华 北 科 技 学 院.docx
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华北科技学院
目录
1.工程概况
1.1工程概况………………………………………………………
1.2设计依据………………………………………………………
1.3设计内容………………………………………………………
1.4设计参数………………………………………………………
2.供热设计方案确定
2.1系统供热方案及热媒的选择…………………………………
2.2确定供热方案…………………………………………………
3.供热管道水力计算及水压图
3.1热负荷计算……………………………………………………
3.2热水网路水力计算方法………………………………………
3.3系统的定压方式与定压装置…………………………………
3.4绘制热水网路水压图…………………………………………
4.管道的补偿计算……………………………………………………
5.管道的保温计算……………………………………………………
6.支架应力计算………………………………………………………
7.补水量计算…………………………………………………………
8.课程总结……………………………………………………………
9.参考文献……………………………………………………………
1.工程概况
1.1工程概况
1.1.1工程名称:
北京市某小区供热系统
1.1.2工程简介:
该工程为北京市某小区的供暖设计,该小区共有7栋建筑,每栋建筑共6层,每层层高3m,总建筑面积为20858.1m2,总供暖面积为:
20858.1m2。
1.2设计依据
1,李德英。
供热工程。
中国建筑工业出版社,2004
2,陆耀庆主编。
实用供热空调设计手册。
中国建筑工业出版社,1993。
3,《城市热力网设计规范》CJJ34-2002
4,《采暖通风与空调设计规范》GB0019-2003,
5,《城市热力网设计规范》CJJ34-2002,
6,《城市直埋供热管道工程技术规范》CJJ/T81-98。
1.3设计内容
北京市某小区室外管网供暖系统设计
1.4设计参数
北京市冬季平均风速:
2.8m/s冬季的主导风向:
NNW
采暖室外计算温度:
-9℃,最冷月平均温度:
-7.6℃,
冬季通风室外计算相对湿度:
5.8%最冷月平均相对湿度:
37%,
最大冻土深度:
85cm采暖期室外平均温度:
-1.6℃。
总供暖期:
11月15日至3月15日共122天。
2.供热设计方案确定
2.1系统供热方案及热媒的选择
2.1.1热源的选择
该工程中由于没有生产工艺负荷,只有采暖和生活用水的住宅区和公共设施因此选择设置热水锅炉作为热源。
热源位于住宅3的西北方向。
2.1.2热媒的选择
方案1:
选择供回水温度为95℃/70℃的低温水作为热媒。
方案2:
选择低温蒸汽作为热媒。
2.1.3两种可选方案的比较
结合该建筑工程和热水与蒸汽作为热媒供暖具有的优点进行技术经济比较:
①该工程为小区的室外管网供暖系统设计,没有生产工艺负荷,只有采暖和生活用水的住宅区和公共设施。
②该工程的热用户供暖面积为20858.1m2,供热负荷不大。
③热水的热能利用效率高,没有凝结水和蒸汽泄漏及二次蒸发损失,热效率比蒸汽系统高,可节省能源。
④以热水作为热媒,可采用质调节的运行方法,既节约热量又能满足卫生要求。
⑤以热水作为热媒,水的水容量大,水的比热大,蓄热能力高,供热工况较稳定。
2.1.4供热系统方案的确定
根据以上经济技术分析比较,该小区选用95℃/70℃的低温水作为热媒。
2.2确定供热方案
2.2.1室外管网系统
由于该小区位置较低,外网所提供的压力足够使该小区使用,所以用户管与外网之间采用无混合装置的直接连接方式,同时因为该小区的供暖面积较小,供暖用热负荷,均为季节性热负荷,所以选用双管制,节省管材,较少初投资。
2.2.2敷设方式
选用有补偿的直埋敷设。
供回水管平行敷设,两管中心间距500mm,能够满足小区对周围环境的要求,不影响外形美观和交通便利,并且占地面积小,施工方便,投资成本相对较低。
2.2.3调节方式
该工程采用分阶段改变流量的质调节,按室外的气象条件来控制系统的供回水温度或流量,从而满足用户的要求。
2.2.4定压方式
选用补给水泵间歇补水定压,满足用户热水流量稳定且减小电耗的要求。
2.2.5管网布置形式
该小区管网平面布置形式采用枝状管网布置,线路少,管材少,减少初投资,运行管理简单且符合国情。
2.2.6管道坡度
北京冻土层深度为850mm,从热源引出,埋深1.3m处,根据设计规范,采用0.003的坡度。
2.2.7管材的选用
采用无缝钢管,能承受较大的内压力和动载荷,且DN150以下选用,连接简单。
2.2.8附件的选用
在与干管相连接的管路分支处与分支管路相连接的较长的用户支管处均应装设阀门;在最低点或局部最低点应设泄水阀,最高点或局部最高点设放空气阀。
考虑补偿器与固定支架的配合设置,在需要的位置设检查井。
2.2.9保温层
保温层材料是聚氨酯硬泡沫塑料。
密度为50~70kg/m3,压缩10%的抗压强度为0.25Mpa,最高使用温度为120℃,常温下导热系数≦0.035W/(m2.k)。
可根据0.035+0.00014tp确定使用温度时的导热系数。
2.2.10固定支架的位置
在供热官道上,为了分段控制管段的热伸长量,常在热管道相应位置设固定支架,在管段节点分岔处,管道拐弯处及管道热力入口的前方设固定支架。
2.2.11设计草图
设计草图如下:
3.供热管道水力计算及水压图
3.1热负荷计算
3.1.1热负荷计算
采用面积热指标法Qn’=qf×F×10-3kw
式中Qn’——建筑物的供暖设计热负荷,kw
F——建筑物的建筑面积,m2
qf——建筑物供暖面积热指标,w/m2
该小区采取节能措施,根据采暖热指标推荐值表选用qf=20w/m2。
管网设计平面图如下:
用户C:
F=2079.06m2.
Qn’=qf×F×10-3=20×2079.06=41.5812kw
用户G:
F=2079.06m2.
Qn’=qf×F×10-3=20×2079.06=41.5812kw
用户K:
F=2079.06m2.
Qn’=qf×F×10-3=20×2079.06=41.5812kw
用户N:
F=2079.06m2.
Qn’=qf×F×10-3=20×2079.06=41.5812kw
用户P:
F=2079.06m2.
Qn’=qf×F×10-3=20×2079.06=41.5812kw
用户E:
F=3164.37m2.
Qn’=qf×F×10-3=20×3164.37=63.2874kw
用户I:
F=3164.37m2.
Qn’=qf×F×10-3=20×3164.37=63.2874kw
用户M:
F=4134.06m2.
Qn’=qf×F×10-3=20×4134.06=82.6812kw
3.1.2流量计算
用户C:
G'=
=
=1.43t/h
用户G:
G'=
=
=1.43t/h
用户K:
G'=
=
=1.43t/h
用户N:
G'=
=
=1.43t/h
用户P:
G'=
=
=1.43t/h
用户E:
G'=
=
=2.18t/h
用户I:
G'=
=
=2.18t/h
用户M:
G'=
=
=2.84t/h
由管网平面图可知A→B→D→F→H→J→L→O为主干线,各个管段的流量如下:
G'OP=1.43t/hG'LO=1.43t/hG'LM=2.84t/h
G'LN=1.43t/hG'JL=5.70t/hG'JK=1.43t/h
G'HJ=7.13t/hG'HI=2.18t/hG'FH=9.31t/h
G'FG=1.43t/hG'DF=10.74t/hG'DE=2.18t/h
G'BD=12.92t/hG'BC=1.43t/hG'AB=14.35t/h
3.2热水网路水力计算方法
水力计算采用当量长度法。
水力计算时,主干线平均比摩阻Rp的推荐值为30~70Pa/m。
主干线水力计算完成后,进各并联支干线、支线的水力计算;按支干线、支线的资用压力确定其管径,但应注意各计算管段热水流速不应大于3.5m/s,同时比摩阻不应大于300Pa/m。
热网主干线与各并联支线间的阻力平衡,仍按室内供暖系统的原则进行。
但是由于室外管网用户较多,管网较长,所以阻力平衡较难实现。
此时应计算出相应各用户热力入口处应消除的余压,为在用户热力入口处采用平衡阀等调节装置提供选择依据,从而将余压消除。
所选用的水力计算表参考《实用集中供热手册》中的热水管道水力计算表,依据此表进行干管各管段相关参数的确定。
由于此类计算表是在一定粗糙度(常为K=0.5mm)、一定的温度和密度的条件下得出的,所以应该考虑其修正问题。
又因为热水的密度ρ随水温变化的幅度不大,实际的热水温度与计算表水温相差不大时,可以不进行修正。
本次设计中将各热用户(室内采暖系统)的水力损失均取为3mH2O。
AB管段:
计算流量为14.35t/h,平均比摩阻在30~70Pa/m内,查水力计算表,得出管径和实际比摩阻如下:
管径d=100mm比摩阻R=39.77Pa/mv=0.33m/s
管段AB上的所有局部阻力的当量长度可由附录2—2查出,结果如下:
闸阀1×1.65=1.65m方形补偿器:
1×9.8=9.8m
管段AB的折算长度为:
lzh=40+1.65+9.8=51.45m
管段AB的压力损失为:
△P=Rlzh=39.77×51.45=2046.1665pa
用同样的方法计算其他各个管段的管径及压力损失,如下表:
管段
编号
计算流量
G'(t/h)
管段长度
l(m)
局部阻力当量长度之和(m)
折算长度
lzh(m)
公称直径
d(mm)
流速
v(m/s)
比摩阻R
(pa/m)
管段压力
损失
AB
14.35
40
13.1
53.1
100
0.33
39.77
2111.787
BD
12.92
35
13.1
48.1
100
0.31
33.39
1606.059
DF
10.74
35
13.1
48.1
100
0.39
22.4
1077.44
FH
9.31
35
10.45
45.45
80
0.52
52.34
2378.853
HJ
7.13
35
10.45
45.45
80
0.38
27.29
1240.3305
JL
5.7
35
10.45
45.45
80
0.32
20.04
910.818
LO
1.43
35
5.1
40.1
50
0.22
17.64
707.364
OP
1.43
15
5.1
20.1
50
0.22
17.64
354.564
管段
编号
计算流量
G'(t/h)
管段长度l(m)
局部阻力当量长度之和(m)
折算长度lzh(m)
公称直径
d(mm)
流速
v(m/s)
比摩阻R
(pa/m)
管段压力
损失
BC
1.43
15
1.36
16.36
40
0.56
546.78
8275.428
DE
2.18
15
1.36
16.36
40
0.75
482.33
6669.369
FG
1.43
15
1.36
16.36
40
0.71
339.09
5591.929
HI
2.18
15
1.36
16.36
40
0.75
189.72
3213.076
JK
1.43
15
1.36
16.36
40
0.47
138.5
1972.746
LM
1.43
15
1.83
16.83
50
0.22
56.4
1061.928
局部阻力当量表
管段编号
局部阻力名称
个数
局部阻力当量长度
管段
编号
局部阻力名称
个数
局部阻力当量长度
AB
方形补偿器
1
9.8m
BC
止回阀
1
1.26m
分流直三通
1
3.3m
异径三通
1
0.1m
BD
方形补偿器
1
9.8m
DE
止回阀
1
1.26m
分流直三通
1
3.3m
异径三通
1
0.1m
DF
方形补偿器
1
7.9m
FG
止回阀
1
1.26m
分流直三通
1
2.55m
异径三通
1
0.1m
FH
方形补偿器
1
7.9m
HI
止回阀
1
1.26m
分流直三通
1
2.55m
异径三通
1
0.1m
HJ
方形补偿器
1
7.9m
JK
止回阀
1
1.26m
分流直三通
1
2.55m
异径三通
1
0.1m
JL
方形补偿器
1
7.9m
LM
止回阀
1
1.7m
分流直三通
1
2.55m
异径三通
1
0.13m
LO
方形补偿器
1
3.8m
LN
止回阀
1
1.7m
分流直三通
1
1.3m
异径三通
1
0.13m
OP
方形补偿器
1
3.8m
分流直三通
1
1.3m
管段BC的资用压力为:
△PBC=△PBD+△PDF+△PFH+△PHJ+△PJL+△PLO+△Pop
=1606.059+1077.44+2378.853+1240.3305+910.818+707.364+354.56
=8275.4285Pa
管段BC的估算比摩阻为:
R'=
=8276.4286/(35×(1+0.6))=446.78pa/m
查水力计算表,得:
d=40mmv=0.56m/sR'=546.78pa/m
管段BC的局部阻力当量长度查附录9--2,得:
1个止回阀1×1.26=1.26m1个异径三通1×0.1=0.1m
总当量长度为:
1.26+0.1=1.36m
管段BC的折算长度为lzh=15+1.36=16.36m
管段BC的实际压力损失为:
△PBC=R’×lzh=546.78×16.36=8945.3208Pa
支线BC和主干线并联环路BDFHJLOP之间的不平衡率为:
X=(8945.3208-8275.4285)/8945.3208=7.5%<15%
其他各个分支管段的不平衡率计算方法同上,计算结果如下表:
分支管段
不平衡率(%)
BC
7.5
DE
15
FG
1
HI
3
JK
12
LM
10
LN
10
通过以上水力计算可以看出各个用户管段的不平衡率都在15%以内,计算结果合理。
3.3系统的定压方式与定压装置
该小区供暖系统定压方式采用补给水泵定压。
补给水泵的流量,主要取决于整个系统的渗漏水量。
《城市热力网设计规范》规定,闭式热水网路的补水率,不宜大于总循环水量的1%。
但在选择补给水泵时,整个补水装置和补给水泵的流量,应根据供热系统的正常补水量和事故补水量来确定,一般取正常补水量的4倍计算。
补水泵的扬程,应根据保证水压图水静压线的压力要求来确定。
补给水泵的台数,宜选用两台可不设备用泵,正常时一台工作,事故时两台全开。
3.4绘制热水网路水压图
(1)选取基准面。
取热源出口处管道中轴线所在平面为级转面,横坐标为OX,按照网路上的各点和各用户从热源出口沿管路计算的距离,在OX轴上相应点标出网路相对于基准面的标高,纵坐标为OY,按一定比例做出标高的刻度。
(2)选定静水压曲线的高度并绘制静水压曲线。
静水压曲线高度必须满足不超压、不气化、不倒空的原则。
该系统为低温水供热,不用考虑汽化。
该小区的最高建筑为18m,选用3m的富裕量,则静水压线高度为21m。
(3)动水压线。
整个供、回水管压力损失为:
(2111.787+1606.059+1077.44+2378.853+1240.3305+910.818+707.364+354.564)=20774.431Pa=2.077mH2O
则每个供、回水管压力损失为:
1.0385mH2O,用户资用压力取5mH2O,热源压力损失取10mH2O,则热源出口压力损失为:
21+2.077+5+10=38.077mH2O。
回水管末端压力与静水压力相同,定压点回水干管末端压力21mH2O,回水干管始端出口压力为:
21+1.0385=22.0385mH2O。
供水末端压力为:
22.0385+5=27.0385mH2O,供水始端压力为:
27.0385+1.0385=28.077mH2O。
(4)支线的水压曲线。
支线的资用压力与末端用户资用压力相同,对于支线供水管水压线,起点在供水主干线上,支线末端水压线的标高为起点的标高减去支线的压力损失。
对于支线回水管水压线,支线末端在回水主干线上,起点的标高应为末端压力加上支线的压力损失。
网路的水压图如下:
4.管道的补偿计算
管道的热伸长:
△L=α×L(tj-tα)×103(mm)
式中:
△L——管道的热伸长量,单位为mm
α――管道的线性膨胀系数,(m/(m.℃))
tj――管壁的最高温度,可取热媒的最高温度,(℃)
tα――管道安装时的温度,在温度不能确定时,可取为最冷月平均温度,(℃)
L――计算管段的长度,(m)。
各种管材的α如下表:
管材
α×10-6
管材
α×10-6
普通钢
12
紫刚
16.4
碳素钢
11.7
铸铁
10.4
镍钢
13.1
聚氯乙烯
70
镍铬钢
11.7
玻璃
5
不锈钢
10.3
聚乙烯
10
青钢
18.5
黄铜
18.4
供热管道内压力、管道自重、外载负荷、温度变形等因素的作用下,使得供热管道需要承受由于上述因素引起的应力,所以需要在管段间加设补偿器,确保管道不受拉伸或弯曲应力而破坏。
方形补偿器的应力计算:
以AB管段中的方形补偿器为例进行计算,其他的均类似。
选用管子钢Q235,规格为Φ159×4.5,管内热媒为:
tg=95℃,th=70℃的水。
管道由热胀冷缩和其他位移受约束而产生的热胀二次应力不得大于按下式计算的许用应力值:
δf≤1.2[δ]j20+0.2[δ]jt
式中:
[δ]j20——钢材在20℃时的基本许用应力,MPa
[δ]jt——钢材在计算温度下的基本许用应力,MPa
Δf:
——热胀二次应力,取补偿器危险断面的应力值,MPa
钢号为Q235管子,工作温度为95℃时,则热膨胀二次应力应小于等于:
δf≤1.2×124.3+0.2×124.3=174MPa
方形补偿器的尺寸为:
H=4.0m,L3=0.5L2,R=0.6m,固定支架间距为35m。
求强性力Ptx及热胀弯曲应力δf
(1)根据已知条件,确定AB的几何尺寸:
自由臂长L1=40DN=40×0.1=4m
根据图形所示
(2)根据管子规格,查表得弯管的特性系数和管子的材料特性值。
弯管柔性系数K=3.65,应力加强系数m=1.528,管子的断面抗弯矩w=82cm3管子的断面惯性矩I=652cm4管子的弹性系数E=20.001×
MPa管子的线膨胀系数α=13×10-6/℃
(3)计算方形补偿器的折算长度Lzh和弹性中心坐标位置:
Lzh=2L1+2L2+L3+6.28RK=
2×4+2×2.8+1.4+6.28×0.6×3.65=28.7532m
根据以下公式:
=0
Y0=
方形补偿器的弹性中心坐标位置为:
=0Y0=
=1.35m
(4)计算折算管段对
轴的惯性矩
=
y02=87.89
(5)确定固定支架之间管道的计算热伸长量
(
-
)L=13×10-6×(194+6)×80=0.208m
(6)计算方行补偿器弹性力Ptx
Ptx=
=3.18KN
(7)计算弹性力产生的最大热膨胀弯曲力矩Mmax
因y0=1.35<0.5H,则Mmax=(H-y0)×Ptx=8.43KN·m
(8)方形补偿器的应力验算
Δf=
=157.1MPa
根据计算结果,方形补偿器危险断面处的最大热胀弯曲应力157.1MPa
小于该钢号在95℃时的许用应力174MPa,验算结束。
补偿器尺寸选定如下表:
管段
管径/mm
补偿器个数
热伸长量/mm
a
b
R/m
AB
100
1
43.092
2.8
1.4
0.6
BD
100
1
43.092
2.8
1.4
0.6
DF
100
1
43.092
2.8
1.4
0.6
FH
80
1
43.092
2.8
1.4
0.6
HJ
80
1
43.092
1.73
1.73
0.35
JL
80
1
43.092
1.73
1.73
0.35
LO
50
1
43.092
0.98
0.98
0.24
5.管道的保温计算
聚氨酯泡沫塑料的发泡材料是由多元醇和异径酸铵两种液体,经混合发泡固化形成聚氨酯泡沫塑料。
这是一种保温、防水、抗压合一的理想材料,只是耐温性差些,长时间工作在100℃以上要变黄老化,价格也高。
其性能要求有:
密度≥60Kg/m3,抗压强度≥200Kpa,抗拉强度≥200Kpa,粘结强度≥200Kpa,导热系数<0.035W/(m·k),线性系数<50×10-6(1/k),耐热性能≤120℃,吸水率≤0.2Kg/m3
本系统采用直埋敷设方式,保温层厚度的计算:
Ind1=
δ1=
(m)
式中λt——土壤的导热系数,可取1.74W/(m·k)
tw1——保温层表面温度
tt——土壤层温度,可取5℃
h——埋管深度,m
本系统中tw1=5℃,tt=5℃,h=1.3m,t=95℃,周围空气最低温度为-15℃,查表保温层平均温度tp=55℃,采用聚氨酯泡沫塑料保温材料
λ1=0.035+0.00014tp=0.035+0.00015×55=0.0427W/(m·k)
各管道对应外径为100——108,100——108,100——108,80——89,80——89,80——89,50——53,50——53,50——53,40——42,40——42,40——42,40——42,40——42。
Ind1=
带入数据得:
Ind1=
当DN=100时,dw=0.108m,d1=165mm,δ1=
=29m
当DN=80时,dw=0.089m,d1=139mm,δ1=
=25m
当DN=50时,dw=0.053m,d1=89mm,δ1=
=18m
当DN=100时,dw=0.042m,d1=72mm,δ1=
=15m
保温层厚度如下表:
DN/mm
100
80
50
40
dw/mm
108
89
53
42
δ1/mm
25
25
21
21
6.支架应力计算
该系统管道为直埋敷设,设固定支架。
只需在管段节点分
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