ПРОГРАММА «РАСЧЁТ ВОДЯНЫХ СИСТЕМ» Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»



SCIENCE TIME

ПРОГРАММА «РАСЧЁТ ВОДЯНЫХ СИСТЕМ»

Малюкова Кристина Романовна, Воронежский государственный университет инженерных технологий, г. Воронеж

E-mail: k malyukova 01 @mail. ru

Федоров Дмитрий Игоревич, МБОУ СОШ№97, г. Воронеж

E-mail: na_malyukova@mail.ru

Аннотация. В настоящее время, как и много лет назад, вода является источником всего живого на Земле. Человек не может обходиться без воды. В современных городах подача воды на большие расстояния и высоты актуальна. Для подачи воды используются центробежные насосы, приводимые в действие электродвигателями. Для оптимального расхода электроэнергии необходимо правильно подобрать насос. Для этого, желательно с высокой точностью, необходимо рассчитать гидравлические потери в трубопроводе подачи воды конечному потребителю. Если допустить ошибку в выборе насоса, то при переразмеренном насосе, будет повышенный расход электроэнергии и может произойти преждевременная поломка насоса. Если насос выбрать меньшего размера, то будет нехватка воды у потребителя.

Помимо этого, вода обладает наибольшей теплоёмкостью по сравнению с другими средами, используемыми в системах теплоснабжения. Наряду с этим доступность воды в природе делает её основной средой в системе отопления. Здесь так же, как и в системах подачи воды необходим подбор насосов.

Данная программа позволяет по заданным исходным данным осуществить гидравлический расчет системы и подбор насоса.

Цель: автоматизация и упрощение инженерных расчётов.

Задачи: создание алгоритма расчёта гидравлических систем, создание удобного программного интерфейса.

Актуальность: так как современный человек живёт вдали от водоёмов, то воду необходимо доставлять к месту его деятельности. Это делается при помощи насосов. В зависимости от удалённости от места забора воды, а также необходимого её количества, необходим определённый насос и соответствующий размер трубопровода. Также вода является основным теплоносителем в системах отопления. Тут также применяются насосы. Сегодня известны методы расчёта гидравлических систем и систем отопления. Ручные методы трудоёмки. В данной работе реализован алгоритм расчёта гидравлических систем.

Ключевые слова: гидравлика, система отопления, программа.

I

77

1 SCIENCE TIME 1

Программа предназначена для расчёта систем водоснабжения и систем отопления.

Программа используется в инженерных расчётах проектных и проектно-монтажных организациях, осуществляющих работу по проектированию и монтажу систем водоснабжения и отопления.

Функциональные возможности программы:

- Расчет расхода теплофикационной воды системы отопления по заданной тепловой мощности и температурному графику.

- Расчет диаметра трубопровода системы отопления.

- Гидравлический расчет системы отопления.

- Расчет требуемой мощности циркуляционного насоса.

- Построение графика зависимости напора от расхода.

- Расчет диаметра трубопровода системы водоснабжения по заданному расходу.

- Гидравлический расчет системы водоснабжения.

- Расчет требуемой мощности повысительного насоса.

- Построение графика зависимости напора от расхода.

- Расчет регулирующего клапана подачи сетевой воды на теплообменник.

- Построение графика зависимости расхода от процента открытия клапана.

- Расчет утечки через отверстие.

- Возможность изменять базу данных.

Программа разработана на языке Python версии 3.9.0, с использованием библиотек PyQT5 версии 5.14.4. Интерфейс разработан средствами QT Designer. Для хранения стандартных справочных данных использована база данных SQLite, в таблицах которой хранятся свойства воды (плотность, вязкость), стандартные диаметры клапанов и их пропускные способности и абсолютная шероховатость трубопровода.

Объем программы: 402 КБ.

Тип реализующей ЭВМ: IBM - PC совместимый.

Программа разработана для операционной системы Windows 10.

1. Расчёт системы отопления

Исходными данными для расчёта являются: тепловая мощность системы, температурный график системы.

Цель расчёта: определение диаметра трубопровода, гидравлических потерь в трубопроводе и необходимую мощность насоса. На первом этапе необходимо определить расход воды в системе отопления и диаметр трубопровода. Диаметр вычисляется по формуле (1):

| SCIENCE TIME Щ

где d - внутренний диаметр трубопровода, мм; S - площадь сечения трубопровода, м2.

Площадь сечения зависит от расхода теплоносителя и скорости его движения. Принимаем скорость теплоносителя не более 1 м/с для исключения шума в приборах отопления.

Расход теплоносителя определим из формулы тепловой энергии (2)

Q = c * m * At, (2)

где Q - тепловая энергия, кДж; с - теплоемкость, кДж / (кг * К). Для воды c = 4,19.

At - среднеарифметическая разница температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе.

По известной тепловой нагрузке Р, кВт найдем необходимое количество тепловой энергии по формуле (3)

Q = P * 3600 (3)

Необходима площадь сечения трубопровода определяется по формуле (4)

S = V / и, (4)

где V - объемный расход теплоносителя, м3/с; и - скорость движения воды в трубопроводе. Объемный расход вычисляется по формуле (5)

V = m / р, (5)

где р - плотность воды, кг/м3.

Плотность воды находим по справочным данным по средней температуре теплоносителя в системе (6)

оср = (t1 + t2) / 2, (6)

где t1 и t2, оС - температура в подающем и обратном трубопроводе соответственно.

Найденный диаметр по формуле (1) округляем до ближайшего большего стандартного значения по сортаменту трубопроводов.

На втором этапе определяем потери давления в трубопроводах системы отопления и необходимую мощность насоса.

Исходными данными для расчета являются: протяженность трубопровода и тип трубопровода (материал и степень загрязнения).

Для расчета потерь на трение в трубопроводе круглого сечения применяем формулу Дарси-Вейсбаха (7)

где X - коэффициент потерь на трение по длине; L - длина трубопровода, м;

79

I

SCIENCE TIME

I

d - диаметр трубопровода, м; и - скорость движения воды, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с2.

Коэффициент гидравлического сопротивления определяется по формуле Колбрука-Уайта (8)

L J 3,7-tf/J

-2

(8)

где Re - число Рейнольдса;

кэк - эквивалентная шероховатость трубопровода.

В связи со сложностью расчета по этой формуле, коэффициент гидравлического сопротивления можно определить по диаграмме Moody.

Но для автоматизированного расчета данный метод не удобен. Поэтому расчет коэффициента гидравлического сопротивления будем производить по формулам в зависимости от режима течения.

Для ламинарного течения, при Re < 2300 используется формула Пуазейля

(9)

X = 64/ Яв (9)

При Re < 100 000 используем формулу Блазиуса (10)

0,3164

Я =

SRe

(10)

I

SCIENCE TIME

I

При Re < 3 000 000 используем формула Конакова (11)

Л =

(l,Q*lgRe-1.5)2

(11)

Для зоны смешанного трения 560*d/kэк > Re > 10*d/kэк используем формулу Альтшуля (12)

(12)

Для зоны, автомодельной по отношению к Re 560*d/ кэк < Re используем формулу Шифринсона (13)

(13)

Число Рейнольдса находим по формуле (14)

Re =

V*d

(14)

где V - кинематическая вязкость, м2/с

По принятому диаметру на первом этапе расчета определяем реальную скорость движения воды (15).

(15)

Для полученных значений расхода и напора, строим график зависимости с указанием рабочей точки. Мощность необходимая для перекачивания жидкости определяется поформуле (16)

Р4 = V * Дh * р * g (16)

Так как часть электрической мощности используемой насосом рассеивается на тепло и преодоление трения в узлах насоса, принимаем КПД агрегата равным 0,7. Необходимая потребная электрическая мощность насоса (17)

Р1 = Р4 / КПД (17)

| SCIENCE TIME Щ

2. Расчет системы водоснабжения

Исходными данными для расчёта являются: необходимый расход воды, высота подъема воды, температура воды.

Цель расчёта: определение диаметра трубопровода, гидравлических потерь в трубопроводе и необходимую мощность насоса.

Методика расчета аналогична расчетам системы отопления. Скорость в трубопроводах принимаются до 1,5 м/с. Общий напор системы складывается из динамического и статического напора. Статический напор определяется высотой подачи.

3. Расчет регулирующего клапана

Исходными данными для расчёта являются: тепловая мощность системы отопления, температурный график системы отопления, давление воды в подающем и обратном трубопроводе.

Цель расчёта: определение диаметра клапана и необходимой пропускной способности.

По методике, описанной в разделе расчета системы отопления,определяем расход воды через теплообменник. По формуле (18) находим расчетное значение пропускной способностиклапана:

(18)

где АР - падение давления на клапане, бар.

Принимаем пропускную способность Kvs клапана ближайшее большее значение из стандартного ряда.

Минимальный диаметр клапана рассчитывается по формуле (19)

По результатам расчета строятся графики зависимости расхода воды через клапан в зависимости от процента открытия клапана. Графики строятся для линейной характеристики и равнопроцентной характеристики клапана. Для линейной характеристики (20)

где Уюо - расход воды через клапан при полном открытии. Для равнопроцентной характеристики (21).

82

I

SCIENCE TIME

I

V = Vioa*

e 100

(21)

где т - диапазон регулирования клапана

4. Расчет утечки через отверстие

В данном разделе программы можно оценить потери воды при утечке из отверстия заданного диаметра. Расчет ведется исходя из условия, что отверстие круглой формы с острыми краями.

Исходными данными являются: диаметр отверстия, давление воды в трубопроводе и температура воды. Пропускная способность отверстия определяется по (22)

^ = S * 3600 * и * 0.7, (22)

где S - площадь отверстия, м2;

и - скорость течения воды через отверстие;

0,7 - коэффициент истечения для отверстия с острыми краями.Расход воды вычисляем по (23)

(23)

V = Kv* I^Z ■\j 1000

5. Базы данных

Для физических расчётов программа использует стандартные справочные данные, находящиеся в таблицах базы данных. В таблицах содержатся плотность и вязкость воды, соответствующие её температуре,типы труб и соответствующая им абсолютная шероховатость, а также стандартные диаметры и пропускные способности регулирующих клапанов.

6. Интерфейс программы

Интерфейс программы состоит из пяти вкладок: расчет системы отопления, расчет системы водоснабжения, расчет регулирующего клапана, расчет утечки через отверстие в трубопроводе, прочее.

Каждая вкладка содержит вложенные окна, содержащие этапы расчёта. Во вкладке «Прочее» находится редактор базы данных и справочнаяинформация о программе.

Вкладка «Расчёт системы отопления». Окно расчёта диаметра трубопровода и расхода воды.

I

SCIENCE TIME

I

Окно расчёта гидравлических потерь:

Окно построения графика зависимости напора от расхода с указанием рабочей точки:

84

I

SCIENCE TIME

I

Вкладка «Расчёт системы водоснабжения». Окно расчёта диаметра трубопровода:

Окно расчёта гидравлических потерь:

Окно построения графика зависимости напора от расхода с указанием рабочей точки:

85

I

SCIENCE TIME

I

Вкладка «Расчёт регулирующего клапана». Окно расчёта характеристики клапана:

Окно построения графика характеристики клапана с указанием рабочей

точки:

Вкладка «Расчёт утечки через отверстие». Данная вкладка состоит из одного окна:

1 SCIENCE TIME 1

Вкладка «Прочее»:

Редактор базы длнных

Справка

О программе

Кнопка «Редактор базы данных» открывает окно редактора базы данныхпо парольному доступу. Кнопка «Справка» открывает окно справки о программе.

«т w»

тто

и V II U

Поиск noun росу выбор тдбпидо: OniKy

Добмть ci року Удали ft. строку Сохранить как черновик Сохранить

Интерфейс программы состоит из пяти вкладок:

- Расчет системы отопления;

■ Расчет системы водоснабжения;

- Расчет регулирующего клапана;

- Расчет утечки черед отверстие в трубопроводе;

■ Прочее.

Каждая вкладка содержит вложенные окна, содержащие этапы расчёта.

В окнах расположены поля для ввода/вывода числовых значений с

указанием размерности физической величины.

белые поля используются для ввода значений (редактируемые).

Серые поля используются для вывода расчетов (не редактируемые),

выпадающие списки содержат фиксированные значения.

После ввода данных для получения рассчитанных значений необходимо

нажать кнопку "Расчёт".

Для перехода между окнами одного расчёта используются соответствующие кнопки.

Программа имеет ограничения на диапазон вводимых значений. При вводе значений, выходящих за диапазон выводится сообщение с указанием диапазона.

При вводе некорректных значений (символов) выводится соответствующее сообщение.

Программа предусматривает возможность редактирования базы данных, ввода новых данных для расширения возможности программы. Доступ к функции редактирования базы данных доступна для администратора программы.

При необходимости можно восстановить изначальную версию базы данных. Для этого файл "water_system_database.sq(ite* из папки "databas? resefV переместите в папку "database",

Кнопка «О программе» открывает окно дополнительной информации:

В1 О программе — □ X

"Расчет водяных систем" версия 1.0.0 Автор Федоров Дмитрий. 2022 fedorov.2006@yandex.ru

1 SCIENCE TIME 1

7. Код программы

Программа была разработана с помощью 3 классов на языке Python:

- class MyProgram() - класс основной части программы, отвечает за все математические расчёты, отображение и функционал основного интерфейса;

- dass ShowDatabase() - класс для редактирования базы данных;

- class ShowText() - класс для вывода информации о программе.

Литература:

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под. Ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. И дополн. М.: Химия, 1991. - 496 с.

2. ГОСТ 8.586.1-2005 ГСИ. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 1. Принцип метода измерений и общие требования.

3. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям /Под ред. М.О.Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение,1992. -672 с.

4. Grundfos. Теоретические основы гидравлики.

5. Grundfos. Теория перекачивания жидкостей.

6. The Steam and condensate Loop. Spirax-Sarco Limited, 2007.

7. Samson. Рабочий лист по расчету клапанов. Расчет условной пропускной способности Kv клапана. Рабочий лист АВ 0 2006-06.

8. LDM. Основные понятия регулирующей арматуры.

9. Пырков В.В. Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика. - К.: ДП «Таю справи», 2010. - 304 с.: ил.

10. Покотилов В.В. Регулирующие клапаны автоматизированных систем тепло- и холодоснабжения. - Вена: фирма «Herz Armaturen», 2010.