Аэродинамика гидравлические сопротивления тройников воздуховодов. Потери давления в трубопроводах
Аэродинамический расчет воздуховодов начинают с вычерчивания аксонометрической схемы (М 1: 100), проставления номеров участков, их нагрузок L (м 3 /ч) и длин I (м). Определяют направление аэродинамического расчета - от наиболее удаленного и нагруженного участка до вентилятора . При сомнениях при определении направления рассчитывают все возможные варианты.
Расчет начинают с удаленного участка: определяют диаметр D (м) круглого или площадь F (м 2) поперечного сечения прямоугольного воздуховода:
Таблица. Требуемый часовой расход свежего воздуха, м 3 /ч (cfm)
По приложению Н из принимают ближайшие стандартные значения: D ст или (а х b) ст (м).
Фактическая скорость (м/с):
или
Гидравлический радиус прямоугольных воздуховодов (м):
Критерий Рейнольдса: Re = 64100 x D ст x U факт (для прямоугольных воздуховодов D ст = D L).
Коэффициент гидравлического трения: λ = 0,3164 x Re - 0,25 при Re ≤ 60000, λ = 0,1266 x Re - 0,167 при Re Потери давления на расчетном участке (Па): где - сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке воздуховодов.
Местные сопротивления на границе двух участков (тройники, крестовины) относят к участку с меньшим расходом. Коэффициенты местных сопротивлений даны в приложениях.
Схема приточной системы вентиляции, обслуживающей 3-этажное административное здание.
Таблица 1. Аэродинамический расчет
№ участков | подача L, м 3 /ч | длина L, м | U ре к, м/с | сечение а x b, м | U ф, м/с | D l , м | Re | λ | Kmc | потери на участке?р, па |
решетка PP на выходе | 0,2 x 0,4 | 3,1 | - | - | - | 1,8 | 10,4 | |||
1 | 720 | 4,2 | 4 | 0,2 x 0,25 | 4,0 | 0,222 | 56900 | 0,0205 | 0,48 | 8,4 |
2 | 1030 | 3,0 | 5 | 0,25 x 0,25 | 4,6 | 0,25 | 73700 | 0,0195 | 0,4 | 8,1 |
3 | 2130 | 2,7 | 6 | 0,4 x 0,25 | 5,92 | 0,308 | 116900 | 0,0180 | 0,48 | 13,4 |
4 | 3480 | 14,8 | 7 | 0,4 x 0,4 | 6,04 | 0,40 | 154900 | 0,0172 | 1,44 | 45,5 |
5 | 6830 | 1,2 | 8 | 0,5 x 0,5 | 7,6 | 0,50 | 234000 | 0,0159 | 0,2 | 8,3 |
6 | 10420 | 6,4 | 10 | 0,6 x 0,5 | 9,65 | 0,545 | 337000 | 0,0151 | 0,64 | 45,7 |
6a | 10420 | 0,8 | ю. | ø 0,64 | 8,99 | 0,64 | 369000 | 0,0149 | 0 | 0,9 |
7 | 10420 | 3,2 | 5 | 0,53 x 1,06 | 5,15 | 0,707 | 234000 | 0,0312 x n | 2,5 | 44,2 |
Суммарные потери: 185
Примечание. Для кирпичных каналов с абсолютной шероховатостью 4 мм и U ф = 6,15 м/с, поправочный коэффициент n = 1,94 (, табл. 22.12.). |
Воздуховоды изготовлены из оцинкованной тонколистовой стали, толщина и размер которой соответствуют прил. Н из . Материал воздухозаборной шахты - кирпич. В качестве воздухораспределителей применены решетки регулируемые типа РР с возможными сечениями: 100 х 200; 200 х 200; 400 х 200 и 600 х 200 мм, коэффициентом затенения 0,8 и максимальной скоростью воздуха на выходе до 3 м/с.
Сопротивление приемного утепленного клапана с полностью открытыми лопастями 10 Па. Гидравлическое сопротивление калориферной установки 100 Па (по отдельному расчету). Сопротивление фильтра G-4 250 Па. Гидравлическое сопротивление глушителя 36 Па (по акустическому расчету). Исходя из архитектурных требований, проектируют воздуховоды прямоугольного сечения.
Сечения кирпичных каналов принимают по табл. 22.7 .
Коэффициенты местных сопротивлений.
Участок 1. Решетка РР на выходе сечением 200 x 400 мм (рассчитывают отдельно):
Динамическое давление:
KMC решетки (прил. 25.1) = 1,8.
Падение давления в решетке: Δр - рД x KMC = 5,8 x 1,8 = 10,4 Па.
Расчетное давление вентилятора р: Δр вент = 1,1 (Δр аэрод + Δр клап + Δр фильтр + Δр кал + Δр глуш)= 1,1 (185 + 10 + 250 + 100 + 36) = 639 Па.
Подача вентилятора: L вент = 1,1 х Lсист = 1,1 х 10420 = 11460 м 3 /ч.
Выбран радиальный вентилятор ВЦ4-75 № 6,3, исполнение 1: L = 11500 м 3 /ч; Δр вен = 640 Па (вентагрегат Е6.3.090 - 2а), диаметр ротора 0,9 х D пом, частота вращения 1435 мин-1, электродвигатель 4А10054; N = 3 кВт установлен на одной оси с вентилятором. Масса агрегата 176 кг.
Проверка мощности электродвигателя вентилятора (кВт):
По аэродинамической характеристике вентилятора n вент = 0,75.
Таблица 2. Определение местных сопротивлений
№ участков | Вид местного сопротивления | Эскиз | Угол α, град. | Отношение | Обоснование | КМС | ||
F 0 /F 1 | L 0 /L ст | f прох /f ств | ||||||
1 | Диффузор | 20 | 0,62 | - | - | Табл. 25.1 | 0,09 | |
Отвод | 90 | - | - | - | Табл. 25.11 | 0,19 | ||
Тройник-проход | - | - | 0,3 | 0,8 | Прил. 25.8 | 0,2 | ||
Σ | 0,48 | |||||||
2 | Тройник-проход | - | - | 0,48 | 0,63 | Прил. 25.8 | 0,4 | |
3 | Тройник-ответвление | - | 0,63 | 0,61 | - | Прил. 25.9 | 0,48 | |
4 | 2 отвода | 250 x 400 | 90 | - | - | - | Прил. 25.11 | |
Отвод | 400 x 250 | 90 | - | - | - | Прил. 25.11 | 0,22 | |
Тройник-проход | - | - | 0,49 | 0,64 | Табл. 25.8 | 0,4 | ||
Σ | 1,44 | |||||||
5 | Тройник-проход | - | - | 0,34 | 0,83 | Прил. 25.8 | 0,2 | |
6 | Диффузор после вентилятора | h=0,6 | 1,53 | - | - | Прил. 25.13 | 0,14 | |
Отвод | 600 x 500 | 90 | - | - | - | Прил. 25.11 | 0,5 | |
Σ | 0,64 | |||||||
6a | Конфузор перед вентилятором | D г =0,42 м | Табл. 25.12 | 0 | ||||
7 | Колено | 90 | - | - | - | Табл. 25.1 | 1,2 | |
Решетка жалюзийная | Табл. 25.1 | 1,3 | ||||||
Σ | 1,44 |
Краснов Ю.С., "Системы вентиляции и кондиционирования. Рекомендации по проектированию для производственных и общественных зданий", глава 15. "Термокул"
Назначение |
Основное требование | ||||
Бесшумность | Мин. потери напора | ||||
Магистральные каналы | Главные каналы | Ответвления | |||
Приток | Вытяжка | Приток | Вытяжка | ||
Жилые помещения | 3 | 5 | 4 | 3 | 3 |
Гостиницы | 5 | 7.5 | 6.5 | 6 | 5 |
Учреждения | 6 | 8 | 6.5 | 6 | 5 |
Рестораны | 7 | 9 | 7 | 7 | 6 |
Магазины | 8 | 9 | 7 | 7 | 6 |
Исходя из этих значений следует рассчитывать линейные параметры воздуховодов.
Алгоритм расчета потерь напора воздуха
Расчет нужно начинать с составления схемы системы вентиляции с обязательным указанием пространственного расположения воздуховодов, длины каждого участка, вентиляционных решеток, дополнительного оборудования для очистки воздуха, технической арматуры и вентиляторов. Потери определяются вначале по каждой отдельной линии, а потом суммируются. По отдельному технологическому участку потери определяются с помощью формулы P = L×R+Z, где P – потери воздушного давления на расчетном участке, R – потери на погонном метре участка, L – общая длина воздуховодов на участке, Z – потери в дополнительной арматуре системы вентиляции.
Для расчета потерь давления в круглом воздуховоде используется формула Pтр. = (L/d×X) × (Y×V)/2g. X – табличный коэффициент трения воздуха, зависит от материала изготовления воздуховода, L – длина расчетного участка, d – диаметр воздуховода, V – требуемая скорость воздушного потока, Y – плотность воздуха с учетом температуры, g – ускорение падения (свободного). Если система вентиляции имеет квадратные воздуховоды, то для перевода круглых значений в квадратные следует пользоваться таблицей № 2.
Табл. № 2. Эквивалентные диаметры круглых воздуховодов для квадратных
150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 | 450 | 500 | |
250 | 210 | 245 | 275 | |||||
300 | 230 | 265 | 300 | 330 | ||||
350 | 245 | 285 | 325 | 355 | 380 | |||
400 | 260 | 305 | 345 | 370 | 410 | 440 | ||
450 | 275 | 320 | 365 | 400 | 435 | 465 | 490 | |
500 | 290 | 340 | 380 | 425 | 455 | 490 | 520 | 545 |
550 | 300 | 350 | 400 | 440 | 475 | 515 | 545 | 575 |
600 | 310 | 365 | 415 | 460 | 495 | 535 | 565 | 600 |
650 | 320 | 380 | 430 | 475 | 515 | 555 | 590 | 625 |
700 | 390 | 445 | 490 | 535 | 575 | 610 | 645 | |
750 | 400 | 455 | 505 | 550 | 590 | 630 | 665 | |
800 | 415 | 470 | 520 | 565 | 610 | 650 | 685 | |
850 | 480 | 535 | 580 | 625 | 670 | 710 | ||
900 | 495 | 550 | 600 | 645 | 685 | 725 | ||
950 | 505 | 560 | 615 | 660 | 705 | 745 | ||
1000 | 520 | 575 | 625 | 675 | 720 | 760 | ||
1200 | 620 | 680 | 730 | 780 | 830 | |||
1400 | 725 | 780 | 835 | 880 | ||||
1600 | 830 | 885 | 940 | |||||
1800 | 870 | 935 | 990 |
По горизонтали указана высота квадратного воздуховода, а по вертикали ширина. Эквивалентное значение круглого сечения находится на пересечении линий.
Потери давления воздуха в изгибах берутся из таблицы № 3.
Табл. № 3. Потери давления на изгибах
Для определения потерь давления в диффузорах используются данные из таблицы № 4.
Табл. № 4. Потери давления в диффузорах
В таблице № 5 дается общая диаграмма потерь на прямолинейном участке.
Табл. № 5. Диаграмма потерь давления воздуха в прямолинейных воздуховодах
Все отдельные потери на данном участке воздуховода суммируются и корректируются с таблицей № 6. Табл. № 6. Расчет понижения давления потока в системах вентиляции
Во время проектирования и расчетов существующие нормативные акты рекомендуют, чтобы разница в величине потерь давления между отдельными участками не превышала 10%. Вентилятор нужно устанавливать в участке системы вентиляции с наиболее высоким сопротивлением, самые удаленные воздуховоды должны иметь минимальное сопротивление. Если эти условия не выполняются, то необходимо изменять план размещения воздуховодов и дополнительного оборудования с учетом требований положений.
К.т.н. С.Б.Горунович, инженер ПТО, «Усть-Илимская ТЭЦ» филиал ОАО «Иркутскэнерго», г. Усть-Илимск Иркутской обл.
Постановка вопроса
Известно, что на многих предприятиях, обладавших в недавнем прошлом резервами тепловой и электрической энергии, уделялось недостаточное внимание ее потерям при транспортировке. Например, различные насосы закладывались в проект, как правило, с большим запасом по мощности, потери давления в трубопроводах компенсировались увеличением подачи. Главные паропроводы проектировались с перемычками и длинными магистралями, позволяющими при необходимости переправлять излишки пара на соседние турбоагрегаты. При реконструкции и ремонте транспортирующих сетей предпочтение уделялось универсальности схем, что приводило к дополнительным врезкам (штуцерам) и перемычкам, установке дополнительных тройников и, как следствие, к дополнительным местным потерям полного давления. При этом известно, что в протяженных трубопроводах при значительных скоростях среды местные потери полного давления (местные сопротивления) могут повлечь за собой существенные потери расходов у потребителей.
В настоящее время требования эффективности, энергосбережения, тотальной оптимизации производства заставляют по-новому взглянуть на многие вопросы и аспекты проектирования, реконструкции и эксплуатации трубопроводов и паропроводов, поэтому учет местных сопротивлений в тройниках, развилках и штуцерах в гидравлических расчетах трубопроводов становится актуальной задачей.
Целью данной работы является описание наиболее часто используемых на предприятиях энергетики тройников и штуцеров, обмен опытом в области путей снижения коэффициентов местного сопротивления, способов сравнительной оценки эффективности подобных мероприятий.
Для оценки местных сопротивлений в современных гидравлических расчетах оперируют безразмерным коэффициентом гидравлического сопротивления, весьма удобным тем, что в динамически подобных потоках, при которых соблюдаются геометрическое подобие участков и равенство чисел Рейнольдса, он имеет одно и то же значение, независимо от вида жидкости (газа), а также от скорости потока и поперечных размеров рассчитываемых участков .
Коэффициент гидравлического сопротивления представляет собой отношение потерянной на данном участке полной энергии (мощности) к кинетической энергии (мощности) в принятом сечении или отношение потерянного на том же участке полного давления к динамическому давлению в принятом сечении :
где р общ - потерянное (на данном участке) полное давление; р - плотность жидкости (газа); w, - скорость в i-м сечении.
Значение коэффициента сопротивления зависит от того, к какой расчетной скорости и, следовательно, к какому сечению он приведен.
Вытяжной и приточный тройники
Известно, что весомую часть местных потерь в разветвленных трубопроводах составляют местные сопротивления в тройниках. Как объект, представляющий собой местное сопротивление, тройник характеризуется углом ответвления а и отношениями площадей сечения ответвлений (боковых и прямого) F b /F q , Fh/Fq и F B /Fn. В тройнике могут изменяться отношения расходов Q b /Q q , Q n /Q c и, соответственно, отношения скоростей w B /w Q , w n /w Q . Тройники могут быть установлены как на участках всасывания (вытяжной тройник), так и на участках нагнетания (приточные тройники) при разделении потока (рис. 1).
Коэффициенты сопротивления вытяжных тройников зависят от перечисленных выше параметров, а приточных тройников обычной формы - практически только от угла ответвления и отношений скоростей w n /w Q и w n /w Q соответственно .
Коэффициенты сопротивления вытяжных тройников обычной формы (без закруглений и расширения или сужения бокового ответвления, или прямого прохода) могут быть вычислены по следующим формулам .
Сопротивление в боковом ответвлении (в сечении Б):
где Q B =F B w B , Q q =F q w q - объемные расходы в сечении Б и С соответственно.
Для тройников типа F n =F c и при всех а значения A приведены в табл. 1.
При изменении отношения Q b /Q q от 0 до 1 коэффициент сопротивления изменяется в пределах от -0,9 до 1,1 (F q =F b , а=90 О). Отрицательные значения объясняются подсасывающим действием в магистрали при малых Q B .
Из структуры формулы (1) следует, что коэффициент сопротивления будет быстро возрастать с уменьшением площади сечения штуцера (с ростом F c /F b). Например, при Q b /Q c =1, F q/F b =2 , а=90 О коэффициент равняется 2,75.
Очевидно, что снижения сопротивления можно добиться при уменьшении угла бокового ответвления (штуцера). Например, при F c =F b , α=45 О, при изменении отношения Q b /Q c от 0 до 1 коэффициент изменяется в пределах от -0,9 до 0,322, т.е. его положительные значения снижаются почти в 3 раза.
Сопротивление в прямом проходе следует определять по формуле:
Для тройников типа Fn=F c значения К П приведены в табл. 2.
Легко убедиться, что диапазон изменения коэффициента сопротивления в прямом прохо
де при изменении отношения Q b /Q c от 0 до 1 находится в пределах от 0 до 0,6 (F c =F b , α=90 О).
Уменьшение угла бокового ответвления (штуцера) также приводит к значительному снижению сопротивления. Например, при F c =F b , α =45 О, при изменении отношения Q b /Q c от 0 до 1 коэффициент изменяется в пределах от 0 до -0,414, т.е. с ростом Q B в прямом проходе появляется «подсасывание», дополнительно снижающее сопротивление. Следует заметить, что зависимость (2) имеет ярко выраженный максимум, т.е. максимальное значение коэффициента сопротивления приходится на значение Q b /Q c =0,41 и равняется 0,244 (при F c =F b , α =45 О).
Коэффициенты сопротивления приточных тройников нормальной формы при турбулентном течении могут быть вычислены по формулам .
Сопротивление в боковом ответвлении:
где K Б - коэффициент сжатия потока.
Для тройников типа Fn=F c значения А 1 приведены в табл. 3, K B =0.
Если принять F c =F b , а=90 О, то при изменении отношения Q b /Q c от 0 до 1 получим значения коэффициента в диапазоне от 1 до 1,2.
Следует отметить, что в источнике приведены другие данные для коэффициента А 1 . По данным следует принять А 1 =1 при w B /w c <0,8 и А 1 =0,9 при w B /w c >0,8. Если использовать данные из , то при изменении отношения Q B /Q С от 0 до 1 получим значения коэффициента в диапазоне от 1 до 1,8 (F c =F b). В целом по будем получать немногим более высокие значения для коэффициентов сопротивления во всех диапазонах.
Решающее влияние на рост коэффициента сопротивления, как и в формуле (1), оказывает площадь сечения Б (штуцера) - с ростом F g /F b коэффициент сопротивления быстро возрастает.
Сопротивление в прямом проходе для приточных тройников типа Fn=Fc в пределах
Значения т П указаны в табл. 4.
При изменении отношения Q Б /Qс(3 от 0 до 1 (Fc=F Б, α=90 О) получим значения коэффициента в диапазоне от 0 до 0,3.
Сопротивление тройников обычной формы может быть также заметно снижено, если скруглить место стыка бокового ответвления со сборным рукавом. При этом для вытяжных тройников следует скруглить угол поворота потока (R 1 на рис. 16). Для приточных тройников скругление следует выполнить также и на разделяющей кромке (R 2 на рис. 16); оно делает поток более устойчивым и уменьшает возможность его отрыва от этой кромки .
Практически, скругление кромок сопряжения образующих бокового ответвления и основного трубопровода достаточно при R/D(3=0,2-0,3.
Предложенные выше формулы расчета коэффициентов сопротивления тройников и соответствующие им табличные данные относятся к тщательно изготовленным (точеным) тройникам. Производственные дефекты в тройниках, допущенные при их изготовлении («провалы» бокового ответвления и «перекрытие» его сечения неправильным вырезом стенки в прямом участке - основном трубопроводе), становятся источником резкого увеличения гидравлического сопротивления . На практике это случается при некачественной врезке в основной трубопровод штуцера, что имеет место достаточно часто, т.к. «заводские» тройники сравнительно дороги.
Эффективно снижает сопротивление как вытяжных, так и приточных тройников постепенное расширение (диффузор) бокового ответвления. Сочетание скругления, среза кромки и расширения бокового ответвления еще больше снижает сопротивление тройника. Коэффициенты сопротивлений тройников улучшенной формы можно определить по формулам и диаграммам, приведенным в источнике . Наименьшее сопротивление имеют также тройники с боковыми ответвлениями в виде плавных отводов, и там, где это практически возможно, следует применять тройники с малыми углами ответвления (до 60 О) .
При турбулентном течении (Re>4.10 3) коэффициенты сопротивления тройников мало зависят от чисел Рейнольдса. При переходе от турбулентного к ламинарному происходит скачкообразное возрастание коэффициента сопротивления бокового ответвления как в вытяжных, так и в приточных тройниках (примерно в 2-3 раза) .
В расчетах важно учитывать, в каком сечении он приведен к средней скорости. В источнике об этом существует ссылка перед каждой формулой. В источниках приведена общая формула, где указывается скорость приведения с соответствующим индексом.
Симметричный тройник при слиянии и разделении
Коэффициент сопротивления каждого ответвления симметричного тройника при слиянии (рис. 2а), можно вычислить по формуле :
При изменении отношения Q b /Q c от 0 до 0,5, коэффициент изменяется в пределах от 2 до 1,25, и далее с ростом Q b /Q c от 0,5 до 1 коэффициент приобретает значения от 1,25 до 2 (для случая F c =F b). Очевидно, что зависимость (5) имеет вид перевернутой параболы с минимумом в точке Q b /Q c =0,5.
Коэффициент сопротивления симметричного тройника (рис. 2а), расположенного на участке нагнетания (разделения) также можно вычислить по формуле :
где K 1 =0,3 - для сварных тройников.
При изменении отношения w B /w c от 0 до 1 коэффициент изменяется в пределах от 1 до 1,3 (F c =F b).
Анализируя структуру формул (5, 6) (также как (1) и (3)), можно убедиться, что снижение сечения (диаметра) боковых ответвлений (сечений Б) отрицательно сказывается на сопротивлении тройника.
Сопротивление потоку может быть снижено в 2-3 раза при использовании тройников-развилок (рис. 26, 2в).
Коэффициент сопротивления тройника-развилки при разделении потока (рис. 2б) можно вычислить по формулам :
При изменении отношения Q 2 /Q 1 от 0 до 1 коэффициент изменяется в пределах от 0,32 до 0,6.
Коэффициент сопротивления тройника-развилки при слиянии (рис. 2б) можно вычислить по формулам :
При изменении отношения Q 2 /Q 1 от 0 до 1 коэффициент изменяется в пределах от 0,33 до -0,4.
Симметричный тройник может быть выполнен с плавными отводами (рис. 2в), тогда его сопротивление может быть еще снижено.
Изготовление. Стандарты
Отраслевые стандарты энергетики предписывают для трубопроводов тепловых электростанций низкого давления (при рабочем давлении Р раб.<22 кгс/см 2 и температуре среды t<425 О С) использовать тройники сварные по ОСТ34-42-762
ОСТ34-42-765-85. Для более высоких параметров среды (Р ра б.<40 кгс/см 2) изготавливают тройники из углеродистых и кремнемарганцовистых сталей: штампованные по ОСТ108.720.01, ОСТ108.720.02-82; сварные по ОСТ108.104.01 - ОСТ108.104.03-82; с обжатием (с вытянутой горловиной) по ОСТ108.104.04, ОСТ108.104.05-82. Из хромомолибденованадиевых сталей изготавливают тройники: штампованные по ОСТ108.720.05, ОСТ108.720.06-82; сварные по ОСТ108.104.10 - ОСТ108.104.12-82; с обжатием (с вытянутой горловиной) по ОСТ108.104.13 - ОСТ108.104.15-82 для паропроводов высокого давления (с параметрами Р раб. до 255 кгс/см 2 и температурой t до 560 О С). Существуют соответствующие нормативы и для штуцеров.
Конструкция тройников, изготовленных по существующим (вышеперечисленным) стандартам, далеко не всегда оптимальна с точки зрения гидравлических потерь. Снижению коэффициента местного сопротивления способствует лишь форма штампованных тройников с вытянутой горловиной, где в боковом ответвлении предусмотрен радиус скругления по типу, показанному на рис. 1б и рис. 3в, а также с обжатием концов, когда диаметр основного трубопровода несколько меньше диаметра тройника (по типу, показанному на рис. 3б). Тройники-развилки, очевидно, выполняются по отдельному заказу по «заводским» стандартам. В РД 10-249-98 существует параграф, посвященный расчету на прочность тройников-развилок и штуцеров.
При проектировании и реконструкции сетей важно учитывать направление движения сред и возможные диапазоны изменения расходов в тройниках. В случае, если направление транспортируемой среды однозначно определено, целесообразно использовать наклонные штуцеры (боковые ответвления) и тройники-развилки. Тем не менее, остается проблема значимых гидравлических потерь в случае универсального тройника, который сочетает свойства приточного и вытяжного, в котором возможно как слияние, так и разделение потока в режимах работы, связанных со значительным изменением расходов. Вышеупомянутые качества характерны, например, для узлов переключения трубопроводов питательной воды или главных паропроводов на ТЭС с «перемычками».
При этом следует учитывать, что для трубопроводов пара и горячей воды конструкция и геометрические размеры сварных тройников из труб, а также штуцеров (труб, патрубков), ввариваемых на прямых участках трубопроводов, должны удовлетворять требованиям отраслевых стандартов, нормалей и технических условий. Другими словами для ответственных трубопроводов необходимо заказывать тройники, выполненные в соответствии с техническими условиями у сертифицированных производителей. На практике, в виду относительной дороговизны «заводских» тройников, врезку штуцера зачастую выполняют местные подрядные организации, используя отраслевые или заводские нормы.
В целом окончательное решение о способе врезки целесообразно принимать после сравнительного технико-экономического анализа. Если принято решение осуществлять врезку «своими силами», персоналу ИТР необходимо подготовить шаблон штуцера, произвести расчет на прочность (если это необходимо), контролировать качество врезки (не допускать «провалов» штуцера и «перекрытие» его сечения неправильным вырезом стенки в прямом участке). Внутренний стык между металлом штуцера и основного трубопровода целесообразно выполнить с закруглением (рис. 3в).
Существует ряд конструктивных решений для снижения гидравлических сопротивлений в стандартных тройниках и узлах переключения магистралей. Одно из самых простых - увеличение размеров самих тройников для снижения в них относительных скоростей среды (рис. 3а, 3б). При этом тройники необходимо комплектовать переходами, углы расширения (сужения) которых также целесообразно выбирать из ряда гидравлически оптимальных. В качестве универсального тройника со сниженными гидравлическими потерями можно также использовать тройник-развилку с перемычкой (рис. 3г). Использование тройников-развилок для узлов переключения магистралей также незначительно усложнит конструкцию узла, но положительно скажется на гидравлических потерях (рис. 3д, 3е).
Важно отметить, что при сравнительно близком расположении местных (L=(10-20)d) сопротивлений различного типа, имеет место явление интерференции местных сопротивлений. По данным некоторых исследователей , при максимальном сближении местных сопротивлений можно добиться снижения их суммы, в то время как на некотором расстоянии (L=(5-7)d), суммарное сопротивление имеет максимум (выше на 3-7%, чем простая сумма). Эффект снижения мог бы вызвать интерес у крупных производителей, готовых изготавливать и поставлять узлы переключения со сниженными местными сопротивлениями, но для достижения хорошего результата необходимо проведение прикладных лабораторных исследований.
Технико-экономическое обоснование
При принятии того или иного конструктивного решения важно уделить внимание экономической стороне проблемы. Как упоминалось выше, «заводские» тройники обычной конструкции, и тем более выполненные по специальному заказу (гидравлически оптимальные), обойдутся значительно дороже, чем врезка штуцера. При этом важно ориентировочно оценить выгоды в случае снижения гидравлических потерь в новом тройнике и срок его окупаемости.
Известно, что потери давления в станционных трубопроводах с обычными скоростями движения сред (для Re>2.10 5) можно оценить следующей формулой :
где р - потери давления, кгс/см 2 ; w - скорость среды, м/с; L - развернутая длина трубопровода, м; g - ускорение свободного падения, м/с 2 ; d - расчетный диаметр трубопровода, м; к - коэффициент сопротивления трения; ∑ἐ м – сумма коэффициентов местных сопротивлений; v - удельный объем среды, м 3 /кг
Зависимость (7) принято называть гидравлической характеристикой трубопровода.
Если учесть зависимость: w=10Gv/9nd 2 , где G- расход, т/ч.
Тогда (7) можно представить в виде:
Если существует возможность снизить местное сопротивление (тройника, штуцера, узла переключения), то, очевидно, формулу (9) можно представить в виде:
Здесь ∑ἐ м - разность коэффициентов местного сопротивления старого и нового узлов.
Допустим, что гидравлическая система «насос - трубопровод» работает в номинальном режиме (или в режиме, близком к номинальному). Тогда:
где Р н - номинальное давление (по расходной характеристике насоса/котла), кгс/см 2 ; G h - номинальный расход (по расходной характеристике насоса/котла), т/ч.
Если предположить, что после замены старых сопротивлений система «насос - трубопровод» сохранит работоспособность (ЫРн), то из (10), используя (12), можно определить новый расход (после снижения сопротивления):
Работу системы «насос-трубопровод», изменение ее характеристик можно наглядно представить на рис. 4.
Очевидно, что G 1 >G M . Если речь идет о главном паропроводе, транспортирующим пар из котла в турбину, то по разности расходов ЛG=G 1 -G н можно определить выигрыш в количестве теплоты (из отбора турбины) и/или в количестве вырабатываемой электрической энергии по режимным характеристикам данной турбины.
Сравнивая стоимость нового узла и количества теплоты (электроэнергии), можно ориентировочно оценить рентабельность его монтажа.
Пример расчета
Например, необходимо оценить рентабельность замены равнопроходного тройника главного паропровода на слиянии потоков (рис. 2а) тройником-развилкой с перемычкой по типу, указанному на рис. 3г. Потребитель пара - теплофикационная турбина ПО ТМЗ типа Т-100/120-130. Пар поступает по одной нитке паропровода (через тройник, сечения Б, С).
Имеем следующие исходные данные:
■ расчетный диаметр паропровода d=0,287 м;
■ номинальный расход пара G h =Q(3=Q^420 т/ч;
■ номинальное давление котла Р н =140 кгс/см 2 ;
■ удельный объем пара (при Р ра б=140 кгс/см 2 , t=560 О С) n=0,026 м 3 /кг.
Рассчитаем коэффициент сопротивления стандартного тройника на слиянии потоков (рис. 2а) по формуле (5) - ^ СБ1 =2.
Для расчета коэффициента сопротивления тройника-развилки с перемычкой предположим:
■ деление потоков в ветвях происходит в пропорции Q b /Q c «0,5;
■ суммарный коэффициент сопротивления равен сумме сопротивлений приточного тройника (с отводом 45 О, см. рис. 1а) и тройника-развилки при слиянии (рис. 2б), т.е. интерференцией пренебрегаем.
Используем формулы (11, 13) и получаем ожидаемое увеличение расхода на G=G 1 -G н =0,789 т/ч.
По диаграмме режимов турбины Т-100/120-130 расходу 420 т/ч может соответствовать электрическая нагрузка - 100 МВт и тепловая нагрузка - 400 ГДж/ч . Зависимость между расходом и электрической нагрузкой близка к прямопропорциональной.
Выигрыш по электрической нагрузке может составить: P э =100AG/Q н =0,188 МВт.
Выигрыш по тепловой нагрузке может составить: T э =400AG/4,19Q н =0,179 Гкал/ч.
Цены на изделия из хромомолибденованадиевых сталей (на тройники-развилки 377x50) могут колебаться в широких пределах от 200 до 600 тыс. руб., следовательно, о сроке окупаемости можно судить лишь после тщательного исследования рынка на момент принятия решения.
1. В данной статье описаны различные типы тройников и штуцеров, даны краткие характеристики тройников, используемых в трубопроводах электростанций. Приведены формулы для определения коэффициентов гидравлических сопротивлений, показаны пути и способы их снижения.
2. Предложены перспективные конструкции тройников-развилок, узла переключения магистральных трубопроводов со сниженными коэффициентами местных сопротивлений.
3. Приведены формулы, пример и показана целесообразность технико-экономического анализа при выборе либо замене тройников, при реконструкции узлов переключения.
Литература
1. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1992.
2. Никитина И.К. Справочник по трубопроводам тепловых электростанций. М.: Энергоатомиздат, 1983.
3. Справочник по расчетам гидравлических и вентиляционных систем / Под ред. А.С. Юрьева. С.-Пб.: АНО НПО «Мир и семья», 2001.
4. Рабинович Е.З. Гидравлика. М.: Недра, 1978.
5. Бененсон Е.И., Иоффе Л.С. Теплофикационные паровые турбины / Под ред. Д.П. Бузина. М: Энергоиздат, 1986.
Этим материалом редакция журнала „Мир Климата“ продолжает публикацию глав из книги „Системы вентиляции и кондиционирования. Рекомендации по проектированию для произ-
водственных и общественных зданий “. Автор Краснов Ю.С.
Аэродинамический расчет воздуховодов начинают с вычерчивания аксонометрической схемы (М 1: 100), проставления номеров участков, их нагрузок L (м 3 /ч) и длин I (м). Определяют направление аэродинамического расчета - от наиболее удаленного и нагруженного участка до вентилятора. При сомнениях при определении направления рассчитывают все возможные варианты.
Расчет начинают с удаленного участка: определяют диаметр D (м) круглого или площадь F (м 2) поперечного сечения прямоугольного воздуховода:
Скорость растет по мере приближения к вентилятору.
По приложению Н из принимают ближайшие стандартные значения: D CT или (а х b) ст (м).
Гидравлический радиус прямоугольных воздуховодов (м):
где - сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке воздуховодов.
Местные сопротивления на границе двух участков (тройники, крестовины) относят к участку с меньшим расходом.
Коэффициенты местных сопротивлений даны в приложениях.
Схема приточной системы вентиляции, обслуживающей 3-этажное административное здание
Пример расчета
Исходные данные:
№ участков | подача L, м 3 /ч | длина L, м | υ рек, м/с |
сечение
а × b, м |
υ ф, м/с | D l ,м | Re | λ | Kmc | потери на участке Δр, па |
решетка рр на выходе | 0,2 × 0,4 | 3,1 | - | - | - | 1,8 | 10,4 | |||
1 | 720 | 4,2 | 4 | 0,2 × 0,25 | 4,0 | 0,222 | 56900 | 0,0205 | 0,48 | 8,4 |
2 | 1030 | 3,0 | 5 | 0,25× 0,25 | 4,6 | 0,25 | 73700 | 0,0195 | 0,4 | 8,1 |
3 | 2130 | 2,7 | 6 | 0,4 × 0,25 | 5,92 | 0,308 | 116900 | 0,0180 | 0,48 | 13,4 |
4 | 3480 | 14,8 | 7 | 0,4 × 0,4 | 6,04 | 0,40 | 154900 | 0,0172 | 1,44 | 45,5 |
5 | 6830 | 1,2 | 8 | 0,5 × 0,5 | 7,6 | 0,50 | 234000 | 0,0159 | 0,2 | 8,3 |
6 | 10420 | 6,4 | 10 | 0,6 × 0,5 | 9,65 | 0,545 | 337000 | 0,0151 | 0,64 | 45,7 |
6а | 10420 | 0,8 | ю. | Ø0,64 | 8,99 | 0,64 | 369000 | 0,0149 | 0 | 0,9 |
7 | 10420 | 3,2 | 5 | 0,53 × 1,06 | 5,15 | 0,707 | 234000 | 0,0312 ×n | 2,5 | 44,2 |
Суммарные потери: 185 | ||||||||||
Таблица 1. Аэродинамический расчет |
Воздуховоды изготовлены из оцинкованной тонколистовой стали , толщина и размер которой соответствуют прил. Н из. Материал воздухозаборной шахты - кирпич. В качестве воздухораспределителей применены решетки регулируемые типа РР с возможными сечениями: 100 х 200; 200 х 200; 400 х 200 и 600 х 200 мм, коэффициентом затенения 0,8 и максимальной скоростью воздуха на выходе до 3 м/с.
Сопротивление приемного утепленного клапана с полностью открытыми лопастями 10 Па. Гидравлическое сопротивление калориферной установки 100 Па (по отдельному расчету). Сопротивление фильтра G-4 250 Па. Гидравлическое сопротивление глушителя 36 Па (по акустическому расчету). Исходя из архитектурных требований проектируют воздуховоды прямоугольного сечения.
Сечения кирпичных каналов принимают по табл. 22.7 .
Коэффициенты местных сопротивлений
Участок 1. Решетка РР на выходе сечением 200×400 мм (рассчитывают отдельно):
№ участков | Вид местного сопротивления | Эскиз | Угол α, град. | Отношение | Обоснование | КМС | ||
F 0 /F 1 | L 0 /L ст | f прох /f ств | ||||||
1 | Диффузор | 20 | 0,62 | - | - | Табл. 25.1 | 0,09 | |
Отвод | 90 | - | - | - | Табл. 25.11 | 0,19 | ||
Тройник-проход | - | - | 0,3 | 0,8 | Прил. 25.8 | 0,2 | ||
∑ = | 0,48 | |||||||
2 | Тройник-проход | - | - | 0,48 | 0,63 | Прил. 25.8 | 0,4 | |
3 | Тройник-ответвление | - | 0,63 | 0,61 | - | Прил. 25.9 | 0,48 | |
4 | 2 отвода | 250 × 400 | 90 | - | - | - | Прил. 25.11 | |
Отвод | 400 × 250 | 90 | - | - | - | Прил. 25.11 | 0,22 | |
Тройник-проход | - | - | 0,49 | 0,64 | Табл. 25.8 | 0,4 | ||
∑ = | 1,44 | |||||||
5 | Тройник-проход | - | - | 0,34 | 0,83 | Прил. 25.8 | 0,2 | |
6 | Диффузор после вентилятора | h=0,6 | 1,53 | - | - | Прил. 25.13 | 0,14 | |
Отвод | 600 × 500 | 90 | - | - | - | Прил. 25.11 | 0,5 | |
∑= | 0,64 | |||||||
6а | Конфузор перед вентилятором | D г =0,42 м | Табл. 25.12 | 0 | ||||
7 | Колено | 90 | - | - | - | Табл. 25.1 | 1,2 | |
Решетка жалюзийная | Табл. 25.1 | 1,3 | ||||||
∑ = | 1,44 | |||||||
Таблица 2. Определение местных сопротивлений |
Краснов Ю.С.,
1. Потери на трение:
Pтр = (x*l/d) * (v*v*y)/2g,
z = Q* (v*v*y)/2g,
Метод допустимых скоростей
Примечание: скорость воздушного потока в таблице дана в метрах в секунду
Использование прямоугольных воздуховодов
В диаграмме потерь напора указаны диаметры круглых воздуховодов . Если вместо них используются воздуховоды прямоугольного сечения, то необходимо найти их эквивалентные диаметры с помощью приведенной ниже таблицы.
Примечания:
- Если места недостаточно (например, при реконструкции), выбирают прямоугольные воздуховоды . Как правило, ширина воздуховода в 2 раза больше высоты).
Таблица эквивалентных диаметров воздуховодов
Когда известны параметры воздуховодов (их длина, сечение, коэффициент трения воздуха о поверхность), можно рассчитать потери давления в системе при проектируемом расходе воздуха.
Общие потери давления (в кг/кв.м.) рассчитываются по формуле:
где R - потери давления на трение в расчете на 1 погонный метр воздуховода, l - длина воздуховода в метрах, z - потери давления на местные сопротивления (при переменном сечении).
1. Потери на трение:
В круглом воздуховоде потери давления на трение P тр считаются так:
Pтр = (x*l/d) * (v*v*y)/2g,
где x - коэффициент сопротивления трения, l - длина воздуховода в метрах, d - диаметр воздуховода в метрах, v - скорость течения воздуха в м/с, y - плотность воздуха в кг/куб.м., g - ускорение свободного падения (9,8 м/с2).
Замечание: Если воздуховод имеет не круглое, а прямоугольное сечение, в формулу надо подставлять эквивалентный диаметр, который для воздуховода со сторонами А и В равен: dэкв = 2АВ/(А + В)
2. Потери на местные сопротивления:
Потери давления на местные сопротивления считаются по формуле:
z = Q* (v*v*y)/2g,
где Q - сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке воздуховода, для которого производят расчет, v - скорость течения воздуха в м/с, y - плотность воздуха в кг/куб.м., g - ускорение свободного падения (9,8 м/с2). Значения Q содержатся в табличном виде.
Метод допустимых скоростей
При расчете сети воздуховодов по методу допустимых скоростей за исходные данные принимают оптимальную скорость воздуха (см. таблицу). Затем считают нужное сечение воздуховода и потери давления в нем.
Порядок действий при аэродинамическом расчете воздуховодов по методу допустимых скоростей:
Начертить схему воздухораспределительной системы. Для каждого участка воздуховода указать длину и количество воздуха, проходящего за 1 час.
Расчет начинаем с самых дальних от вентилятора и самых нагруженных участков.
Зная оптимальную скорость воздуха для данного помещения и объем воздуха, проходящего через воздуховод за 1 час, определим подходящий диаметр (или сечение) воздуховода.
Вычисляем потери давления на трение P тр.
По табличным данным определяем сумму местных сопротивлений Q и рассчитываем потери давления на местные сопротивления z.
Располагаемое давление для следующих ветвлений воздухораспределительной сети определяется как сумма потерь давления на участках, расположенных до данного ветвления.
В процессе расчета нужно последовательно увязать все ветви сети, приравняв сопротивление каждой ветви к сопротивлению самой нагруженной ветви. Это делают с помощью диафрагм. Их устанавливают на слабо нагруженные участки воздуховодов, повышая сопротивление.
Таблица максимальной скорости воздуха в зависимости от требований к воздуховоду
Метод постоянной потери напора
Данный метод предполагает постоянную потерю напора на 1 погонный метр воздуховода. На основе этого определяются размеры сети воздуховодов. Метод постоянной потери напора достаточно прост и применяется на стадии технико-экономического обоснования систем вентиляции:
В зависимости от назначения помещения по таблице допустимых скоростей воздуха выбирают скорость на магистральном участке воздуховода.
По определенной в п.1 скорости и на основании проектного расхода воздуха находят начальную потерю напора (на 1 м длины воздуховода). Для этого служит нижеприведенная диаграмма.
Определяют самую нагруженную ветвь, и ее длину принимают за эквивалентную длину воздухораспределительной системы. Чаще всего это расстояние до самого дальнего диффузора.
Умножают эквивалентную длину системы на потерю напора из п.2. К полученному значению прибавляют потерю напора на диффузорах.
Теперь по приведенной ниже диаграмме определяют диаметр начального воздуховода, идущего от вентилятора, а затем диаметры остальных участков сети по соответствующим расходам воздуха. При этом принимают постоянной начальную потерю напора.
Диаграмма определения потерь напора и диаметра воздуховодов
В диаграмме потерь напора указаны диаметры круглых воздуховодов. Если вместо них используются воздуховоды прямоугольного сечения, то необходимо найти их эквивалентные диаметры с помощью приведенной ниже таблицы.
Примечания:
Если позволяет пространство, лучше выбирать круглые или квадратные воздуховоды;
Если места недостаточно (например, при реконструкции), выбирают прямоугольные воздуховоды. Как правило, ширина воздуховода в 2 раза больше высоты).
В таблице по горизонтальной указана высота воздуховода в мм, по вертикальной - его ширина, а в ячейках таблицы содержатся эквивалентные диаметры воздуховодов в мм.
Расчет приточных и вытяжных систем воздуховодов сводится к определению размеров поперечного сечения каналов, их сопротивления движению воздуха и увязки напора в параллельных соединениях. Расчет потерь напора следует вести методом удельных потерь напора на трение.
Методика расчета:
Строится аксонометрическая схема вентиляционной системы, система разбивается на участки, на которые наносятся длина и значение расхода. Расчетная схема представлена на рисунке 1.
Выбирается основное (магистральное) направление, которое представляет собой наиболее протяженную цепочку последовательно расположенных участков.
3. Нумеруются участки магистрали, начиная с участка с наименьшим расходом.
4. Определяются размеры поперечного сечения воздуховодов на расчетных участках магистрали. Определяем площади поперечного сечения, м 2:
F р =L p /3600V p ,
где L р – расчетный расход воздуха на участке, м 3 /ч;
По найденным значениям F р ] принимаются размеры воздуховодов, т.е. находится F ф.
5. Определяется фактическая скорость V ф, м/с:
V ф = L p / F ф,
где L р – расчетный расход воздуха на участке, м 3 /ч;
F ф – фактическая площадь поперечного сечения воздуховода, м 2 .
Определяем эквивалентный диаметр по формуле:
d экв = 2·α·b/(α+b) ,
где α и b – поперечные размеры воздуховода, м.
6. По значениям d экв и V ф определяются значения удельных потерь давления на трение R.
Потери давления на трения на расчетном участке составят
P т =R·l·β ш,
где R – удельные потери давления на трение, Па/м;
l – длина участка воздуховода, м;
β ш – коэффициент шероховатости.
7. Определяются коэффициенты местных сопротивлений и просчитываются потери давления в местных сопротивлениях на участке:
z = ∑ζ·P д,
где P д – динамическое давление:
Pд=ρV ф 2 /2,
где ρ – плотность воздуха, кг/м 3 ;
V ф – фактическая скорость воздуха на участке, м/с;
∑ζ – сумма КМС на участке,
8. Рассчитываются полные потери по участкам:
ΔР = R·l·β ш + z,
l – длина участка, м;
z - потери давления в местных сопротивлениях на участке, Па.
9. Определяются потери давления в системе:
ΔР п = ∑(R·l·β ш + z) ,
где R - удельные потери давления на трение, Па/м;
l – длина участка, м;
β ш – коэффициент шероховатости;
z- потери давления в местных сопротивлениях на участке, Па.
10. Проводится увязка ответвлений. Увязка производится, начиная с самых протяженных ответвлений. Она аналогична расчету основного направления. Сопротивления на всех параллельных участках должны быть равны: невязка не более 10%:
где Δр 1 и Δр 2 – потери в ветвях с большими и меньшими потерями давления, Па. Если невязка превышает заданное значение, то ставится дроссель-клапан.
Рисунок 1 – Расчетная схема приточной системы П1.
Последовательность расчета приточной системы П1
Участок 1-2, 12-13, 14-15,2-2’,3-3’,4-4’,5-5’,6-6’,13-13’,15-15’,16-16’:
Участок 2-3, 7-13, 15-16:
Участок 3-4, 8-16:
Участок 4-5:
Участок 5-6:
Участок 6-7:
Участок 7-8:
Участок 8-9:
Местные сопротивления
Участок 1-2:
а) на выход: ξ = 1,4
б) отвод 90°: ξ = 0,17
в) тройник на прямой проход:
Участок 2-2’:
а) тройник на ответвление
Участок 2-3:
а) отвод 90°: ξ = 0,17
б) тройник на прямой проход:
ξ = 0,25
Участок 3-3’:
а) тройник на ответвление
Участок 3-4:
а) отвод 90°: ξ = 0,17
б) тройник на прямой проход:
Участок 4-4’:
а) тройник на ответвление
Участок 4-5:
а) тройник на прямой проход:
Участок 5-5’:
а) тройник на ответвление
Участок 5-6:
а) отвод 90°: ξ = 0,17
б) тройник на прямой проход:
Участок 6-6’:
а) тройник на ответвление
Участок 6-7:
а) тройник на прямой проход:
ξ = 0,15
Участок 7-8:
а) тройник на прямой проход:
ξ = 0,25
Участок 8-9:
а) 2 отвода 90°: ξ = 0,17
б) тройник на прямой проход:
Участок 10-11:
а) отвод 90°: ξ = 0,17
б) на выход: ξ = 1,4
Участок 12-13:
а) на выход: ξ = 1,4
б) отвод 90°: ξ = 0,17
в) тройник на прямой проход:
Участок 13-13’
а) тройник на ответвление
Участок 7-13:
а) отвод 90°: ξ = 0,17
б) тройник на прямой проход:
ξ = 0,25
в) тройник на ответвление:
ξ = 0,8
Участок 14-15:
а) на выход: ξ = 1,4
б) отвод 90°: ξ = 0,17
в) тройник на прямой проход:
Участок 15-15’:
а) тройник на ответвление
Участок 15-16:
а) 2 отвода 90°: ξ = 0,17
б) тройник на прямой проход:
ξ = 0,25
Участок 16-16’:
а) тройник на ответвление
Участок 8-16:
а) тройник на прямой проход:
ξ = 0,25
б) тройник на ответвление:
Аэродинамический расчет приточной системы П1
Расход, L, м³/ч |
Длина, l, м |
Размеры воздуховода |
Скорость воздуха V, м/с |
Потери на 1 м длины уч-ка R, Па |
Коэфф. шероховатости m |
Потери на трение Rlm, Па |
Сумма КМС, Σξ |
Динамическое давление Рд, Па |
Потери на местные сопр, Z |
Потери давления на участке, ΔР, Па |
||||||||||||
Площадь сечения F, м² |
Эквивалентный диаметр |
|||||||||||||||||||||
Выполним невязку приточной системы П1, которая должна составить не более 10 %.
Так как невязка превышает допустимые 10%, необходимо поставить диафрагму.
Диафрагму устанавливаю на участке 7-13, V = 8,1 м/с, Р С = 20,58 Па
Следовательно для воздуховода диаметром 450 устанавливаю диафрагму диаметром 309.