Расчёт центрального теплового пункта

Введение

ЦТП предназначен для теплоснабжения (отопления и ГВС) жилого микрорайона, включающего в себя несколько 9 — этажных зданий.

На ЦТП установлены: подогреватели горячего водоснабжения (ГВС) и подогреватели отопления, работающие от тепловой сети, резервный подогреватель ГВС, обогреваемый паром собственной котельной, вспомогательное оборудование, арматура, контрольно измерительные приборы и автоматика (КИП и А).

Для подогрева воды в системах ГВС и отопления на ЦТП устанавливаются скоростные секционные водо-водяные теплообменники по ОСТ 34 588−68 [1], выполненные из латунных труб диаметром 16×1 мм длиной 2 или 4 метра. Нечётные номера подогревателей соответствуют 2-х метровым конструкциям, чётные 4-х метровым. Принимаем для установки на ЦТП подогреватели с длиной труб 4 метра. Выбор номера подогревателя производится по площади проходного сечения труб или межтрубного пространства таким образом, чтобы фактические площади сечений были ближайшими по величине к расчётным, но больше или равны последним. Расчётная величина площади сечений определяется по принятой скорости теплоносителей. После выбора подогревателей скорости течения теплоносителей уточняются. Расчётная поверхность теплообмена достигается последовательным соединением необходимого количества секций.

В качестве резервного подогревателя ГВС (на случай остановки теплосети для ремонтных или профилактических работ) устанавливается пароводяной подогреватель по ОСТ 108.271.105−76: типоразмеры ПП2−6-2-II или ПП1−6-2-II (старое обозначение: 11 ОСТ 34 531−68 или 11 ОСТ 34 576−68) [1], где в качестве греющего теплоносителя используется сухой насыщенный пар от собственной котельной при давлении Р = 3,6 Бар. Основные характеристики этих подогревателей: материал труб — латунь; размеры: 16×1 мм; длина труб — 2000 мм; число ходов по нагреваемой воде — 2; площадь живого сечения: одного хода труб — 0,0052 м²; межтрубного пространства — 0,061 м²; число трубок — 68 шт.; приведенное число рядов по вертикали — 8,5; поверхность теплообмена — 6,3 м²; диаметры корпуса (наружный/внутренний) — 325/309 мм.

Задание Разработать и рассчитать принципиальную теплогидравлическую схему ЦТП, выбрать тип и выполнить теплогидравлические расчёты всех подогревателей. Подогреватели ГВС рассчитать для летнего режима тепловой сети (70 — 40°С). Температуру холодной и горячей воды в системе ГВС принять 5 и 60 °C соответственно. Подогреватели отопления рассчитать для зимнего режима тепловой сети (150 — 70°С). Температуру воды в системе отопления принять 95 °C в подающей линии и 40 °C в обратной. В качестве подогревателей можно принять скоростные водо-водяные и пароводяные теплообменники по ОСТ 34−588−68. Пар от котельной поступает в резервный подогреватель ГВС в сухом насыщенном состоянии с давлением Р=3,6 Бар.

Исходные данные Тепловые мощности ГВС и отопления:

Мощность ГВС — 0,4•10⁶ Вт Мощность отопления — 1•10⁶ Вт

1. Принципиальная схема ЦТП

2. Типовой расчёт подогревателя ГВС

1. Исходные данные:

t₁' = 70 °C

t₁^" = 40 °C

t₂' = 5 °C

t₂^" = 60 °C

Q_ГВС = 0,4•10⁶ Вт

Q_ОТ = 1•10⁶ Вт

2. Средний температурный напор воды:

греющей: °C

нагреваемой: °C

3. Теплофизические свойства воды:

4. Расход воды:

греющей: кг/с

нагреваемой: кг/с

5. Принимаем скорости теплоносителей:

в межтрубном пространстве: w₁ = 0,7 м/с в трубах: w₂ = 1 м/с

6. Площадь проходного сечения:

в межтрубном пространстве: м²

в трубах: м²

7. По найденным сечениям определим номер подходящего подогревателя так, чтобы сечение выбранного было несколько больше рассчитанных.

Указанным требованиям удовлетворяет подогреватель № 7 (по ОСТ 34−588−68), имеющий следующие характеристики:

диаметр корпуса (наружный/внутренний): 114/106

число труб в одной секции: 19

шаг трубного пучка: 21 мм межтрубное сечение: f₁ = 0,005 м²

сечение труб: f₂ = 0,0029 м²

эквивалентный диаметр межтрубного пространства: d_э = 0,0155 м внутренний и наружный диаметры труб: d₁ = 0,014 м d₂ = 0,016 м поверхность теплообмена одной секции (секция длинной 2 м): F₁ = 1,76 м²

8. Фактические скорости теплоносителей:

в межтрубном пространстве: м/с

в трубах: м/с

9. Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве:

Режим турбулентный т.к. Re₁ > 10⁴

Температура стенки: °С

Число Прандтля при этой температуре Pr_c = 4,02

Температурная поправка:

Число Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи: (Вт/м² град)

10. Коэффициент теплоотдачи в трубах:

Режим турбулентный т.к. Re₂ > 10⁴

Температурная поправка:

Число Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи в трубах: (Вт/м² град)

11. Коэффициент теплопередачи:

коэффициент загрязнения труб примем м = 0,7

(Вт/м² град) гидравлический водоснабжение теплоотдача напор

12. Средний температурный напор в теплообменнике (режим движения теплоносителя противоточный):

°С

13. Расчетная поверхность теплообмена всех секций:

м²

14. Требуемое число секций:

Принимаем с коэффициентом запаса 1,25:

n•1,25 = 9,07•1,25 = 11,34

Округляем в большую сторону n = 12

15. Число секций в ступенях в первой n₁ = 7

во второй n₂ = 5

Тепловой расчёт резервного пароводяного подогревателя:

1. Температура насыщения при давлении Р = 3,6 бар

t_s = 140 °С

2. Исходные данные:

Температура холодной воды: t₂' = 5 °C

Температура горячей воды: t₂^" = 60 °C

Тепловая мощность Q = 0,4•10⁶ Вт

3. Средняя температура и теплофизические свойства те же, что и для водо-водяного теплообменника:

t₂ = 32,5 °C

л₂ = 0,62 225 Вт/м•К х₂ = 0,7685•10^-6 м2/с с₂ = 994,825 кг/м³

с_р2 = 4,174 кДж/кг•К

Pr₂ = 5,1425

4. Расход нагреваемой воды то же: G₂ = 1,742 кг/с Подогреватель пароводяной ПП -2−6-2-II Кожухотрубный скоростной с плоским днищем, выполняется по ГОСТ 28 679–90 (Подогреватели пароводяные систем теплоснабжения). В трубной системе подогревателей используются трубки из латуни диаметром 16 мм и толщиной стенки 1 мм.

наружный и внутренний диаметр корпуса: 325/309 мм Длина корпуса: 2550 мм Длина трубок: 2000 мм Число ходов: 2

Приведённое число трубок в вертикальном ряду: m = 8,5

Площадь живого сечения межтрубного пространства: f_мт = 0,061 м²

Площадь живого сечения одного хода трубок: f_тр = 0,0052 м²

Число трубок в трубной системе: 68 шт Поверхность нагрева: F = 6,3 м²

Масса агрегата: 390 кг Теплопроизводительность: 0,585 (2,45) Гкал/ч (ГДж/ч)

5. Проходное сечение для воды: f₂ = 0,0052 м²

6. Скорость воды в трубах: м/с

7. Коэффициент теплоотдачи в трубах:

Число Рейнольдса

Не смотря на то что Re₂ < Re_кр можно считать режим течения турбулентным, т.к. его величина близка к критической.

Средняя температура стенки: °C

Число Прандтля при этой температуре Pr_c = 2,05

Температурная поправка:

Число Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи в трубах: (Вт/м² град)

8. Коэффициент теплоотдачи от пара:

приведённое число труб в вертикальном ряде: m = 8,5

теплоотдачу при конденсации водяного пара в подогревателях выбранной конструкции можно рассчитать по упрощённой формуле:

(Вт/м²•град)

9. Коэффициент теплопередачи:

(Вт/м² град)

10. Средний температурный напор в теплообменнике (режим движения теплоносителя противоточный):

°С

11. Поверхность теплообменника:

м²

12. Поверхность с коэффициентом запаса:

F_p = 1,25•F = 1,25•3,069 =3,837

Уточним температуру стенки:

t_c = t_2cp + q /₂ ,

где q = k • t_cp = 1240•105,1 = 135 428 Вт/м²

t_c = 32,5+135 428/2549 = 85,63 °С

86,25−85,63 = 0,62

т.к. расхождение с ранее принятой величиной меньше 1 °C то расчёт выполнен верно.

13. Расчётная поверхность меньше фактической, следовательно теплообменник выбран правильно:

F_p < F 3,837<6,3

Тепловой расчёт подогревателя отопления:

1. Исходные данные:

t₁' = 150°C

t₁^" = 70 °C

t₂' = 40 °C

t₂^" = 95 °C

Q_ОТ = 1•10⁶ Вт

2. Средний температурный напор воды:

греющей: °C

нагреваемой: °C

3. Теплофизические свойства воды:

4. Расход воды:

греющей: кг/с

нагреваемой: кг/с

5. Принимаем скорости теплоносителей:

в межтрубном пространстве: w₁ = 0,7 м/с в трубах: w₂ = 1 м/с

6. Площадь проходного сечения:

в межтрубном пространстве: м²

в трубах: м²

7. По найденным сечениям определим номер подходящего подогревателя так, чтобы сечение выбранного было несколько больше рассчитанных.

Указанным требованиям удовлетворяет подогреватель № 8 (по ОСТ 34−588−68), имеющий следующие характеристики:

диаметр корпуса (наружный/внутренний): 114/106

число труб в одной секции: 19

шаг трубного пучка: 21 мм межтрубное сечение: f₁ = 0,005 м²

сечение труб: f₂ = 0,005 м²

эквивалентный диаметр межтрубного пространства: d_э = 0,0155 м внутренний и наружный диаметры труб: d₁ = 0,014 м d₂ = 0,016 м поверхность теплообмена одной секции (секция длинной 4 м): F₁ = 3,54 м²

8. Фактические скорости теплоносителей:

в межтрубном пространстве: м/с

в трубах: м/с

9. Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве:

Режим турбулентный т.к. Re₁ > 10⁴

Температура стенки: °С

Число Прандтля при этой температуре Pr_c = 1,98

Температурная поправка:

Число Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи: (Вт/м² град)

10. Коэффициент теплоотдачи в трубах:

Режим турбулентный т.к. Re₂ > 10⁴

Температурная поправка:

Число Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи в трубах: (Вт/м² град)

11. Коэффициент теплопередачи:

коэффициент загрязнения труб примем м = 0,7

(Вт/м² град)

Средний температурный напор в теплообменнике (режим движения теплоносителя противоточный):

°С

12. Расчетная поверхность теплообмена всех секций:

м²

13. Требуемое число секций:

Принимаем с коэффициентом запаса 1,25:

n•1,25 = 4,3•1,25 = 5,4

Округляем в большую сторону n = 6

14. Число секций в ступенях в первой n₁ = 3

во второй n₂ = 3

3. Гидравлические расчёты подогревателей Для выполнения гидравлического расчёта системы теплоснабжения от ЦТП необходимо определить количество и тип обслуживаемых домов.

Норма расхода горячей воды на одного человека составляет V = 110 литров в сутки. Суточная тепловая мощность, требуемая для обеспечения этой нормы:

Вт При мощности ГВС Q = 0,4 МВт количество потребителей составит:

0,4•10⁶ /290,76 = 1376 чел.

Принимая среднее число жителей в одной квартире 4 человека получим число обслуживаемых квартир 1376/4 = 344 кв.

Принимаем, что обслуживаются четырёхподъездные 9 — этажные дома, где на каждом этаже расположены 4 квартиры. Следовательно в каждом доме количество квартир 4•9•4 = 144 кв/дом. Количество домов (с округлением):

N _дом = 344/144 = 3

Далее выполняются гидравлические расчёты для каждого подогревателя отдельно только по нагреваемой воде. Затем для правильного выбора насосов ГВС и отопления к гидравлическому сопротивлению подогревателей необходимо добавить сопротивление соответствующего циркуляционного контура теплоснабжения домов. Длину трубопроводов линий теплоснабжения выбрать исходя из того, что самый дальний дом, обслуживаемый ЦТП, находится на расстоянии 300 метров. Максимальный расход воды в системе ГВС равен 3-х кратному среднесуточному. Через каждые 100 метров расход воды в прямых трубопроводах ГВС и отопления уменьшается на одну треть (производится отбор воды в другие дома). Гидравлическое сопротивление обратных трубопроводов рециркуляции ГВС и системы отопления равно сопротивлению прямых трубопроводов без учёта высоты гидростатического столба жидкости. К рассчитанному гидравлическому сопротивлению добавить гидростатическое сопротивление, полагая, что максимальная этажность зданий равна 9 (примерно 25 метров).

Гидравлического расчёта системы ГВС

1. Среднесуточный расход воды G_c = G₂ = 1,742 кг/с.

2. Максимальный расход G_м = 3•G_c = 3•1,742 = 5,226 кг/с.

3. Сопротивление подогревателя ГВС.

Рециркуляция производится только через вторую ступень, число секций в которой n₂ = 5. Гидравлическое сопротивление определяется по формуле [1]:

(*)

где = 0,025 — коэффициент трения в трубках; - коэффициенты местных сопротивлений; L — длина трубок, м; d — внутренний диаметр трубок, м; - плотность воды, кг/м³; W — скорость воды в трубках, м/с.

Коэффициенты местных сопротивлений для одной секции [1]:

вход в трубную камеру — 1, выход из трубной камеры -1, вход в трубки из камеры — 1, выход из трубок в камеру — 0,6, поворот на 180^о в колене — 2. Сумма местных сопротивлений всех секций (4 секции и 3 соединяющих колена):

= (1+1+1+0,6) •5 + 4•2 = 26

Сопротивление II ступени подогревателя:

_то = (0,025•2•5/0,014 + 26) •1000•0,604²/2 = 8000 Па

4. Сопротивление 1-го участка от подогревателя до первого ответвления (тройника).

Принимаем скорость воды в трубах W = 1 м/с. Длина участка — 100 м. Расход воды G = G_м. Диаметр трубы:

= м Принимаем диаметр прямого и обратного трубопроводов участка: 100×4 мм (ГОСТ 8734−75 на стальные бесшовные холоднотянутые трубы) согласно.

Коэффициенты местных сопротивлений:

запорная арматура (2 задвижки: на нагнетании насоса и после Т/О) — 2•0,5 = 1;

обратный клапан на нагнетании насоса — 7,0;

тройники (2 шт) — 2•1 = 2.

Сумма их: = 1+7+2 = 10.

По формуле (*) определяем гидравлическое сопротивление участка:

(скорость воды не уточняем, так как изменение от принятой незначительное)

₁ = (0,025•100/0,092 + 10) •1000•1²/2 = 18 587 Па

5. Сопротивление 2-го участка от первого ответвления до второго.

Принимаем скорость воды в трубах W = 1 м/с. Длина участка — 100 м. Расход воды G = G_м•2/3 = 5,226•2/3 = 3,484. Диаметр трубы:

= м Принимаем диаметр прямого и обратного трубопроводов участка: 80×3,5 мм (ГОСТ 8734−75 на стальные бесшовные холоднотянутые трубы) согласно.

Коэффициенты местных сопротивлений: запорная арматура (1 задвижка) — 0,5; переходник с диаметра 100 мм на 80 мм — 0,5; тройники (1 шт) -1.

Сумма их: = 0,5+0,5+1 = 2.

По формуле (*) определяем гидравлическое сопротивление участка:

₂ = (0,025•100/0,073 + 2) •1000•1²/2 = 18 123 Па

6. Сопротивление 3-го участка от второго ответвления до дальнего дома.

Принимаем скорость воды в трубах W = 1 м/с. Длина участка — 100 м. Расход воды G = G_м/3 = 5,226/3 = 1,742. Диаметр трубы:

= м Принимаем диаметр прямого и обратного трубопроводов участка: 60×3,5 мм (ГОСТ 8734−75 на стальные бесшовные холоднотянутые трубы) согласно.

Коэффициенты местных сопротивлений: запорная арматура (1 задвижка) — 0,5; переходник с диаметра 80 мм на 60 мм — 0,5; тройники (1 шт) -1.

Сумма их: = 0,5+0,5+1 = 2.

По формуле (*) определяем гидравлическое сопротивление участка:

₃ = (0,025•100/0,053 + 2) •1000•1²/2 = 24 584 Па

7. Сопротивление стояка (принимаем три параллельных стояка по числу подъездов) дальнего дома.

Принимаем скорость воды в трубах W = 1 м/с. Длина участка — 25 м. Расход воды в стояке G = G_м/9 = 5,226/9 = 0,581. Диаметр трубы:

= м Принимаем диаметр прямого и обратного трубопроводов участка: 35×2,5 мм (ГОСТ 8734−75 на стальные бесшовные холоднотянутые трубы) согласно.

Коэффициенты местных сопротивлений: запорная арматура (1 задвижка) — 0,5; переходник с диаметра 60 мм на 35 мм — 0,5; тройники (9 шт) -9; повороты на 180^о (1 пов.) — 2.

Сумма их: = 0,5+0,5+9*1+2 = 12.

По формуле (*) определяем гидравлическое сопротивление участка:

_ст = (0,025•25/0,035 + 12) •1000•1²/2 = 14 928 Па

8. Общее сопротивление прямого трубопровода.

_пр = ₁ + ₂ + ₃ + _ст = 18 587+18123+24 584+14928 = 76 222 Па

9. Сопротивление гидростатического столба жидкости в стояке.

_Н = •g•H = 1000•9.8•25 = 245 000 Па

10. Сопротивление обратного трубопровода принимаем равным прямому.

_обр = _пр = 76 222 Па

11. Общее сопротивление контура ГВС.

_пр = _то + _пр + _обр + _Н = 8000+76 222+76222+245 000 = 405 444 Па (41,34 м.в.ст.)

12. Выбор насоса ГВС.

Насос выбираем по максимальной подаче V_м = G_м/ = 5226/1000 = 5,226 м³/с (18 813,6 м³/ч) и напору, который должен быть не менее гидравлического сопротивления контура. По справочнику находим консольный центробежный насос типа К 45/55 с электродвигателем мощностью 9 кВт, числом оборотов 2900 об/мин, который обеспечивает напор 48 м. в. ст. при заданной подаче с колесом D_к = 192 мм.

Таблица 1. Технические данные разъемных водо-водяных подогревателей

Водоводяной подогреватель по ОСТ 34−588−68

1. Манюк В. И., Каплинский Я. И. и др. Справочник по наладке и эксплуатации водяных тепловых сетей. М.: 1982 г.

2. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник. Под ред. А. В. Клименко, В. М. Зорина. М.: 2007 г.

3. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М.: 1981 г.

4. Краснощёков Е. А., Сукомел А. С. Задачник по теплопередаче. М.: 1980 г.

5. СНиП 2.04.05−86. Отопление, вентиляция и кондиционирование. М.: 1987 г.

6. СНиП 2.04.06−86. Горячее водоснабжение. М.: 1987 г.

7. Роддатис К. Ф., Полтарецкий А. Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: 1989 г.