Перевести страницу

Новости

Гидравлический расчет трубопроводов

   Расскажу немного как идет развитие Программы, а именно создание ”Гидравлического расчета трубопроводов”.


     Работа над расчетом началась 04.04.2021. Предполагаю, на данный момент (17.11.2021) сделано где-то 50-60%. Точно определить сколько осталось сделать и сколько это займет времени сложно, т.к. по ходу появляются новые идеи, новые возможности, которые хочется реализовать чтобы потом пользоваться при проектировании с максимальным комфортом. Например, не предполагал делать какие-то встроенные в этот расчет подрасчеты, а только ввод данных, которые будут учтены в ходе выполнения расчета, а некоторые промежуточные результаты показаны в отчете. Но при вводе данных по тепловой изоляции возникла идея сделать возможность предварительно вычислять насколько охладится теплоноситель на участке трубопровода при текущих данных. А также сколько тепла поступит в помещение или в окружающую среду – для случая когда трубопровод расположен открыто (на улице). В программе уже есть отдельный расчет для этого, даже 3 расчета – по разным методикам. Но конечно удобнее сразу при вводе данных по тепловой изоляции ”покрутить-повертеть” разные варианты и оценить их последствия: какая будет плотность теплового потока через стенку трубы, чтобы сравнить ее с нормируемой величиной, а также какая будет температура на поверхности трубопровода. На это ушло около месяца. Нужно было создать соответствующий интерфейс, который бы не сильно загромождал основной расчет, но был бы достаточно функционален, включая какое-то оформление полученных промежуточных результатов.

     Также очень много времени ушло на возможность расчета как 2-трубных, так и 1-трубных сетей трубопроводов. А также смешанных, когда в одной системе есть оба типа подключений узлов теплообмена (УТО) или отдельные ветви. А также не симметричные и кольцевые системы. Но это я наметил сразу. Только не думал, что это настолько усложнит алгоритм расчета. Намного проще было бы делать 2 отдельных типа – 1-трубные и 2-трубные. Но на практике смешанные системы встречаются не редко. Например, в крупном торговом центре блок технических помещений, расположенных компактно, подключить к 2-трубной системе отопления по 1-трубной схеме. Впрочем, с большими трудностями при программировании не столкнулся. Только пришлось длительный период писать отдельные блоки (процедуры и функции) аналитического ядра расчета без возможности посмотреть как все это работает вместе. А потом еще отлаживать взаимодействие этих блоков. Блоки эти еще можно назвать ”умениями”, позволяющими Программе по сути делать свою работу. Приведу несколько примеров таких ”умений” работать с сетью трубопроводов (СТ) для тех кто интересуется глубже:

– проверять введенные данные по СТ на корректность ввода: непрерывность, допустимые символы в узлах и т.д.;

– проверять имеют ли два или несколько заданных участков общий узел;

– находить номера участков начала СТ: с узлами ”T1” или ”T2”;

– находить номера участков, присоединенных к узлам теплообмена: с узлами ”Q”;

– определять наличие замыкающего участка в подводках узлов теплообмена;

– составлять список номеров участков (цепь) от любого узла до начала СТ;

– определять список номеров участков (цепь) без ответвлений и давать его начальный или конечный узел;

– определять список и количество участков (ответвлений), использующих заданный узел;

– по номеру участка давать его шифр (или отдельный узел) и наоборот;

– определять направление движения теплоносителя в участке…

     Думаю для общего представления достаточно. Это лишь небольшая часть.

 

     Приведу небольшой пример, показывающий какой объем работ необходимо выполнить программе, чтобы получить казалось бы банальный результат – определить некоторые данные для подбора приборов отопления (радиаторов):


  1. Собрать данные по всем приборам отопления: определить тип подключения, наличие замыкающего участка (он может состоять из нескольких участков), № участков подающего и обратного трубопровода и т.д.
  2. Собрать данные по всем 1-трубным участкам, если они есть: наличие общего замыкающего участка, какие приборы отопления в них входят, суммарное Q, вычислить распределение расчетных температур для всех этих приборов отопления, № участков подающего и обратного трубопровода и т.д. 1-трубные участки могут быть 2-х типов: которые содержат только приборы отопления и те, которые состоят только из 1-трубных участков.
  3. Определить расчетные тепловые потоки (Qi) на всех участках.
  4. Определить расчетные температуры (Ti) на всех участках (предварительно, для определения свойств теплоносителя).
  5. Определить расчетные расходы теплоносителя (Gi) на всех участках.
  6. Определить диаметры трубопроводов (Di) на всех участках, включая 1-трубные участки и ответвления.
  7. Определить расчетные температуры (Ti) с учетом остывания теплоносителя, а также скорректировать расчетные тепловые потоки на приборах отопления из-за теплопоступлений от открыто расположенных труб – если это задано в настройках расчета. Может быть задано на всех участках или только на отдельных.
  8. Подбор приборов отопления.


 

       Параллельно проверяется возможность расчета сетей трубопроводов для систем холодоснабжения.

     В качестве узлов теплообмена (УТО) можно будет подбирать или определять параметры для подбора следующих потребителей тепла:


  1. Приборы отопления: радиаторы, конвекторы, гладкие трубы и т.д.;
  2. Воздухонагреватели: воздушно-отопительные агрегаты, воздушно-тепловые завесы, калориферы приточных (отопительных или охлаждающих) установок и т.д.;
  3. Фэнкойлы: греющие или охлаждающие;
  4. Теплообменники: в абонентских вводах тепловых сетей;
  5. Смесительные узлы: в абонентских вводах тепловых сетей или для теплых полов;
  6. Узлы теплообмена кольцевых (теплонасосных) систем с одновременным отбором тепла из системы и(или) отдачей тепла в систему.


 

     По ходу ”построения” расчета создана соответствующая база данных, включая физические свойства воды и атмосферного воздуха. По специальной опции физические свойства воды и воздуха можно определять из базы данных или вычислять по эмпирическим формулам. Прежде чем применить я их проверял во всем диапазоне температур. Точность очень хорошая. Например, динамическая вязкость воздуха определяется по формуле Сазерленда:



Динамическая вязкость воды определяется по формуле:

     Например, можно будет сначала использовать формулы, т.к. это существенно быстрее, а уже финишный расчет выполнить используя базу данных.



Также создана база данных сортаментов различных типов и производителей труб:


  1. ГОСТ 3262-75, стальные водогазопроводные легкие.
  2. ГОСТ 3262-75, стальные водогазопроводные обыкновенные.
  3. ГОСТ 3262-75, стальные водогазопроводные усиленные.
  4. ГОСТ 10704-91, стальные электросварные прямошовные.
  5. ГОСТ 11068-81, электросварные из коррозионно-стойкой стали.
  6. ГОСТ 617-90, трубы медные.
  7. ГОСТ 32415-2013, Трубы напорные из термопластов (полипропилен S 2.5, SDR 6).
  8. KAN-therm Push PE-RT.
  9. KAN-therm Push PE-Xc.
  10. KAN-therm PE-RT/Al/PE-RT.
  11. Herz PE-Xc металлопластиковая.
  12. Rehau RAUTITAN stabil.
  13. Rehau RAUTITAN flex.
  14. Rehau RAUTITAN pink.
  15. Oventrop "Copipe HS" металлопластиковая.
  16. Oventrop PE-Xc полиэтиленовая "Copex".
  17. Wavin Ekoplastik PPR(PN20) полипропиленовые трубы. SDR 6.


Что еще предстоит сделать:


  1. Расчет изменения температуры теплоносителя по длине трубопроводов для варианта ”приоритет по потребителям тепла”. Сделан пока только вариант ”приоритета по источнику тепла”. Далее приведены пояснения в чем разница;
  2. Ввод и расчет коэффициентов местных сопротивлений. Пока Программа считает только потери по длине;
  3. Подбор диаметров на заданное располагаемое давление в системе. Пока они вводятся как данные;
  4. Учет естественного (гравитационного) давления в системе;
  5. Увязка ответвлений;
  6. Доработка окна ввода данных по различным типам узлов теплообмена, перечисленных выше;
  7. Создание базы данных расчетных параметров приборов отопления;
  8. Для 1-трубных узлов теплообмена (не только приборов отопления!) вычисление коэффициента затекания;
  9. Подбор приборов отопления;
  10. Создание механизма обработки строк промежуточных вычислений диапазонов. Не вдаваясь в подробности, скажу только что это некоторый аналог функций Excel в части манипулирования выбранными участками трубопроводов. Например, для выбранных участков найти общую длину труб, потери давления, какое-то среднее, минимальное или максимальное значение…
  11. Создание механизма вывода диаграмм. Учитывая, что количество участков может исчисляться сотнями, тут еще надо будет что-то придумать как их выводить, в каком виде;
  12. Разработать страницу окна расчета ”Настройки”. В ней вводятся параметры (температуры) теплоносителя, располагаемое давление и т.д.
  13. Разработать страницу окна расчета ”Спецификация” и создать механизм подсчета количества труб и арматуры. Очень хочу кроме простой текстовой таблицы формата A4 сделать вывод спецификации в отдельный файл формата AutoCAD (*.dxf).
  14. Собрать все предусмотренные настройки (опции) расчета и наладить их работу;
  15. Написать встроенную контекстную помощь;
  16. Оформление и вывод всех исходных данных и результатов расчета;
  17. Перевести на английский всю текстовую информацию – оформление всех окон, таблиц, встроенной помощи, а также вывода данных и результатов расчета.





      Теперь для большей наглядности приведу несколько скриншотов, показывающих что уже сделано и как работает.

      (если картинка видна не вся - кликните на ней чтобы увеличить)


      Некоторые рабочие схемы, составленные в самом начале работы над расчетом:



      Некоторая используемая литература:



Новый расчет расположился в подгруппе ”Теплоснабжение”:


        Окно расчета состоит из нескольких страниц. Главная Таблица расположена на страницах ”Расчет” и ”(окончание)”. Показана страница ”Расчет” – колонки 1…13 и 22. В колонке 5 в сокращенном виде показаны некоторые значения и настройки (опции), введенные в окне ввода Информации по участкам: выбранный Сортамент (ГОСТ) труб, расположение участка (помещение, улица) и т.д. Информация вводится отдельно для каждого участки или для всей системы. Для всей системы информацию можно указать как принимаемую в расчет независимо от введенных значений на участках или как заданную по умолчанию. Например, можно не указывать на каждом участке Сортамент труб, а выбрать только для системы в целом. Но на некоторых участках можно принять другие трубы – см. участки 5,6 (подводки к прибору отопления Q1):

Колонки 7 и 12 пока еще не готовы.


      Окно ввода Информации по участку или в целом по системе состоит из 2-х страниц. При выборе Сортамента показывается краткая информация по трубам – из соответствующего ГОСТ или каталога производителя труб. Все это можно корректировать или добавлять в открытой базе данных:


        Для увеличения (или уменьшения) поля вывода информации по выбранному Сортаменту труб окно можно увеличить (уменьшить) специальной кнопкой:




        2-я страница окна ввода Информации. Можно предварительно, на основе текущих данных, вычислить охлаждение теплоносителя на участке и температуру на его поверхности – в начале и в конце участка. Охлаждение теплоносителя по длине участка может быть весьма существенным, особенно как в приведенном примере: для длинных участков (89 м) с малыми скоростями теплоносителя (0.1381 м/с). В текстовом окне тут же можно скорректировать (”покрутить”) некоторые данные и что называется ”принять меры”…


… например, теплоизолировать этот участок и тут же получить новые результаты:


       Полученную плотность теплового потока ”q” (рассчитана в начальной и конечной точке участка трубопровода) сравниваем с нормативным значением для этого диаметра (Ду25):


        В случае превышения – увеличить толщину тепловой изоляции или применить более эффективный теплоизолирующий материал.


      Страница ”(окончание)”. Здесь выводятся только результаты расчета, а также дублируются некоторые колонки – шифры и диаметры участков. Если текущей выбрана колонка 15, то можно не выполняя всего расчета получить изменение температуры теплоносителя на каждом участке. Тут в примере еще не на всех участках выбрана опция расчета этого изменения температуры, поэтому, например, на участках 8…12 температура теплоносителя на всем протяжении трубопровода одинаковая:


        По колонке 15 можно заметить, что участки 1…4 – магистральные трубопроводы. В них температура теплоносителя изменяется с 95 до 70°С, как и задано на всю систему. А дальше следуют ответвления к приборам отопления, их всего 4 (Q1…Q4). Схему 2-трубной системы я привел выше (в самом начале). Видно с какими температурами теплоносителя должны быть подобраны приборы отопления. Удобнее всего посмотреть эту информацию можно на отдельной странице окна расчета: ”Узлы УТО” в колонке 7:


        Далеко не 95-70°С! Хотя это всего лишь придуманный пример для тестирования. Но близкий к реальности.


        Таким образом, реализован расчет изменения температуры теплоносителя по длине трубопроводов для варианта ”приоритета по источнику тепла”. Т.е. теплообменник системы отопления рассчитан, например, на 95-70°С, а внутри системы за счет остывания теплоносителя в трубах к потребителям тепла приходит теплоноситель с меньшей  температурой. И уйти от потребителя тепла теплоноситель должен с более высокой температурой чем 70°С, так чтобы вернуться к теплообменнику точно с температурой 70°С:


        Но есть и другой вариант расчета – ”приоритет по потребителям тепла”. В этом случае мы должны обеспечить заданный перепад температур на потребителях тепловой энергии. Это может быть важно для расчета тепловых сетей или для обеспечения тепловой энергией технологических потребителей:


        В перспективе можно сделать расчет остывания теплоносителя в трубах при канальной или бесканальной прокладке, т.е. для участков, расположенных в канале или в грунте. Но я тепловые сети не проектирую, поэтому пока делать не планирую. Если будет спрос для таких случаев, тогда сделаю.


            Ну вот пока все.


            Разработка расчета продолжается.