Ionium.ru Fluids - Методика расчета параметров паропровода

Актуальность онлайн калькулятора

Расчет паропроводов - распространенная инженерная задача, которая требует грамотного подхода при ее решении. Чтобы быстро оценить падение давления, изменение температуры и интенсивность парообразования по длине паропровода, а также эффективность тепловой изоляции в рамках экосистемы Ionium разработан специальный бесплатный онлайн калькулятор.

Методика расчета параметров паропровода

Особенности калькулятора

Помимо очевидного достоинства онлайн инструментов - доступность с любого устройства, подключенного к сети Интернет, можно выделить следующие особенности:

в калькуляторе можно задать конфигурацию паропровода в формате участков (задвижка, отвод, труба) с указанием необходимых для расчета характеристик (длина, эквивалентная длина, коэффициент местного сопротивления);
после определения конфигурации паропровода ее можно сохранить для продолжения работы даже после закрытия браузера;
в калькуляторе используется универсальная формула для определения коэффициент трения в шероховатых трубах при турбулентном режиме течения, при необходимости шероховатость может быть задана нулевой;
в калькуляторе можно определить условия естественной конвекции и параметры тепловой изоляции;
высокая точность результатов достигается за счет разбиения трубопровода на участки и их итеративного расчета с учетом изменения плотности / скорости по длине конкретного взятого трубопровода.

Минусы предлагаемого решения

Поскольку калькулятор позиционируется как доступный, интуитивно понятный инструмент, у него имеются некоторые недостатки:

нужно использовать профильную литературу для ручного определения коэффициентов местного сопротивления или эквивалентных длин для учета местных сопротивлений (возможно, рекомендации по назначению коэффициентов местных сопротивлений будут доступны в самом калькуляторе в перспективе);
расчетная модель имеет отклонение от аналогичных результатов в HYSYS порядка 10 %, может использоваться только для оценки, а не для расчетного обоснования;
не учитываются тонкие эффекты, например Джоуля-Томпсона или формирование гетерогенной среды.

Результаты вычислений в калькуляторе

При использовании онлайн калькулятора параметров паропроводов можно получить следующие сведения:

эпюры распределения температуры, давления и доли пара по длине паропровода в удобном для анализа масштабе;
подробные результаты расчета со всеми параметрами паропровода на каждом участке в формате таблицы.

Дорожная карта калькулятора

Для разработанного решения имеется дорожная карта, которая включает следующие улучшения:

Улучшение	Состояние	Дата добавления
Возможность задания абсолютного перепада давления для элемента трубопровода		08.11.2025
Возможность изменения масштаба оси Х		08.11.2025
Построение эпюры температуры на внешней поверхности тепловой изоляции		-
Автоматическое формирование рекомендаций по переходу на больший калибр трубопровода при достижении скоростей на его участках, выходящих за рамки требований нормативной документации		-
Автоматическое выявление факта достижения минимально рекомендуемого расхода при скорости пара в паропроводе менее 15 м/с и выдача значения минимального расхода для паропровода конкретной конфигурации		-
Задание теплопроводности изоляции как функцию от средней температуры		-
Добавление альтернативных формул для расчета коэффициентов трения		-
Рекомендации по назначению коэффициентов местных сопротивлений в зависимости от конфигурации паропровода		-

Методика расчета паропровода

Для определения параметров паропровода проводятся гидравлический и тепловой расчеты:

Суть гидравлического расчета - определить изменение давления пара при его движении вдоль трубопровода с учетом местных сопротивлений (задвижки, клапаны, отводы и пр.).
Суть теплового расчета - определить изменение температуры пара при его движении вдоль трубопровода с учетом теплообмена с окружающей средой и изоэнтальпийного изменения давления на местных сопротивлениях.

Для проведения расчетов необходимы следующие исходные данные:

Параметр	Обозначение	Ед. изм.
Диаметр трубопровода внутренний (принимается, что трубопровод построен из труб одного калибра)	$ D_{вн} $	мм м
Толщина стенки трубопровода	$ \delta_{ст} $	мм м
Толщина изоляции	$ \delta_{из} $	мм м
Теплопроводность стали (принимается теплопроводность стали при средней рабочей температуре или вычисляется как функция от температуры)	$ \lambda_{ст} $	Вт/(м·K)
Шероховатость стенки трубы средняя 0,2 мм для бесшовных стальных бывших в эксплуатации труб; 0,5 мм для сварных стальных умеренно заржавевших труб; 1,0 мм для чугунных бывших в эксплуатации труб;	$ e_{ст} $	мм м
Относительная шероховатость стенки трубы	$ \varepsilon_{ст} = \dfrac{e_{ст}}{D_{вн}} $	-
Теплопроводность изоляции (принимается теплопроводность изоляции при средней рабочей температуре или вычисляется как функция от температуры)	$ \lambda_{из} $	Вт/(м·K)
Расход пара	$ G_{п} $	кг/ч кг/с
Давление пара на входе	$ p_{in} $	бар Па
Степень перегрева	$ \Delta T_{пгр} $	K
Температура окружающей среды	$ T_{ОС} $	°C K
Коэффициент теплоотдачи по внешней стороне (естественная конвекция на воздухе)	$ \alpha_{возд} $	Вт/(м²·K)

Предварительные расчеты

Наружный диаметр трубопровода, м:

$$D_{н} = D_{вн} + 2 \cdot \delta_{ст} $$

Диаметр с учетом изоляции, м:

$$D_{из} = D_{н} + 2 \cdot \delta_{из} $$

Площадь внутреннего сечения, м²:

$$F_{вн} = \dfrac{\pi \cdot D_{вн}^{2}}{4} $$

Температура пара на входе, K:

$$T_{in} = T_{s\_py}(p_{in}) + \Delta T_{пгр},$$

где $ T_{s\_py} $ - температура насыщенного пара, K.

Линейное термическое сопротивление, (м·K)/K:

стенки трубы:

$$ R_{ст} = \dfrac{1}{\pi \cdot \lambda_{ст}}\cdot ln \left(\dfrac{D_{н}}{D_{вн}} \right )$$

изоляции трубы :

$$ R_{из} = \dfrac{1}{\pi \cdot \lambda_{ст}}\cdot ln \left(\dfrac{D_{из}}{D_{н}} \right ) $$

по воздуху:

$$ R_{возд} = \dfrac{1}{\pi \cdot \alpha_{возд} \cdot D_{из}} $$

Линейное термическое сопротивление суммарное, (м·K)/K:

$$ R_{\sum} = R_{ст} + R_{из} + R_{возд} $$

Гидравлический расчет

Изменение давления в трубопроводе обуславливается преодолением сопротивления сил трения вдоль трубопровода и локальных (местных) сопротивлений, Па:

$$ \Delta p = \Delta p_{тр} + \Delta p_{м.с.} $$

Потери давления на локальных (местных) сопротивлениях рассчитываются с учетом коэффициентов местных сопротивлений $ \xi $, которые следует определять по авторитетным справочникам или рекомендациям, в соответствии с формулой:

$$ \Delta p_{м.с.} = \xi \cdot \dfrac{w^2\cdot \rho}{2} $$

Потери давления на преодоление сил трения вдоль трубопровода осуществляется по формуле, которая в общем случае следует из критерия Эйлера в механически подобных системах:

$$ \Delta p_{тр} = \lambda \cdot \dfrac{L}{d_{э}} \cdot \dfrac{w^2\cdot \rho}{2} $$

где

$ \lambda $ - коэффициент трения, -;

$ L $ - длина участка паропровода, м;

$ d_{э} = D_{вн} $ - эквивалентный диаметр сечения трубопровода, м;

$ w $ - скорость пара на участке $ L $, м/с;

$ \rho $ - плотность пара на участке $ L $, кг/м³.

Коэффициент трения рассчитывается по различным формулам в зависимости от условий конкретной задачи. Поскольку паропроводы зачастую выполняют из бесшовных или сварных труб из углеродистой стали, имеющих существенную величину шероховатости внутренних стенок, целесообразно применять обобщенную формулу Коулбрука-Уайта:

$$ \dfrac{1}{\sqrt{\lambda}} = -2 \cdot lg \left [ \dfrac{\varepsilon}{3,7} + \left ( \dfrac{6,81}{Re} \right )^{0,9} \right ] $$

где $ Re $ - критерий Рейнольдса, -.

Значение критерия Рейнольдса определяется при конкретных параметрах пара на рассматриваемом участке:

$$ Re = \dfrac{w \cdot d_{э} \cdot \rho}{\mu} $$

где $ \mu $ - вязкость динамическая на участке $ L $, Па·с.

Тепловой расчет

Расчет паропроводов может производиться как для острого (высокая степень перегрева), так и для насыщенного пара или для пара с незначительным перегревом (менее 5 K). В случае, если расчет выполняется для пара с высокой степенью перегрева, тепловой расчет может быть выполнен по упрощенным зависимостям с использованием значения средней изобарной теплоемкости на участке.

Для обеспечения большего соответствия результатов расчета действительности, а также для получения сведений об интенсивности парообразования по длине паропровода целесообразно использовать универсальный подход к выполнению теплового расчета с использованием тепловой функции (энтальпии) пара.

Для конкретно взятого участка удельный тепловой отток (Вт/м) в окружающую среду определяется по формуле:

$$ q_{i} = \dfrac{T_{i} - T_{OC}}{R_{\sum}} $$

где $ T_{i} $ - температура пара на участке $ L_{i} $, K.

В абсолютных единицах для участка длиной $ L_{i} $ величина теплового оттока, Вт:

$$ Q_{i} = q_{i}\cdot L_{i} $$

Для компенсации теплового оттока изменение тепловой функции (энтальпии) в конце участка длиной $ L_{i} $ (в начале следующего участка $ L_{i + 1} $ можно записать как:

$$ h_{i+1} = h_{i} - \dfrac{Q_{i}}{G_{п}} $$

В случае, если полученное значение энтальпии меньше значения энтальпии насыщенного пара при давлении $ p_{i+1} $ в начале участка $ L_{i+1} $, в паропроводе происходит конденсация пара при постоянной температуре:

$$ h_{i+1}^{нп} = h_{Tdx}(T_{s\_px}(p_{i+1}), \rho_{s\_px}(p_{i+1})), $$

где

$ h_{Tdx} $ - энтальпия насыщенного пара, Дж/кг;

$ T_{s\_px} $ - температура насыщенного пара, K,

$ \rho_{s\_px} $ - плотность насыщенного пара, кг/м³,

Степень сухости (доля пара) $ y $ вычисляется по графоаналитическому методу (см. рисунок ниже, нж - насыщенная жидкость; нп - насыщенный пар; r - теплота фазового перехода) или с использованием функционала библиотеки, используемой для расчета свойств водяного пара.

Графоаналитический метод определения массовой степени сухости пара

$$ y = \dfrac{h_i - h_{нж}}{h_{нп} - h_{нж}} $$ $$ y = q_{phz}(p_{i}, h_{i}) $$

где $ q_{phz}(p_{i}, h_{i}) $ - функция для определения доли пара по давлению и энтальпии.

Если вы испытываете трудности с определением параметров рабочих сред в различных областях диаграммы состояний, можете посмотреть видео, в котором подробно разобраны конкретные случаи и их особенности. А в плейлисте представлены коротки ролики с информацией о том, как подключить и использовать библиотеку для определения термодинамических свойств рабочих веществ RefProp в MathCad 15.

Для повышения точности расчета параметров паропровода каждый определенный в калькуляторе трубопровод дополнительно разбивается на участки, а алгоритм расчета в общем случае выглядит следующим образом:

Шаг	Выражения	Описание
Инициализация параметров пара в начале трубопровода - в начале 1-го участка
1	$ i = 1 $ $ L_{i} = \dfrac{L}{N} $ $ p_{i} = p_{in} $ $ T_{i} = T_{in} $ $ y_{i} = 1 $ $ \rho_{i} = \rho_{Tpz}(T_{i}, p_{i}) $ $ \mu_{i} = \mu_{Tdx}(T_{i}, \rho_{i}) $ $ h_{i} = h_{Tdx}(T_{i}, \rho_{i}) $	Текущий номер участка - i Длина i-того сегмента Давление Температура Степень сухости (доля пара) Плотность Вязкость динамическая Энтальпия
Гидравлический расчет для 1-го участка
2	$ w_{i} = \dfrac{G_{п}}{\rho_{i} \cdot F_{вн}} $ $ Re = \dfrac{w_{i} \cdot D_{вн} \cdot \rho_{i}}{\mu_{i}} $ $ \lambda_{i} = \left [ -2 \cdot lg \left [ \dfrac{\varepsilon}{3,7} + \left ( \dfrac{6,81}{Re_{i}} \right )^{0,9} \right ] \right ]^2 $ $ \Delta p_{i} = \lambda_{i} \cdot \dfrac{L_{i}}{D_{вн}} \cdot \dfrac{w_{i}^2\cdot \rho_{i}}{2} $
Тепловой расчет для 1-го участка
3	$ q_{i} = \dfrac{T_{i} - T_{OC}}{R_{\sum}} $ $ Q_{i} = q_{i}\cdot L_{i} $
Итеративный расчет параметров для N-1 участков
4	$ for (i = 1; i < N-1; i++) $ $ \{ $ $ p_{i} = p_{i-1} - \Delta p_{i-1}$ $ h_{i} = h_{i-1} - \dfrac{Q_{i-1}}{G_{g}} $ Энтальпии насыщенных жидкости и пара при $ p_{i} $ $ h_{i}^{нж} = h_{Tdx}(T_{s\_px}(p_{i}), \rho_{s\_px}(p_{i})) $ $ h_{i}^{нр} = h_{Tdy}(T_{s\_py}(p_{i}), \rho_{s\_py}(p_{i})) $ $ T_{i} = T_{phz}(p_{i}, h_{i}) $ $ y_{i} = 1 $ $ if (h_{i} \ge h_{i}^{нр}) $ $ \{ $ $ y_{i} = q_{phz}(p_{i}, h_{i}) $ или $ y_{i} = \dfrac{h_i - h_{i}^{нж}}{h_{i}^{нп} - h_{i}^{нж}} $ $ T_{i} = T_{s\_py}(p_{i}) $ $ \} $ $ \rho_{i} = \rho_{Tpz}(T_{i}, p_{i}) $ $ \mu_{i} = \mu_{Tdx}(T_{i}, \rho_{i}) $ $ w_{i} = \dfrac{G_{п}}{\rho_{i} \cdot F_{вн}} $ $ Re = \dfrac{w_{i} \cdot D_{вн} \cdot \rho_{i}}{\mu_{i}} $ $ \lambda_{i} = \left [ -2 \cdot lg \left [ \dfrac{\varepsilon}{3,7} + \left ( \dfrac{6,81}{Re_{i}} \right )^{0,9} \right ] \right ]^2 $ $ \Delta p_{i} = \lambda_{i} \cdot \dfrac{L_{i}}{D_{вн}} \cdot \dfrac{w_{i}^2\cdot \rho_{i}}{2} $ $ q_{i} = \dfrac{T_{i} - T_{OC}}{R_{\sum}} $ $ Q_{i} = q_{i}\cdot L_{i} $ $ \} $
Вывод результатов

Вы можете загрузить исходный файл для MathCad 15, в котором реализован вышеописанный алгоритм. Результаты расчета, получаемый в Mathcad 15, полностью соответствуют аналогичной задаче, поставленной в калькуляторе на сайте.

Файл расчета параметров паропровода итерационным методом Файл расчета параметров паропровода итерационным методом