Технико-экономический расчет теплоизоляционных материалов тепловых сетей города Тюмени



В статье рассмотрена теплотрасса в микрорайоне № 3 жилого района Тюменский» г. Тюмени. В качестве источника теплоты используется ТЭЦ-2. Проведен анализ теплоизоляционных материалов, представленных на рынке. Выявлены наименьшие потери тепла трубопроводов.

Ключевые слова: тепловая изоляция, термическое сопротивление, удельные тепловые потери, приведенные затраты

В нашей стране системы централизованного теплоснабжения обеспечивают около 75 % всех потребителей тепла. Для транспортировки тепла к потребителям используют трубопроводы — тепловые сети (их насчитывается от 160 тыс. и до 260 тыс. км) только в Тюмени насчитывается 70 километров магистральных тепловых сетей и 340 километров внутриквартальных. Во избежание больших теплопотерь трубопроводы должны быть теплоизолированными. Благодаря тепловой изоляции тепловые потери снижаются в 5–10 раз и более по сравнению с неизолированными теплопроводами и при транспортировке теплоносителя на большие расстояния составляют порядка 3–8 % от общей тепловой нагрузки. При этом обеспечивается допустимая температура изолируемой поверхности, что облегчает условия труда обслуживающего персонала. Одновременно со снижением тепловых потерь уменьшается падение температуры теплоносителя вдоль теплопровода, что повышает качество теплоснабжения. Виды тепловой изоляции тепловых сетей весьма разнообразны и от сюда возникает вопрос: какой из видов теплоизоляционных материалов наиболее эффективен, и экономичен?

Итак, изоляция трубопроводов очень разнообразна, а также должна соответствовать определенным нормам [1]. Эффективная тепловая изоляция трубопроводов тепловых сетей является одним из ключевых факторов надежной работы и функционирования объектов энергетики, жилищно-коммунального хозяйства и промышленности. Для решения поставленного вопроса был произведен расчет тепловых сетей при температурном графике 150–70 градусов. На основании расчетов были определены тепловые нагрузки и расходы теплоносителя, расчетные диаметры трубопроводов в соответствии с гидравлическим расчетом микрорайона № 3 жилого района Тюменский» г.Тюмень, и находятся в диапазоне от 76 до 219 [2, с.182].

Таблица 1

Расчетные диаметры тепловых сетей

Диаметр, мм	Длина, мм
1	2
76	444
89	381
108	222
133	152
159	190
219	140

В соответствии с [1] Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов, должна отвечать следующим требованиям:

‒ Энергоэффективности

‒ Эксплуатационной надежности и долговечности

‒ Безопасности для окружающей среды и обслуживающего персонала при эксплуатации и утилизации

Материалы, используемые в теплоизоляционных конструкциях, не должны выделять в процессе эксплуатации вредные, пожароопасные и взрывоопасные, неприятно пахнущие вещества, а также болезнетворные бактерии, вирусы и грибки, в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации, установленные в санитарных нормах.

Для анализа были взяты три изоляционных материала: пенополиуретан [4,с.113], армопенобетон, [5,с.155] битумоперлит [5,с.162];

Основные характеристики изоляционных материалов приведены в таблице 2;

Таблица 2

Технические характеристики теплоизоляционных материалов

Изоляционный материал	Условный проход трубопрово­да, мм	Средняя плотность, кг/м3	Теплопро­водность, Вт/м	Макс. температура применения,	Предел прочности при сжатии, МПа
Пенополиуретан	50–1000	60–80	0,029	150	0,3
Армопенобетон	50–1400	200–250	0,12	300	0,5
Битумоперлит	40–426	350–450	0,11	150	0,5

Основные геометрические характеристики бесканальной прокладки для различных видов теплоизоляционных конструкций представлены на рисунке 1.

Рис 1. Конструкция бесканальной прокладки тепловых сетей для различных видов изоляции

Таблица 3

Геометрические размеры прокладки тепловых сетей

Изоляционный материал	dу,мм	dп/do, мм	b, мм	h,м
Пенополиуретан	76	150/150	320	0,7
	89	150/150	320	0,7
	108	180/180	400	0,7
	133	205/205	400	0,7
	159	257/257	440	0,7
	219	309/309	520	0,7
Армопенобетон	76	150/150	350	0,7
	89	160/160	350	0,7
	108	180/180	400	0,7
	133	205/205	500	0,7
	159	257/257	500	0,7
	219	309/309	550	0,7
Битумоперлит	76	120/120	280	0,7
	89	120/120	280	0,7
	108	120/120	400	0,7
	133	120/120	400	0,7
	159	120/120	400	0,7
	219	120/120	540	0,7

Далее производится теплотехнический расчет рассматриваемых теплоизоляционных материалов, при глубине заложения 0,7метров.

Термические сопротивления изоляции, грунта и термическое сопротивление взаимного влияния теплопроводов при двухтрубной прокладке тепловых сетей определятся следующим образом:

Термическое сопротивление теплоизоляции:

R_из м²/Вт; (1)

где, -теплопроводность грунта Вт/м

- наружный диаметр теплоизоляционной конструкции, м;

-наружный диаметр трубопровода, м;

Термическое сопротивление грунта определяется по формуле Форхгеймера.

При малом заложении трубопродов тепловых сетей при h/d <2

где, h — глубина заложения труб, м;

d- диаметр изолированного трубопровода, м;

(2)

где, приведенная глубина заложения равна: ; (3)

где, h_{д —} действительная глубина заложения трубопровода, м;

h_{ф —} толщина фиктивного слоя, м;

Толщина фиктивного слоя:

h_ф (4)

где, -теплопроводность грунта Вт/м;

-, коэффициэнт теплоотдачи грунта Вт/м²

При большом заложении h/d ≥ 2 сопротивление грунта определяется:

м²/Вт; (5)

где, h-глубина заложения, м;

-теплопроводность грунта, Вт/м;

d- диаметр изолированного трубопровода, м;

Общее сопротивление грунта и изоляции:

м²/Вт; (6)

Термическое сопротивление взаимного влияния теплопроводов при двухтрубной прокладки определяем по формуле Шубина Е. П.:

м²/Вт; (7)

где, h-глубина заложения трубопровода, м;

b — расстояния между осями соседних трубопроводов, м

Результаты расчета сведены в таблицу 4;

Таблица 4

Термические сопротивления

Обозначение	Значения
	Пенополиуретан
dн,мм	76	89	108	133	159	219
dп/ dо,мм	150/150	150/150	180/180	205/205	257/257	309/309
Rиз, м2/Вт	5,93	5,37	5,38	5,12	5,28	4,83
h/d, м	3,12	2,95	2,43	2,07	1,68	1,32
hф,м	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12
hпр,м	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82
Rгр, м2/Вт	0,18	0,17	0,16	0,15	0,13	0,11
Rсиг, м2/Вт	6,11	5,55	5,54	5,27	5,41	4,94
R0, м2/Вт	0,04	0,04	0,04	0,04	0,04	0,04
	Армопенобетон
dн,мм	76	89	108	133	159	219
dп/ dо,мм	150/150	160/160	180/180	205/205	257/257	309/309
Rиз, м2/Вт	1,60	1,64	1,38	1,23	1,08	0,97
h/d, м	2,74	2,28	2,28	2,07	1,94	1,53
hф,м	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12
hпр,м	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82
Rгр, м2/Вт	0,17	0,15	0,15	0,14	0,14	0,12
Rсиг, м2/Вт	1,77	1,80	1,54	1,39	1,22	1,10
R0, м2/Вт	0,04	0,04	0,04	0,04	0,04	0,04
	Битумоперлит
dн,мм	76	89	108	133	159	219
dп/ dо,мм	120/120	120/120	120/120	120/120	120/120	120/120
Rиз, м2/Вт	1,37	1,23	1,08	0,93	0,81	0,63
h/d, м	3,57	3,49	3,07	2,76	2,50	2,06
hф,м	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12
hпр,м	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82	0,82
Rгр, м2/Вт	0,19	0,18	0,18	0,17	0,16	0,15
Rсиг, м2/Вт	1,56	1,42	1,26	1,10	0,98	0,78
R0, м2/Вт	0,04	0,04	0,04	0,04	0,04	0,04

Следующим этапом определяются удельные тепловые потоки для двухтрубной бесканальной прокладки по формулам:

Удельные потери тепла через изоляционную конструкцию тепловых сетей для подающего и обратного трубопровода:

q₁Вт; (8)

q₂, Вт; (9)

где, -среднегодовая температура теплоносителя подающего трубопровода;

-среднегодовая температура теплоносителя обратного трубопровода;

-температура окружающего воздуха;

- термическое сопротивление подающего трубопровода, м²/Вт;

- термическое сопротивление обратного трубопровода, м²/Вт;

Среднегодовая температура теплоносителя , определяются следующим образом:

=, (10)

=, (11)

где,,,- температура теплоносителя в подающем трубопроводе с интервалом температуры наружного воздуха в 5 ,;

,,- температура теплоносителя в обратном трубопроводе с интервалом температуры наружного воздуха в 5 ,;

n_n- продолжительность стояния температуры наружного воздуха с интервалом в 5 гр.;

m- длительность работы теплопровода 8400 ч/год;

Определим суммарный удельный тепловой поток для каждого диаметра:

, Вт; (12)

где, , Вт

, Вт;

Общий тепловой поток по длине трубопровода конкретного диаметра определяется:

, Вт; (13)

где, - суммарный удельный тепловой поток, Вт;

, м

Результаты расчета сведены в таблицу 5.

Таблица 5

Тепловые потери трубопроводов

Обозначение	Значение
Пенополиуретан
dн,мм	76	89	108	133	159	219
q1, Вт	18,76	20,65	20,68	21,75	21,18	23,16
q2, Вт	12,99	14,29	14,31	15,05	14,66	16,03
qобщ, Вт	31,75	34,94	34,99	36,80	35,84	39,19
ql, Вт	14097,00	13315,95	7767,78	5595,12	6809,60	5643,36
Армопенобетон
dн,мм	76	89	108	133	159	219
q1, Вт	63,76	62,99	73,22	81,26	91,79	101,89
q2, Вт	43,55	43,06	49,87	55,21	62,21	68,75
qобщ, Вт	107,31	106,05	123,09	136,47	154,00	170,64
ql, Вт	45650,10	40405,1	27325,98	20743,44	29260,00	24572,16
Битумоперлит
dн,мм	76	89	108	133	159	219
q1, Вт	72,38	79,37	89,91	101,82	112,93	142,08
q2, Вт	49,31	59,95	60,58	68,81	74,71	94,85
qобщ, Вт	121,69	138,32	150,49	170,63	187,64	236,93
ql, Вт	54030,36	50794,92	33277,80	25935,76	30022,4	34117,92

По данным таблицы очевидно, что наименьшие теплопотери соотвественно у пенополиуретана.

Для определения стоимости тепловой изоляции был выполнен технико-экономический расчет

Объем изоляционного материала:

, м³/м; (14)

где, - наружный диаметр теплоизоляционной конструкции, мм

-толщина изоляции, мм

Капитальные вложения в тепловую изоляцию считаем без учета покровного слоя, поскольку для всех трех видов изоляции он будет одинаков:

(15)

где, -объём тепловой изоляции, м³

-стоимость изоляции, руб/м³

Капитальные вложения в тепловую изоляцию общая

, 1/год; (16)

где, -капитальные вложения в подающий трубопровод,;

- капитальные вложения в обратный трубопровод,

Приведенные затраты на потери тепла:

где, -затраты на тепловую энергию, руб/ГДж;

q_общ-суммарный тепловой поток;

m- длительность работы теплопровода 8400 ч/год;

(18)

где, Е_и — коэффициент эффективности капитальных вложений 1/год;

– доля годовых отчислений на эксплуатацию тепловой изоляции 1/год;

Общие затраты на изоляцию определим по формуле:

, руб./год; (19)

где, -затраты на 1 метр изоляции, руб.;

-длина трубопровода, м;

Результаты расчета приведены в таблице 6;

Таблица 6

Технико-экономический расчет

Обозначение	Значение
Пенополиуретан
dн, мм	76	89	108	133	159	219
Vи, м3/м	0,24	0,23	0,27	0,33	0,54	0,66
Kи, руб/год	11,12	10,76	12,96	15,55	24,72	30,27
Ки*, руб/год	22,24	21,53	25,93	31,11	49,45	60,57
Sпт, руб/год	1,23	1,35	1,35	1,42	1,38	1,51
(fи+Еи)·Ки*,1/год	4,67	4,52	5,44	6,53	10,38	12,74
Зпр,руб/год	5,90	5,87	6,80	7,95	11,77	14,23
, руб/год	2620	2238	1510	1209	2237	2049
∑, руб/год	11863
Армопенобетон
dн, мм	76	89	108	133	159	219
Vи, м3/м	0,62	0,90	0,92	1,26	1,24	1,98
Kи, руб/год	26,81	38,33	38,96	52,81	52,35	82,30
Ки*, руб/год	53,63	76,66	77,93	105,62	104,71	164,61
Sпт, руб/год	4,15	4,10	4,76	5,28	5,96	6,60
(fи+Еи)·Ки*,1/год	11,26	16,09	16,36	22,18	21,98	34,56
Зпр,руб/год	15,41	20,20	21,13	27,46	27,95	41,17
, руб/год	6842	7696	4712	4174	5310	5928
∑, руб/год	34662
Битумоперлит
dн, мм	76	89	108	133	159	219
Vи, м3/м	0,37	0,42	0,49	0,59	0,59	0,91
Kи, руб/год	16,36	18,40	21,39	25,33	25,50	38,86
Ки*, руб/год	32,72	36,81	42,79	50,66	51,00	77,72
Sпт, руб/год	4,71	5,16	5,80	6,60	7,26	9,17
(fи+Еи)·Ки*,1/год	6,87	7,73	8,98	10,63	10,71	16,32
Зпр,руб/год	11,58	12,89	14,78	17,24	17,97	25,49
, руб/год	5142	4912	3281	2625	3415	3671
∑, руб/год	23046

Вывод

Одним из важных направлений эффективности теплоснабжения в современных системах является снижение тепловых потерь в тепловых сетях. Анализ свойств теплоизоляционных материалов показал, что самым эффективным и не дорогим является пенополиуретан.

Литература:

1. СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».

2. Соколов Е. Я. «Теплофикация и тепловые сети» –М.: МЭИ, 2009.-472с

3. СП 124.13330.2012 «Тепловые сети».

4. Типовые решения прокладки трубопроводов тепловых сетей в пенополимерминеральной (ппм) изоляции ATP 313.ТС-014.000, Москва 2005 -128с.

5. О. Н. Мельников В. Т. Ежов А. А. Блоштейн «Справочник монтажника сетей теплогазоснабжения» 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1980–206с.