Проведено сравнение методик расчёта теплопотерь трубопроводами системы теплоснабжения для различных типов и плотности тепловой изоляции. Проведённые расчёты позволяют выбрать оптимальную толщину тепловой изоляции трубопроводов систем теплоснабжения и оценить потери теплоты.
Ключевые слова:тепловая изоляция, трубопроводы, теплоснабжение, тепловая сеть, тепловые потери.
За период эксплуатации тепловых сетей в системе централизованного теплоснабжения (СЦТ) Новосибирска (первая тепловая сеть диаметром Dу =350 мм и длиной L=2.0 км от ТЭЦ-1 была построена в 1938 году) нормы тепловых потерь (линейная плотность теплового потока) для сетей законодательно корректировались (в меньшую сторону) три раза. Это Нормы 1959 года, Нормы 1991 года и Нормы 1998 года. Так, например, последние Нормы линейных тепловых потерь от первых норм 1959 года уменьшены в среднем на 62 % для подземной прокладки в непроходных каналах.
Для прогнозирования доли тепловых потерь в тепловых сетях, качественного расчёта теплоизоляционных конструкций, учитывающего местные условия эксплуатации, ОАО «Новосибирскгортеплоэнерго» совместно с кафедрой «Теплогазоснабжения и вентиляция» НГАСУ (Сибстрин) была разработана методика расчета [1].
Процесс теплопередачи через стенки труб и слой теплогидроизоляционной конструкции, применяемых при строительстве и эксплуатации в системах теплоснабжения городов характеризуется законами теплопереноса тепловой энергии от транспортируемой горячей среды в окружающую холодную среду (воздух, грунт, вода), и наоборот от нагретого воздуха в канале к транспортируемой холодной среде. Как правило, транспорт горячей среды всегда сопровождается с вынужденными величинами тепловых потерь.
Тепловые потери являются функцией теплопроводности материалов и различием между величинами температур горячей и холодной среды:
Qтп=ƒ (λи, tи, tв),
а теплопроводность — функцией плотности и влажности применяемого теплоизоляционного материала: λи= ƒ(ρ, φ).
На практике, в качестве теплоизоляционных материалов, в большинстве случаев применяются — минераловатные маты и их аналоги, или пенополиуретан. В условиях эксплуатации, любой теплоизоляционный материал подвержен воздействию природных и техногенных факторов. К природным факторам можно отнести подтопление водами талого снега и дождя, повышенная влажность и туман, повышенный уровень грунтовых вод и т. д.; к техногенным факторам — подтопление водой из поврежденного трубопровода теплосети или смежных коммуникаций и т. д.
Это влечет к неизбежности увлажнения теплоизоляции, ее заиливания и ухудшения теплотехнических свойств (увеличения теплопроводности), уменьшения толщины теплоизоляционного слоя от проектных значений.
Наличие влаги в теплоизоляционных материалах характеризуется:
1) тремя состояниями насыщения:
– капиллярно-разобщенное или стыковое (состояние защемленной воды), когда большая часть объема пор теплоизоляционного материала занята воздухом и сообщена с воздухом, а вода занимает только суженную небольшую часть пор;
– канатное или чёточное, когда вода образует непрерывную сетку с воздушными пузырьками в центре пор, не взаимодействующими друг с другом и наружным воздухом;
– капиллярное (состояние влаго-насыщения), когда ячейки пор полностью заполнены водой;
2) тремя режимами тепло-массо-передачи:
– при объемной влажности (Vо > 4 %) — закритический режим, при котором отвод теплоты происходит за счет теплопроводности через теплоизоляционные материалы и за счет теплопроводности воды содержащийся в её порах;
– при объемной влажности (1 %<Vо < 4 %) — докритический режим, при котором отвод теплоты происходит за счет теплопроводности через теплоизоляционный материал и за счет уноса теплоты с паром (разрыв капиллярной сетки, поры сообщаются с наружным воздухом);
– при массовой влажности (Vм < 1 %) — режим абсолютно сухого тела, при котором отвод теплоты осуществляется по закону Фурье, и только за счет теплопроводности теплоизоляционного материала.
Эти состояния и режимы работ необходимо учитывать при расчетах фактических тепловых потерь (Qтпф) через теплоизоляционные конструкции и коэффициента теплопроводности (λи) теплоизоляционного материала, что обеспечивает получение более точных результатов.
Тепловые потери от горячей среды к холодной через теплоизоляционные конструкции участка трубопроводов выражаются в виде суммарных тепловых потерь, Вт:
ΣQтп = (qL+qM)·L=qL·Kм·L,(1)
где qL, Вт/м — часовые линейные потери тепла на единицу длины (линейная плотность теплового потока) через стенку трубопровода, антикоррозионное покрытие, теплоизоляционный и покровный материалы, воздушная среду и стенку канала, а для действующих сетей дополнительно слой ржавчины и слой накипи на стенках трубопроводов.
qM, Вт/м — часовые местные потери тепла на единицу длины рассматриваемого объекта через теплопроводные нелинейные включения в теплоизоляционных конструкциях, которыми могут быть арматура, крепежные детали, подвижные и неподвижные опоры, сальниковые или сильфонные компенсаторы, воздушники или дренажные устройства;
L, м — длина рассматриваемого участка трубопровода;
Kм — коэффициент дополнительных местных потерь теплоты к линейным потерям qL), применяется при отсутствии данных по qM или невозможности их определения.
Значения коэффициента Kм принимается для металлических трубопроводов от 5 % до 20 %, для неметаллических до 70 %.
Суммарная плотность теплового потока подающим и обратным трубопроводами через стенку канала, Вт/м:
,(2)
tвк — расчётная температура воздуха в канале, С:
;(3)
где 
– средняя за отопительный сезон температура грунта по [2].
Термическое сопротивление теплоотдаче от воздуха в канале к поверхности стенки канала, мС/Вт:
.(4)
где αк — коэффициент теплоотдачи на поверхности стенки канала по [2], Вт/(м2С):
Внутренний и наружный эквивалентные диаметры канала, м:
,(5)
,(6)
где b, h — наружные размеры канала (рис. 1), к — толщина стенки канала.
Линейное термическое сопротивление теплоотдаче от наружной стенки канала к грунту, мС/Вт:
,(7)
где к — коэффициент теплопроводности стенки канала, Вт/(мС).
Термическое сопротивление теплоотдаче от наружной стенки канала к грунту, мС/Вт:
,(8)
гдеН — глубина заложения оси трубопровода от поверхности земли, м;
г — коэффициент теплопроводности грунта, принимаемый по [2], Вт/(мС).
Линейное термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты слоем теплоизоляционного материала трубопровода из закона теплопроводности Фурье, мС/Вт:
,(9)
гдеDн — наружный диаметр теплоизоляционной конструкции, м;
а, и — толщины антикоррозионного покрытия и изоляции трубопровода, м;
λи — коэффициент теплопроводности слоя изоляции, Вт/(мC).
Линейное термическое сопротивление теплоотдаче наружной стенки теплоизоляционной конструкции трубопровода в окружающую среду, мС/Вт:
,(10)
гдеп — толщина покровного слоя, м;
н — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности покровного слоя теплоизоляционной конструкции, Вт/(м2C), который является суммой двух слагаемых:
н = л + к,(11)
где л, Вт/(м2C) — коэффициент теплоотдачи лучеиспускаением, который можно определить по формуле Стефана-Больцмана:
,(12)
где С — коэффициент лучеиспускания Стефана-Больцмана, который для поверхностей абсолютно четных тел, поглощающих все падающие лучи и ничего не отражающих, равен 0,277
Вт/(м2К4), а для «серых» тел, к которым относятся наружные поверхности неизолированных трубопроводов и поверхности теплоизоляционных конструкций, находится в пределах (0,214
0,243)
Вт/(м2К4);
, C — температура излучающей поверхности покровного слоя теплоизоляции трубопровода;
к, Вт/(м2C) — коэффициент теплоотдачи конвекцией от горизонтального трубопровода к воздуху, который можно определить по формулам Нуссельта:
– при естественной конвекции воздуха:
,(13)
– при вынужденной конвекции воздуха (ветер или принудительная вентиляция):
,(14)
где w, м/с — скорость воздуха (ветра), которая при отсутствии данных принимается 10 м/с.
Значение коэффициента теплоотдачи н от наружной поверхности покровного слоя теплоизоляционной конструкции трубопровода с температурой (tп 150 C), можно определить в соответствии с (13) и (14) по приближённой формуле для канальной прокладки:
.(15)
Из формулы (2), с учетом подстановки (9) и (10), выводится формула для определения необходимой толщины слоя теплоизоляционного материала и трубопровода, м:
.(16)
Где число В — безразмерное значение величины натурального логарифма, которое находится по формуле:
.(17)
В качестве примера был рассчитан участок трубопроводов тепловых сетей от ЦТП-ц41 по ул. Орджоникидзе г. Новосибирска, длиной L = 166 м, при двухтрубной прокладке в непроходных каналах рис. 1. Продолжительность отопительного сезона в Новосибирске составляет 221 сутки или з = 5304 ч. Расчётная температура наружного воздуха для Новосибирска tно = -37 С. На рассматриваемом участке тепловая сеть двухтрубная, проложена в непроходных каналах марки КЛ 90х60, диаметр трубопроводов 108х4 мм, глубина заложения 2 м. Расчётный температурный график на ТЭЦ принят 150/70 С. Коэффициент дополнительных местных потерь теплоты Км = 1,2.
Рис. 1. Подземная прокладка трубопроводов в непроходных каналах
Расчёт проводился по нормативной линейной плотности теплового потока по методике [1] и по СП [2].
В расчёте, рекомендуемом СП [2] учитывается только эквивалентный внутренний диаметр канала, поэтому не учитывается значение линейного термического сопротивления кондуктивному переносу тепла слоем стенки канала, что влияет также на определение температуры воздуха в канале. Кроме того, в СП [2] не учитывается коэффициент стоимости теплопотерь, который для Новосибирска, например, составляет 0,95.
Расчёты были проведены для различных типов тепловой изоляции и сведены в таблицу 1. Как показали расчёты, во многих случаях требуемая толщина изоляции при расчёте по методике [1], учитывающей местные условия эксплуатации, оказывается выше.
Таблица 1
Сравнение толщины тепловой изоляции итеплопотерь трубопроводами по методике [1] ипо СП [2]
|
Тип изоляции |
Расчёт по методике [1] |
Расчёт по СП [2] |
||||||
|
tвк, С |
из1, м |
из2, м |
Qтп, МВт |
tвк, С |
из1, м |
из2, м |
Qтп, МВт |
|
|
Маты минераловатные прошивные марки 100 |
15,098 |
0,09 |
0,08 |
39,39 |
15,420 |
0,08 |
0,07 |
42,17 |
|
Маты минераловатные прошивные марки 125 |
15,019 |
0,10 |
0,09 |
40,15 |
15,244 |
0,09 |
0,08 |
41,56 |
|
Маты из супертонкого базальтового волокна |
15,055 |
0,06 |
0,05 |
39,25 |
14,667 |
0,06 |
0,05 |
39,55 |
|
Маты из стеклянного штапельного волокна URSA марки М-11 |
15,103 |
0,09 |
0,08 |
39,41 |
15,175 |
0,08 |
0,08 |
41,32 |
|
Маты из стеклянного штапельного волокна URSA марки М-15 |
15,245 |
0,09 |
0,08 |
39,41 |
15,317 |
0,08 |
0,08 |
41,81 |
|
Пенополиуретан заливочный ППУ-331/3 марки 50 |
14,574 |
0,06 |
0,05 |
37,65 |
15,435 |
0,05 |
0,04 |
42,22 |
|
Пенополиуретан заливочный ППУ-331/3 марки 70 |
15,255 |
0,06 |
0,06 |
39,92 |
15,233 |
0,06 |
0,05 |
41,52 |
|
Скорлупы из пенополиуретана ПИР/ППУ марки 50 |
14,989 |
0,04 |
0,04 |
39,03 |
15,273 |
0,04 |
0,03 |
41,66 |
|
Скорлупы из пенополиуретана ПИР/ППУ марки 30 |
14,224 |
0,04 |
0,03 |
36,48 |
15,101 |
0,03 |
0,03 |
41,06 |
|
Бутадиен-акрилонитрил K-flex марки ES, ST |
14,803 |
0,05 |
0,04 |
38,41 |
15,378 |
0,04 |
0,04 |
42,03 |
|
Бутадиен-акрилонитрил K-flex марки ECO |
15,255 |
0,05 |
0,05 |
41,44 |
15,356 |
0,05 |
0,04 |
41,95 |
Выводы.
- Проведённые расчёты позволяют выбрать оптимальную толщину тепловой изоляции трубопроводов систем теплоснабжения и оценить потери теплоты.
- Не учёт местных условий эксплуатации и не точное определение температуры среды в канале может вызвать занижение толщины тепловой изоляции трубопроводов и увеличенные потери теплоты трубопроводами.
Литература:
- Методика определения тепловых потерь через теплоизоляционные конструкции трубопроводов водяных сетей систем теплоснабжения / В. О. Потапкин, Ю. А. Кичкайло // Новосибирск: ОАО «Новосибирскгортеплоэнерго», 2009. — 92 с.
- СП 61.13330.2012 Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. Актуализированная редакция СНиП 41–03–2003: введ. в действ. 2013–01–01. — Москва: Минрегион России, 2012.
