Потери теплоты в системах централизованного теплоснабжения

Задание

 

В курсовом проекте необходимо произвести расчет потребления теплоты промышленным и жилым районом города. Определить годовые нагрузки теплоты, построить  график продолжительности тепловой нагрузки. Изучить методы регулирования  отпуска теплоты и рассчитать водо-водяные подогреватели центральных  тепловых пунктов. Необходимо также  определить гидравлический режим работы сети и построить пьезометрический график. Рассчитать потери теплоты  и потери с утечками. В заключительной части курсового проекта необходимо подобрать оборудование ТЭЦ.

 

 

 

Содержание

 

Задание	2
Содержание	3
Введение	4
Исходные данные	5
1. Теплопотребление	6
1.1Отопительные нагрузки	6
1.2 Вентиляция	12
1.3 Тепловая нагрузка на горячее  водоснабжение	14
1.4 Годовой расход теплоты	15
2.1 Регулирование по совмещенной  нагрузке для закрытых водяных  систем	20
3. Гидравлический расчет тепловой  сети	26
3.1 Гидравлический расчет водяной  тепловой сети	27
3.2. Принцип оптимизации в гидравлическом  расчете водяной тепловой сети	28
3.3. Построение пьезометрического графика	32
4. Потери теплоты в системах  централизованного теплоснабжения	35
4.1 Потери теплоты через изоляционные  конструкции	35
4.2. Потери теплоты с потерями  сетевой воды	41
5. Выбор оборудования ТЭЦ	43
Приложения	45

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Теплоснабжение  является одной из основных подсистем  энергетики. На теплоснабжение промышленности и населения расходуется около  трети всех используемых в стране первичных топливных ресурсов.

В курсовой работе рассчитывается теплопотребление промышленного и жилого района, исходя из их климатического положения.

В первой части  курсовой работы определяются нагрузки на отопление, вентиляцию и горячее  водоснабжение, годовые нагрузки. По полученным значениям строится график продолжительности тепловой нагрузки, который является важной характеристикой  работы энергосистемы.

Вторая часть, регулирование отпуска теплоты, заключается в определении температур и расходов сетевой воды, в подающем и обратном трубопроводах. Для тепловых пунктов присоединенных по  независимой  схеме рассчитывается также водоводяной подогреватель.

В третьей  части курсовой работы определяются диаметры трубопроводов и потери напора на данном участке. По полученным результатам строится пьезометрический график.

Четвертая часть  заключается в определение толщины  изоляционного слоя на подающем и  обратном трубопроводе, а также в  определении потерь теплоты с  утечками сетевой воды.

В пятой части  производится выбор основного оборудования ТЭЦ: турбины, котлов, пиковых водогрейных  котлов, сетевых подогревателей и  сетевых насосов.

 

 

Исходные данные

 

г. Томск

n₀ =236 суток – продолжительность отопительного периода;

t_н.о=-40 °С – температура наружного воздуха расчетная для отопления;

t_н.в=-25 °С – температура наружного воздуха расчетная для вентиляции;

t_от.ср =-8,4 °С – температура наружного воздуха средняя отопительного периода;

t_ср.год =-0,5 °С – температура наружного воздуха средняя за год;

Преобладающее направление ветра за:

декабрь –  февраль: южное

июнь –  август : южное

Средняя скорость ветра за отопительный период: 4,7 м/с.

 

 

1. Теплопотребление

 

• Отопительные нагрузки

 

Расход  теплоты на отопление жилых и  производственных зданий определяют из уравнения теплового баланса:

,                   (1.1)

где – потери теплоты соответственно за счет теплопередачи через ограждающие конструкции здания и инфильтрации холодного воздуха через неплотности в этих конструкциях, Вт;

 – мощность внутренних  тепловыделений, Вт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1 Схема здания с тепловыми потоками

• тепловые потоки из здания за счет теплопередачи через ограждающие конструкции, Q_т;
• тепловые потоки инфильтрацией через неплотности в ограждающих конструкциях, Q_и;

                   тепловые потоки  внутренних источников теплоты, Q_тв.

Для производственных и жилых зданий полные потери теплоты:

в отсутствии проектных данных определяют по укрупненным  ведомственным нормам [1]:

  (1.2)

Для одного жилого здания:

 

 
Для 310 жилых зданий:

 

 

Для производственных зданий:

 

1.

 

2.

 

 

где – коэффициент инфильтрации, учитывающий потери теплоты за счет инфильтрации;

 – удельные тепловые потери  или удельная отопительная характеристика  здания, Вт/(м³ К), (таблица П.3);

 – объем здания по наружному  обмеру, м³;

 – расчетная температура  отапливаемых зданий, которую согласно  строительным нормам и правилам (СНиП) 04.07.86 «Тепловые сети» [1] принимают для ЖКС 20 ^оС, а для производственных зданий – 16 ^оС.

Коэффициент инфильтрации  вычисляют по формуле

                           ,                 (1.3)

Для жилых  зданий:

 

Для производственных:

1.

2.

 

где b– постоянная инфильтрации, равная для отдельно стоящих производственных зданий (35...40)×10^-3, c/м;

g – ускорение свободного падения;

h – свободная высота здания (для многоэтажных зданий – высота одного этажа), м;

w – расчетная скорость ветра, м/с (таблица П.1).

 

 

 

Рис 1.2  Коэффициенты инфильтрации для жилых и производственных зданий

 

 

  
Подставив (1.3), и в (1.2), устанавливают зависимость между тепловыми потерями и температурой наружного воздуха. В частности, вычисляют минимальную и максимальную величину тепловых потерь соответственно при и :

;     (1.4)

 

.

Для производственных зданий:

 

 

Мощность  внутренних источников теплоты в  первом приближении определяют как  долю расчетных потерь теплоты (1.4):

 

,                                     (1.5)

Для производственных зданий:

 

где – коэффициент, учитывающий внутренние тепловыделения как долю от : (0,5...0,75) – для металлургических цехов, (0,3...0,5) – термических и кузнечных цехов и 0 – остальных цехов, жилых и общественных зданий, имеющих малые по величине и непостоянные во времени внутренние источники теплоты.

Для зданий ЖКС расчет отопительной нагрузки производят по аналогичной методике, но с тем  отличием, что отопительную характеристику жилых и общественных зданий определяют как

,       (1.6)

Для жилых зданий:

,

где a – эмпирический коэффициент, равный 1,85 Вт/м^2,5К;

 – поправочный коэффициент  для климатического района с  расчетной температурой для отопления  ≠ –30 ^оС ориентировочно принимаем 0,9.

По результатам  расчета компьютерной программы  строим графики:

 

 

 

Рис 1.3 Полные потери теплоты и отопительная нагрузка производственных

зданий имеющих внутренние источники  теплоты.

 

 

 

Рис 1.4 Полные потери теплоты и отопительная нагрузка производственных

зданий, неимеющих внутренние источники  теплоты.

 

 

Рис 1.5 Полные потери теплоты и отопительная нагрузка

 

1.2 Вентиляция

 

В отсутствии проектных данных тепловую нагрузку на вентиляцию вычисляют по укрупненным  показателям:

 

                                       ,                                           (1.7)

 

где – удельный расход теплоты на вентиляцию или вентиляционная характеристика здания, Вт/(м³К) (таблица П.3);

 

 

В системах централизованного теплоснабжения в целях экономии теплоты производят «срезку» вентиляционной тепловой нагрузки в области низких значений температуры  , составляющей 15% от продолжительности отопительного сезона. Согласно сказанному расчетную тепловую нагрузку на вентиляцию определяют при = :

 

                                                             

                                                         

В качестве исключения принимают равной для производственных цехов с большим выделением вредных веществ или в случае, когда в здании применяют воздушное отопление.

Постоянство расхода теплоты на вентиляцию в  период низких значений температуры  наружного воздуха  осуществляют путем регулирования кратности воздухообмена:

 

                                                

,                                          (1.8)

                                                                  

где – относительная кратность воздухообмена в холодный период отопительного сезона, когда – ;

 – нормативная кратность  воздухообмена для данного вида  производства.

 

Рис 1.6  Тепловая нагрузка на вентиляцию

 

Тепловая нагрузка на горячее водоснабжение

Средненедельный расход теплоты на бытовое ГВС (Вт) в производственных зданиях вычисляют  в соответствии с нормами потребления  на одну процедуру:

 

,                            (1.10)

 

где =60 кг/сут – норма расхода горячей воды на одну душевую сетку в смену;

m_сет= 2-5 – число душевых сеток в цехе;

m_р= (1…5)V_н·10^-3 – число рабочих в цехе;

m_р= (10…40)V_н·10^-3 – число служащих в административном здании;

m_см – число смен в цехе;

с= 4190 Дж/(кг·К) – удельная теплоемкость воды;

 – температура горячей  воды перед водоразборными приборами  принимается равной 55 ^оС [1];

 – температура холодной  воды; при отсутствии фактических  данных ее задают равной 5 в  зимнее и 15 ^оС в летнее время.

Для производственных зданий:

МВт

МВт

 

В тех случаях, когда данные о количестве и типе зданий жилого района отсутствуют, среднечасовой за неделю расход теплоты  на ГВС определяют по укрупненным  показателям:

, (1.11)

где – коэффициент выстывания

норма расхода горячей воды с  =55 ^оС на одного жителя района, кг/сут (л/сут);

b – норма расхода горячей воды с =55 ^оС на одного жителя района для общественных зданий, кг/сут (л/сут);

m – число жителей района;

 – длительность подачи  теплоты на установки горячего  водоснабжения, с/сут (ч/сут).

Ввиду неравномерного распределения расхода теплоты  на ГВС и, следовательно, расхода  горячей воды по дням недели и часам  суток расчет трубопроводов систем ГВС выполняют по величине максимально-часового расхода горячей воды:

 

МВт,                                  (1.12)

 

где =1,2 коэффициент суточной неравномерности расхода теплоты на ГВС для жилых зданий;

=2,4 – коэффициент часовой неравномерности для жилых зданий [1]; для производственных зданий коэффициенты неравномерности и принимают равными единице.

Расход теплоты  на ГВС в летнее время по сравнению  с зимним расходом (1.11), (1.12) снижается  на 20% за счет уменьшения водопотребления  и еще за счет повышения температуры  холодной воды, т.е.

 

МВт,

где параметры  с индексами «л» и «з» соответствуют летнему и зимнему периодам времени, например, при =5 и =15 ^оС.

 

1.4 Годовой  расход теплоты

 

В курсовом проекте годовой расход теплоты  определяется двумя способами: с помощью расчетных формул и графически с помощью графика продолжительности тепловой нагрузки (графика Россандера), полученные результаты сравниваются.

Годовой расход теплоты на отопление и вентиляцию (Дж) для промпредприятия рассчитывают по формулам:

 

  (1.13)

где – годовые расходы теплоты соответственно на отопление и вентиляцию для i-тых цехов (i=2, 3,…, 11) промпредприятия с постоянным либо дежурным отоплением, которые определяют по формулам [9]

 

;   (1.14)

 

,  (1.15)

где – средний расход теплоты за отопительный сезон, Вт;

 – средняя температура  наружного воздуха за период  работы систем отопления производственного  здания, ^оС;

 – продолжительность отопительного  сезона, сут;

 – число нерабочих суток  в отопительном сезоне для i-го цеха, сут

– коэффициент, учитывающий снижение отопительной нагрузки в рабочие  дни во время дежурного отопления для зданий с одно- и двухсменном режиме работы;

 – продолжительность отопительного  сезона с температурой наружного  воздуха  , сут;

 – средний расход теплоты  на вентиляцию за период, когда  для i-го цеха, Вт;

 – средняя температура  наружного воздуха за период, когда  , ^оС;

 – число часов работы  вентиляционной системы в течение  суток для i-го цеха, ч.

В цехах имеющих  внутренние  источники тепловыделений продолжительности отопительного  периода сокращается.

  

График продолжительности  тепловой нагрузки строится в двух квадрантах.

Во втором квадранте, где по оси абсцисс  откладывают значения температуры  наружного воздуха, а по оси ординат  – мощность тепловых нагрузок, строят график зависимости суммарной тепловой нагрузки от температуры наружного  воздуха для потребителей с постоянным режимом теплоснабжения на отопление  и вентиляцию. К этим тепловым нагрузкам прибавляют нагрузки на отопление и вентиляцию потребителей, работающих с дежурным отоплением в нерабочее время.

К тепловым нагрузкам на отопление и вентиляцию прибавляют среднечасовые нагрузки на горячее водоснабжение.

После установления суммарных тепловых нагрузок совокупности потребителей в первом квадранте по оси абсцисс откладывают время в часах, и на этой временной оси определяют местоположение опорных температурных точек по продолжительности стояния той или иной температуры наружного воздуха и ниже ее. Продолжительность стояния температуры можно определить по климатическим данным [2] . Мощности тепловых нагрузок из второго квадранта переносят в первый до пересечения с ординатами, восстановленными из соответствующих опорных температурных точек. Точки пересечения переносных линий и линий восстановления представляют собой точки кривой продолжительности тепловых нагрузок .

Площадь, заключенная  между осями координат и кривой продолжительности, соответствует  годовому расходу теплоты совокупности потребителей в течение года. Приближенно  площадь этой криволинейной фигуры находят как сумму площадей элементарных трапеций. Основаниями каждой из трапеций являются ординаты, восстановленные  из опорных температурных точек, а боковыми сторонами – отрезок  на оси абсцисс, равный по абсолютной величине разности между временными точками, соответствующим температурным точкам, с одной стороны, и хорда, вписанная в отрезок кривой продолжительности, ограниченный указанными ординатами, с другой стороны (рисунок 1.9)

               

,              (1.19)

где – площадь j-ой трапеции, равная расходу теплоты совокупности потребителей на отрезке по оси абсцисс , Дж;

 – полусумма оснований j-ой трапеции, т.е. средняя мощность тепловых нагрузок на отрезке , Вт;

 – высота j-ой трапеции, сут.

 

Для построения графика продолжительности тепловых нагрузок определяем суммарную нагрузку на отопление вентиляцию и горячее  водоснабжение в трех опорных  точках:

при t_н=t_нк=10 °С

Величины, полученные по (1.18) и (1.19), представляют собой годовой  расход теплоты совокупности потребителей и должны с точностью до погрешностей совпадать между собой.

Суммарную среднесуточную нагрузку за отопительный сезон можно определить по формуле:

,    (1.20)

где – суммарный расход теплоты совокупности потребителей за отопительный сезон, Дж.

Число часов использования максимальной тепловой нагрузки:

,   (1.21)

где – максимальная среднечасовая тепловая нагрузка в системе (Вт).

 

 

 

 

 

 

2.Регулирование отпуска теплоты  по совмещенной тепловой нагрузке

 

В крупных населенных пунктах с  жилищно – коммунальной тепловой нагрузкой  или в случае, когда жилых и общественных зданий района имеют нагрузки на ГВС, регулирование отпуска теплоты выполняют по совмещенной нагрузке – отопление, вентиляцию и ГВС. Такой способ регулирования позволяет нагрузку на ГВС удовлетворять без увеличения или с небольшим увеличением расхода сетевой воды в системе теплоснабжения по сравнению с расчетным расходом, требуемым для отопления при качественном регулировании. Регулирование посовмещенной нагрузки требует соответственного оснащения центральных и индивидуальных тепловых пунктов (ЦТП и ИТП) средствами автоматического контроля регулирования и учета теплоты.

 

2.1 Регулирование отпуска теплоты для открытых водяных систем

 

В открытых водяных систем (ОВС) при  регулировании по совмещенной нагрузке используют схему присоединения  установок ГВС и отопления  по принципу связанного регулирования (рис.2.1)

Рис 2.1. - Схема присоединения установок ГВС и отопления к тепловой сети в открытых водяных системах: 4 –регулятор расхода; 5 – регулятор температуры; 6 – обратный клапан; остальные обозначения прежние.

 

 

В качестве исходных данных принимают  те же величины и графики, что и  при ЗВС, с тем отличием, что  в отсутствии аккумуляторов горячей  воды для жилых зданий принимают равный 1,1, а минимальная температура сетевой воды в подающем трубопроводе должна быть 60…65 .

Задача центрального регулирования  по совмещенной нагрузке для ОВС  состоит в определении температуры  сетевой воды , , расходов воды на ГВС из подающей и обратного трубопроводов и на отопление, а также расхода воды в обратном трубопроводе тепловой сети.

Температуру сетевой воды (СВ) в  подающем трубопроводе (рис .2.5) определяют путем коррекции :

 

 

С помощью отопительного температурного графика находят точку излома из условия, что в ОВС в подающем трубопроводе температура сетевой воды должна быть не менее 60^оС.

 

Рисунок 2.2 Графики температуры  сетевой воды при регулировании  по совмещенной нагрузке для ОВС

 

Температура сетевой воды в обратном трубопроводе принимаем равной .

Находим точку , которая соответствует совпадению скорректированного и отопительного температурных графиков .  Это совпадение происходит в момент .

 

Рисунок 2.3 Графики расходов сетевой  воды при регулировании по совмещенной  нагрузке для ОВС

 

Количество сетевой воды, отбираемой из тепловой сети на ГВС, зависит от диапазонов регулирования следующим  образом:

1.в диапазоне  весь расход воды на ГВС поступает в подающем трубопроводе в количестве

 

где - относительный балансовый эквивалент расхода на горячее водоснабжение; –балансовый эквивалент расхода на ГВС; - расчетный эквивалент расхода на отопление.

2.в диапазоне  часть воды в количестве , где , поступает из подающего трубопровода, а - из обратного трубопровода.

3.в диапазоне  весь расход воды на ГВС поступает из обратного трубопровода в количестве

 

В этом диапазоне регулирования  с понижением температура сетевой воды в обратном трубопроводе будет расти, расход будет снижаться, и на станцию будет возвращаться большее количество сетевой воды (рис.2.6)

Расход воды на отопление также  определяют для трех диапазонов регулирования:

1.в диапазоне 

 

2.в диапазоне 

 

3.в диапазоне 

 

Расход воды в обратном трубопроводе тепловой сети (рис.2.3) всюду определяют как .

Регулирование отпуска теплоты  на бытовые нужды промышленных предприятий  выполняют в соответствии с температурными графиками, полученными для ЖКС. Обеспечения дежурного отопления  в промзданиях регулирование  температуры и расхода сетевой  воды осуществляют в тепловых пунктах  промпредприятия.

 

 

3. Гидравлические  расчеты тепловых сетей

 

Для выполнения гидравлического расчета  ТС в качестве основных исходных данных используют топографическую карту  местности (рисунок 3.1) и тепловые нагрузки совокупности потребителей – расчетные  тепловые нагрузки на отопление и  вентиляцию жилых и производственных зданий (см. раздел 1), строительные конструкции  которых используются как аккумуляторы теплоты.

Первоначально на карте местности наносят расчетную  схему ТС, руководствуясь принципами обеспечения надежности теплоснабжения и наименьшей суммарной протяженности  теплопроводов по магистральным  и распределительным линиям. Расчетную  схему ТС следует нанести с  учетом направления господствующих ветров (таблица П.1), т.е. расположить  ТЭЦ и промпредприятие на местности  так, чтобы шлейфы дымовых газов  от них не покрывали населенный пункт, в особенности в зимний период (рисунок 3.1).

 

                                                                                                                                 C

 

                                                                                                                                          З             В

     

                                                                                                                                                   Ю

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                               

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1 Топографическая  карта местности проектируемой  СЦТ

с расчетной схемой тепловой сети

 

3.1 Гидравлический расчет водяной  тепловой сети

 

Для водяной ТС на пьезометрический график (рисунок 3.2), используя карту  местности (рисунок 3.1), в выбранном  масштабе наносят продольный профиль  теплотрассы по магистральной и  распределительным линиям, и высоту присоединенных зданий. Строят линии  напоров статического режима, линии  максимально- и минимально допустимых напоров для подающего и обратного  трубопроводов ТС динамического  режима.

На первом участке магистральной  линии определяют суммарный расход сетевой воды , кг/с (т/ч), по величине суммарной тепловой нагрузки промпредприятия и жилого района,