воды в нескольких тепловых пунктах района теплоснабжения от одной из квартальных котельных в Ленинграде. Как видно из таблицы, падение температуры теплоносителя в подающих трубопроводах в отдельные моменты достигало 18 °С.

Таблица 16 Данные единовременных замеров температур теплоносителя в различных точках тепловой сети

№ точки замера	Расстояние от котельной, км	Температура теплоносителя. °С	Падение температуры теплоносителя, °С	Статический коэффициент передачи
Котельная		125		1,00
1	0,2	119	6	0,95
2	1,2	115	10	0,91
3	2,0	109	16	0,85
4	1,0	107	18	0,83