Расчёт гидравлического сопротивления жаротрубного котла

Расчёт гидравлического сопротивления жаротрубного котла

Высокая надежность и заданная эффективность отопительного котла выступают ключевыми аспектами проектирования котельных установок, важным параметром которых является гидравлическое сопротивление (ГС) теплового контура. Гидравлическое сопротивление или гидравлические потери относятся к категории безвозвратных, что существенно сказывается на общей эффективности котельной.

  
Гидравлическое сопротивление жаротрубных котлов имеет особую важность, так как большие потери энергии на механическом перемещении теплоносителя могут сказаться на тепловых характеристиках жаротрубной системы и привести к ее перегреву. Предупреждение перегрева жаротрубных котлов выступает важным фактором безопасности, учет которого необходим на всех этапах проектирования котельных.

Гидравлическое сопротивление котла — что такое и на что влияет

Гидравлическое сопротивление котла представляют собой безвозвратные потери энергии при движении теплоносителя на различных участках гидравлической системы. На практике ГС выражается в потере давления потока жидкой среды и снижению коэффициента полезного действия всей котельной с жаротрубным котлом.
Основной причиной возникновение сопротивления является эффект вязкого трения теплоносителя на стенках труб котла, а также на других участках трубопроводной системы — разворотах, сужениях, поворотах, расширениях и т.д. Также падение давления возникает во входных и выходных патрубках котла, коллекторах и барабанах.
Из важных аспектов влияния гидравлического сопротивления на работу котельной установки, выделим несколько основных факторов, которые имеют решающее значение:

• потери давления внутри котельной и и ее системы труб существенно увеличивают нагрузку на сетевые и питательные насосы, которые обеспечивают циркуляцию теплоносителя;
• на практическом уровне ГС приводит к снижению реальной производительности работы котельной, что необходимо компенсировать на этапе теплотехнических расчетов и проектирования;
• в котлах жаротрубного типа гидравлические потери приводят к интенсивному образованию накипи на стенках труб и возникновению риска перегрева всей жаротрубной конструкции.

Оптимальным гидравлическим сопротивлением жаротрубного котла выступает величина 10-40 кПа, которая зависит от мощности и конструктивных особенностей котельной.

Что определяет величину гидравлического сопротивления

Практическими составляющими влияния параметров среды на величину ГС выступают несколько физических характеристик труб и теплоносителя жаротрубного котла, которые и определяют итоговую величину сопротивления:

• на потери давления на выходе гидравлической системы котла прямо влияет скорость потока жидкости — чем больше скорость, тем больше потери давления;
• важной составляющей расчетов выступает длина и сечение трубопровода — чем меньше диаметр трубопровода и больше его длина, тем больше потери давления;
• уменьшение вязкости с увеличением температуры жидкости указывает на обратно пропорциональную зависимость ГС и температурных параметров теплоносителя;
• увеличение или уменьшение шероховатости поверхности труб теплообменника котла приводит к росту или снижению величины ГС. Также большая шероховатость труб котла приводит к интенсивному отложению накипи, что еще больше увеличивает потери давления.

Еще одним источником влияния физических факторов на величину ГС выступают местные сопротивления всех участков котельной установки.

Методика расчета величины гидравлических потерь жаротрубного котла

Методика расчета величины гидравлического сопротивления котлов базируется на двух отдельных этапах, на первом из которых определяют потери давления в котле на трении в трубах, а на втором определяют сопротивления местных участков трубопровода.
Формулой для расчетов потерь давления в котельной на трении в трубопроводах выступает уравнение Дарси-Вейсбаха, которое выглядит следующим образом:

ΔP = λ · (L/D) · (ρW²/2),

где:

• ΔP — потери давления в паскалях;
• λ — коэффициент гидравлического трения;
• L — длина трубопровода в метрах;
• D — эквивалентный диаметр трубопровода в метрах;
• ρ — плотность перекачиваемой среды в м³/кг;
• W — скорость потока.

Коэффициент гидравлического трения λ находится в зависимости от режима движения жидкости, который выражается так называемым числом Рейнольдса — Re. Данное число зависит от вида потока в теплообменнике котла (ламинарный или турбулентный) и рассчитывается отдельно по формулам Колбрука-Уайта или Альтшуля.
Второй составляющей расчетов котельной выступает определение величин местных сопротивлений, которые возникают на различных элементах трубопровода — фитингах, клапанах, задвижках и других функциональных участках. В общем виде местные ГС рассчитываются по следующей формуле:

ΔP = ξ · (ρW²/2),

где:

• ξ — коэффициент сопротивления;
• ρ — плотность перекачиваемой среды в м³/кг;
• W — скорость потока.

Коэффициент ξ зависит от типа элемента котла или котельной установки и приводится в справочниках по элементам трубопроводов. Например, для колена 90° величина этого коэффициента лежит в пределах от 0,3 до 1,1, а для обратного клапана — от 2 до 10.

Расчёт гидравлического сопротивления жаротрубного котла

Ниже приведён примерная табличная структура расчёта гидравлического сопротивления основных участков газового тракта жаротрубного котла. Для конкретного котла значения параметров (геометрия, расход, температура и пр.) подставляются в соответствующие формулы.

Где:

1. ρ — плотность газов, кг/м³.
2. Формулы расчёта:
   • Линейное сопротивление
     Δptr=λLd ρw22Delta p_{rm tr}=lambdafrac{L}{d},frac{rho w^2}{2}Δptr​=λdL​2ρw2​
   • Местное сопротивление
     Δploc=ξ ρw22Delta p_{rm loc}=xi,frac{rho w^2}{2}Δploc​=ξ2ρw2​
3. Число Рейнольдса
   Re=w dνmathrm{Re}=frac{w,d}{nu}Re=νwd​
   где ν — кинематическая вязкость газов.
4. Коэффициент трения λ определяется по диаграмме Мудейра (или эмпирически).
5. ξ берутся из справочников для каждого типа местного сопротивления (повороты, входы, выходы, переходы).

Чтобы заполнить таблицу «под ключ», необходимо:

• Получить расход газов G и вычислить w по уравнению непрерывности.
• Определить свойства газов (ρ, ν) при рабочей температуре.
• Подобрать геометрию каждого участка.
• Рассчитать Re, по нему — λ, затем Δp_tr и Δp_loc.
• Суммировать потери давления по трассе котла.

Хорошим нормативным документом для ручных расчетов жаротрубных котлов выступает ГОСТ 30732-2020, таблицы и графики которого помогают выполнять основные методы расчета гидравлических систем.