Эффективные кластерные решения

Устройство и конструкции тепловых сетей.

Основными элементами тепловых сетей являются трубопровод, состоящий из стальных труб, соединенных между собой с помощью сварки; изоляционная конструкция, воспринимающая вес трубопровода и усилия, возникающая при его эксплуатации.

Трубы являются ответственными элементами трубопроводов и должны отвечать следующим требованием:

— достаточная прочность и герметичность при максимальных значениях давления и температуры теплоносителя,

— низкий коэффициент температурных деформации,

— обеспечивающий небольшие термические напряжение при переменном тепловом режиме тепловой сети,

— малая шероховатость внутренней поверхности,

— антикорозинная стойкость,

— высокая термическая сопротивление стенок трубы,

— способствующее сохранению теплоты и температуры теплоносителя,

— неизменность свойств материала при длительном воздействий высоких температур и давлений, простота монтажа,

— надежность соединения труб и др.

Имеющейся стальные трубы не удовлетворяют в полной мере всем предъявлемым требованиям, однако их механические свойства, простота, надежность и герметичность соединений (сваркой) обеспечили им преимущественное применение в тепловых сетях.

Трубы для тепловых сетей изготавливаются в основном из сталей марок Ст2сп, Ст3сп, 10, 20, 10Г2С1, 15ГС, 16ГС.

В тепловых сетях применяются бесшовные горячекатаные и электросварные. Бесшовные горячекатаные трубы выпускаются с наружными диаметрами 32 — 426мм. Бесшовные горячекатаные электросварные трубы используется при всех способах прокладки сетей. Электросварные трубы используются при всех способах прокладки сетей. Электросварные со спиральным швом рекомендуются к использованию при канальных и надземных прокладках сетей .

Опоры. При сооружений тепловых сетей применяются опоры двух типов: свободные и неподвижные. Свободные опоры воспринимают вес теплопровода и обеспечивают его свободное перемещение при температурных деформациях. Неподвижные опоры предназначены для закрепления трубопровода в характерных точках сети и воспринимают усилия, возникающие в месте фиксации как в радиальном , так и в осевом направлениях под действием веса , температурных деформаций и внутреннего давления.

Компенсаторы. Компенсация температурных деформации в трубопроводах производится специальными устройствами, называемыми компенсаторами. По принципу действия они разделяются на две группы:

Компенсаторы радиальные или гибкие, воспринимающие удлинения теплопровода изгибом или кручением криволинейных участков труб или изгибом специальных эластичных вставок различной формы;

Компенсаторы осевые, в которых удлинение воспринимаются телескопическим перемещением труб или сжатием пружинных вставок.

Наиболее широкое применение в практике имеют гибкие компенсаторы различной конфигурации, выполненные из самого трубопровода (П – и –S-образные, лирообразные со складками и без них и т.д.). Простота устройства, надежность, отсутствия необходимости в обслуживании, разгруженность неподвижных опор – достоинство этих компенсаторов.

К недостаткам гибких компенсаторов относятся: повышенное гидравлическое сопротивление, увеличенный расход труб, поперечное перемещение деформируемых участках, требующее увеличение ширины непроходных каналов и затрудняющее применение засыпных изоляций, бесканальных трубопроводов, а так же большие габариты, затрудняющие их применение в городах при насыщенности трассы городскими подземными коммуникациями.

Осевые компенсаторы выполняются скользящего типа (сальниковые) и упругими (линзовые компенсаторы).

Сальниковый компенсатор изготавливается из стандартных труб и состоит из корпуса, стакана и уплотнение. При удлинений трубопровода стакан вдвигается в полость корпуса. Герметичность скользящего соединения корпуса и стакана создается сальниковой набивкой, которая выполняется из прографиченного асбестового шнура, пропитанного маслом. Со временем набивка истирается и теряет упругость, поэтому требуется периодическая подтяжка сальника и замена набивки. От этого недостатка свободны линзовые компенсаторы, изготавливаемые из листовой стали. Линзовые компенсаторы сварного типа находят основное применение на трубопроводах низкого давления (до 0,4-0,5 МПа).

Конструктивное выполнение элементов трубопровода зависит так же от способа его прокладки, который выбирается на основании технико-экономического сравнения возможных вариантов.

Скорость молекул

Молекулы в веществе при любой температуре могут иметь разные скорости. Всегда будет какое-то количество молекул с малыми (почти нулевыми) и очень большими скоростями. Большинство молекул будут иметь среднюю скорость, которая и определит температуру всего вещества. Функция (формула), позволяющая рассчитать сколько молекул из общего числа имеют определенную скорость называется распределением по скоростям. Эту задачу решил английский физик Джеймс Клерк Максвелл.

Рис. 3. Распределение по скоростям Максвелла:.

Из графика этой функции видно, что максимальное число молекул сосредоточено в районе средней скорости.

Например, при температуре 15С средняя скорость молекул азота равна 500 м/с, со скоростями от 300 до 700 м/с движется 59% молекул. С небольшими скоростями — от 0 до 100 м/с — движется только 0,6% молекул. Самых быстрых молекул со скоростями больше 1000м/с в газе только 5,4%.

Таким образом, становится понятно, что называют тепловым движением коллективное, хаотичное, непрерывное перемещение молекул в веществе с разными скоростями. Средняя скорость зависит от температуры. Скорости молекул растут с ростом температуры. Чем больше массы отдельных молекул вещества, тем меньше их скорости.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали кратко о характерных признаках теплового и броуновского движений. Хаотичное, беспорядочное движение является общим признаком этих процессов. Броуновское движение частиц, которые можно наблюдать в микроскоп является следствием теплового движения молекул и атомов, непрерывно “бомбардирующих” частицы (фрагменты) вещества.

Что такое диффузия

Еще одним ярким доказательством существования молекул, находящихся в состоянии непрерывного теплового движения, является диффузия. Термин диффузия происходит от латинского слова diffusio — растекание, распространение.

Рис. 2. Что такое диффузия в физике

Многие эффекты легко объясняются диффузией молекул или атомов одного вещества внутрь другого. Диффузия может происходить в газах, жидкостях и твердых телах. Проникновение молекул одного вещества в другое приводит к самопроизвольному выравниванию концентраций, то есть диффузия имеет направленный (не хаотичный) характер из области с большой концентрацией в область с меньшей концентрацией. Вот несколько примеров, которые объясняются с диффузией молекул:

  • Распространения аромата духов или иных запахов (бензина, краски, дыма и т.д.);
  • Растворение сахара, соли, кофе в воде;
  • Взаимное проникновение атомов металлов, соприкасающихся друг с другом.

Хорошо известен классический опыт, когда пластинку золота плотно сжали с пластинкой свинца, и через пять лет свинец и золото взаимно проникли на глубину в 1 мм.

С ростом температуры скорость диффузии возрастает, что является еще одним подтверждением теплового движения молекул.

Броуновское движение

Возрастание кинетической энергии связано с увеличением скоростей атомов и молекул, тепловое движение (перемещение) которых становится более интенсивным. Введение понятия теплового движения частиц, из которых состоят вещества, позволило объяснить многие тепловые процессы: плавление, испарение, таяние, кипение и т.д.

Тот факт, что молекулы непрерывно движутся, впервые обнаружил английский ученый-ботаник Роберт Броун в 1827 г. Он наблюдал в микроскоп споры (клетки грибов и растений), помещая их в жидкость. Оказалось, что споры непрерывно колеблются, толкутся взад и вперед. Движение меньших по размерам частиц сильнее, чем больших. Это явление было названо в честь своего первооткрывателя — броуновским движением, хотя сам Броун не смог объяснить его суть. Причина явления долго оставалась непонятной, пока не было доказано, что это движение частиц вызвано толчками (ударами) окружающих молекул жидкости или газа.

Рис. 1. Броуновское движение частиц

Хотя молекулы жидкости (или) газа ударяют частицы со всех сторон, но все же их удары не уравновешивают полностью друг друга. Случайно (с какой-то вероятностью) действие ударов на частицу с какой-нибудь стороны окажется несколько сильнее, чем с других сторон, в результате чего частица начнет двигаться в определенном направлении. Затем начнут преобладать удары с другой стороны, и частица начнет двигаться в новом направлении. Результатом является беспорядочное движение частицы. Таким образом, открытие броуновского движения оказалось одним из наиболее непосредственных подтверждений существования молекул.

Математическую модель для описания броуновского движения создал Альберт Эйнштейн в 1905 г. Уравнение Эйнштейна позволяет вычислить коэффициент диффузии сферических броуновских частиц, с помощью которого стало возможным определять смещение частиц за определенное время.

Коэффициент теплопроводности

Коэффициент λ, Вт/(м·К), в уравнении закона Фурье численно равен плотности теплового потока при падении температуры на один Кельвин (градус) на единицу длины. Коэффициент теплопроводности различных веществ зависит от их физических свойств. Для определённого тела величина коэффициента теплопроводности зависит от структуры тела, его объёмного веса, влажности, химического состава, давления, температуры. В технических расчётах величину λ берут из справочных таблиц, причём надо следить за тем, чтобы условия, для которых приведено в таблице значение коэффициента теплопроводности, соответствовали условиям рассчитываемой задачи.

Особенно сильно зависит коэффициент теплопроводности от температуры. Для большинства материалов, как показывает опыт, эта зависимость может быть выражена линейной формулой:

(9.7)

где λo – коэффициент теплопроводности при 0 °С;

β – температурный коэффициент.

Коэффициент теплопроводности газов, а в особенности паров сильно зависит от давления. Численное значение коэффициента теплопроводности для различных веществ меняется в очень широких пределах – от 425 Вт/(м·К) у серебра, до величин порядка 0,01 Вт/(м·К) у газов. Это объясняется тем, что механизм передачи теплоты теплопроводностью в различных физических средах различен.

Металлы имеют наибольшее значение коэффициента теплопроводности. Теплопроводность металлов уменьшается с ростом температуры и резко снижается при наличии в них примесей и легирующих элементов. Так, теплопроводность чистой меди равна 390 Вт/(м·К), а меди со следами мышьяка – 140 Вт/(м·К). Теплопроводность чистого железа 70 Вт/(м·К), стали с 0,5 % углерода – 50 Вт/(м·К), легированной стали с 18 % хрома и 9 % никеля – только 16 Вт/(м·К).

Зависимость теплопроводности некоторых металлов от температуры показана на рис. 9.2.

Газы имеют невысокую теплопроводность (порядка 0,01…1 Вт/(м·К)), которая сильно возрастает с ростом температуры.

Теплопроводность жидкостей ухудшается с ростом температуры. Исключение составляют вода и глицерин. Вообще коэффициент теплопроводности капельных жидкостей (вода, масло, глицерин) выше, чем у газов, но ниже, чем у твердых тел и лежит в пределах от 0,1 до 0,7 Вт/(м·К).

Рис. 9.2. Влияние температуры на коэффициент теплопроводности металлов

Тема 7. Тепловые сети, их классификация.

1. Понятия тепловой сети.

2. Схемы тепловых сетей.

3. Классификация тепловых сетей.

4. Устройство тепловых сетей.

5. Оборудование тепловых сетей.

Тепловая сеть – это система трубопроводов, по которым теплоноситель (горяча вода или пар) передается от генератора теплоты к потребителям тепла. Схема тепловой сети определяется следующими факторами: размещением источника теплоснабжения относительно района теплопотребления, характером тепловой нагрузки потребителей, видом теплоносителя. Основные принципы, которыми руководствуются при выборе схемы тепловых сетей – надежность обеспечения потребителя теплотой и экономичность системы теплоснабжения.

Тепловые сети подразделяются на:

— магистральные, которые прокладываются по главным

направлениям объектов;

— распределительные, которые расположены между магистральными

тепловыми сетями и узлами ответвлений;

— ответвления тепловых сетей к отдельным потребителям.

В зависимости от схемы магистральных трубопроводов различают кольцевые и радиальные (лучевые) тепловые сети.

В кольцевых тепловых сетях предусмотрены перемычки между определенными магистральными направлениями, которые делают схему более надежной, но требуют затрат труб.

При небольших диаметрах магистралей, что характерно для маломощных тепловых сетей, используют радиальную схему с постоянным уменьшением диаметров труб по мере удаления от источника теплоснабжения. Такая сеть наиболее проста в эксплуатации и требует меньших начальных затрат.

По назначению тепловые сети подразделяются на системы отопления и вентиляции и сети горячего водоснабжения. По виду используемого теплоносителя сети подразделяются на водяные и паровые сети.

Совокупность трех основных элементов: трубопровода, по которому транспортируется теплоноситель (его обычно выполняют из стальных труб); изоляции, несущей конструкции, которая воспринимает весовую нагрузку теплопровода и усилий, которые возникают при работе теплопроводной сети – называют теплопроводом.

Прокладка тепловых сетей может быть наземной и подземной.

Наземная прокладка допускается на территории предприятий, площадках, свободных от застройки. Наземная прокладка может быть на низких опорах и опорах средней высоты.

Подземная прокладка наиболее распространена. Различают канальную и безканальную прокладку. При канальной прокладке изоляционная конструкция трубопроводов разгружена от внешних нагрузок грунта. При безканальной прокладке изоляционная конструкция теплопроводов несет нагрузку грунта. Каналы выполняют проходными, полупроходными и непроходными. Этот способ используется при температуре теплоносителя не больше 115 С.

Монолитные безканальные прокладки наиболее совершенны. Их можно использовать при температуре теплоносителя до 180 С, используя литые теплопроводы в пенобетонном массиве.

Перспективной является прокладка теплопроводов в гидрофобных порошках. Преимущества этого способа заключаются в простоте изготовления изоляционного слоя.

Тепловая изоляция – самый важный элемент теплопровода. Она служит для снижения тепловых потерь и уменьшения падения температуры на пути к потребителю тепла. От качества изоляции зависит долговечность теплопровода.

В качестве тепловой изоляции широко используют минеральную вату. Слой изоляции защищает от увлажнения битумом. Укладку изоляции осуществляют таким способом: на стальную поверхность трубы накладывают антикоррозионное покрытие, сверху которого укладывают минеральную вату в виде скорлупы, на которую накладывают стальную сетку. На сетку устанавливают полуциллиндрические асбестоцементные футляры, которые закрепляют бандажами из кровельной стали. На практике как изоляцию используют также пенобетон, перлитобетон, керамзитобетон и др.

Для сооружения тепловых сетей чаще всего используют стальные трубы. Для водяных тепловых сетей при давлении Р ≤ 12 МПа рекомендуются трубы из сталей Ст 2 СП, Ст 3 СП, а также сталей 10, 20.

Обычно глубина заложения теплопроводов равна 0,5 … 1,0 м. Минимальный уклон водяных сетей принимается0,002. Для паровых сетей при направлении уклона по ходу пара минимальный уклон равняется 0,002, а для направления против хода пара – 0,01.

Вследствие нагревания труб происходит температурная деформация теплопроводов. Удлинения, которые возникают при этом в трубах, воспринимаются компенсаторами.

Тепловой поток

Количество тепла, проходящее через данную поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком Q, Вт .

Количество тепла, через единицу поверхности в единицу времени, называется плотностью теплового потока или удельным тепловым потоком и характеризует интенсивность теплообмена.

(9.4)

Плотность теплового потока q, направлена по нормали к изотермической поверхности в сторону, обратную градиенту температуры, т. е. в сторону уменьшения температуры.

Если известно распределение q по поверхности F, то полное количество тепла Qτ, прошедшее через эту поверхность за время τ, найдется по уравнению:

(9.5)

а тепловой поток:

(9.5′)

Если величина q постоянна по рассматриваемой поверхности, то:

(9.5″)

Ссылка на основную публикацию