Визначення тепловтрат через теплоізоляцію трубопроводів теплопостачання при підземній прокладці
Рубрика: Технічні науки
Бібліографічний опис:
Проведено порівняння методик розрахунку тепловтрат трубопроводами системи теплопостачання для різних типів та щільності теплової ізоляції. Проведені розрахунки дозволяють вибрати оптимальну товщину теплової ізоляції трубопроводів систем теплопостачання та оцінити втрати теплоти.
Ключові слова: теплова ізоляція, трубопроводи, теплопостачання, теплова мережа, теплові втрати.
За період експлуатації теплових мереж у системі централізованого теплопостачання (СЦТ) Новосибірська (перша теплова мережа діаметром Dу =350 мм і довжиною L=2.0 км від ТЕЦ-1 була побудована у 1938 році) норми теплових втрат (лінійна щільність теплового потоку) для мереж законодавчо коригувалися (у менший бік) тричі. Це Норми 1959 року, Норми 1991 року та Норми 1998 року. Так, наприклад, останні Норми лінійних теплових втрат від перших норм 1959 зменшено в середньому на 62% для підземної прокладки в непрохідних каналах.
Для прогнозування частки теплових втрат у теплових мережах, якісного розрахунку теплоізоляційних конструкцій, що враховує місцеві умови експлуатації, ВАТ «Новосибірськміськтеплоенерго» спільно з кафедрою «Теплогазопостачання та вентиляція» НДАСУ (Сібстрін) було розроблено методику розрахунку [1].
Процес теплопередачі через стінки труб і шар теплогідроізоляційної конструкції, що застосовуються при будівництві та експлуатації в системах теплопостачання міст характеризується законами теплоперенесення теплової енергії від гарячого середовища, що транспортується, в навколишнє холодне середовище (повітря, грунт, вода), і навпаки віднагрітого повітря в каналі до холодного середовища, що транспортується. Як правило, транспорт гарячого середовища завжди супроводжується вимушеними величинами теплових втрат.
Теплові втрати є функцією теплопровідності матеріалів та різницею між величинами температур гарячого та холодного середовища:
а теплопровідність — функцією щільності і вологості теплоізоляційного матеріалу, що застосовується: λі= ƒ(ρ, φ).
На практиці, як теплоізоляційні матеріали, в більшості випадків застосовуються - мінераловатні мати і їх аналоги, або пінополіуретан. В умовах експлуатації, будь-який теплоізоляційний матеріал піддається впливу природних та техногенних факторів. До природних факторів можна віднести підтоплення водами талого снігу та дощу, підвищена вологість та туман, підвищений рівень ґрунтових вод тощо; до техногенних факторів - підтоплення водою з пошкодженого трубопроводу тепломережі чи суміжних комунікацій тощо.
Це спричиняє неминучість зволоження теплоізоляції, її замулювання та погіршення теплотехнічних властивостей (збільшення теплопровідності), зменшення товщини теплоізоляційного шару від проектних значень.
Наявність вологи в теплоізоляційних матеріалах характеризується:
1) трьома станами насичення:
- капілярно-роз'єднане або стикове (стан защемленої води), коли більша частина об'єму пір теплоізоляційного матеріалу зайнята повітрям і повідомлена з повітрям, а вода займає тільки звужену невелику частину пір;
- канатне або чіткове, коли вода утворює безперервну сітку з повітряними бульбашками в центрі пір, що не взаємодіють один з одним і зовнішнім повітрям;
- Капілярне (стан волого-насичення), коли осередки пір повністю заповнені водою;
2) трьома режимами тепло-масо-передачі:
– при об'ємній вологості (V > 4 %) — закритичний режим, при якому відведення теплоти відбувається за рахунок теплопровідності через теплоізоляційні матеріали і за рахунок теплопровідності води, що міститься в її порах;
– при об'ємній вологості (1 % ф ) через теплоізоляційні конструкції та коефіцієнт теплопровідності (λі) теплоізоляційного матеріалу, що забезпечує отримання більш точних результатів.
Теплові втрати від гарячого середовища до холодного через теплоізоляційні конструкції ділянки трубопроводів виражаються у вигляді сумарних теплових втрат, Вт:
де q L , Вт/м — годинні лінійні втрати тепла на одиницю довжини (лінійна щільність теплового потоку) через стінку трубопроводу, антикорозійне покриття, теплоізоляційний та покривний матеріали, повітряне середовище та стінку каналу, а для діючих мереж додатково шар іржі та шар накипу стінки трубопроводів.
q M , Вт/м — годинні місцеві втрати тепла на одиницю довжини об'єкта, що розглядається через теплопровідні нелінійні включення в теплоізоляційних конструкціях, якими можуть бути арматура, кріпильні деталі, рухомі та нерухомі опори, сальникові або сильфонні компенсатори, повітряники або дренажні пристрої;
L, м - довжина ділянки трубопроводу, що розглядається;
Kм - коефіцієнт додаткових місцевих втрат теплоти до лінійних втрат q L ), застосовується за відсутності даних по q M або неможливості їх визначення.
Значення коефіцієнта Kм приймається для металевих трубопроводів від 5 до 20%, для неметалевих до 70%.
Сумарна щільність теплового потоку трубопроводами, що подають і зворотним через стінку каналу, Вт/м:
,(2)
tвк - розрахункова температура повітря в каналі, С:
;(3)
де - середня заопалювальний сезон температура ґрунту по [2].
Термічний опір тепловіддачі від повітря в каналі до поверхні стінки каналу, мС/Вт:
.(4)
де αк - коефіцієнт тепловіддачі на поверхні стінки каналу [2], Вт/(м 2 С):
Внутрішній та зовнішній еквівалентні діаметри каналу, м:
,(5)
,(6)
де b, h – зовнішні розміри каналу (рис. 1), к – товщина стінки каналу.
Лінійний термічний опір тепловіддачі від зовнішньої стінки каналу до ґрунту, мС/Вт:
,(7)
де к – коефіцієнт теплопровідності стінки каналу, Вт/(мС).
Термічний опір тепловіддачі від зовнішньої стінки каналу до ґрунту, мС/Вт:
,(8)
де Н - Глибина закладення осі трубопроводу від поверхні землі, м;
г - коефіцієнт теплопровідності ґрунту, що приймається по [2], Вт/(мС).
Лінійний термічний опір кондуктивному перенесенню теплоти шаром теплоізоляційного матеріалу трубопроводу із закону теплопровідності Фур'є, мС/Вт:
,(9)
де Dн - Зовнішній діаметр теплоізоляційної конструкції, м;
а, і — товщини антикорозійного покриття та ізоляції трубопроводу, м;
λі - коефіцієнт теплопровідності шару ізоляції, Вт/(мC).
Лінійний термічний опір тепловіддачі зовнішньої стінки теплоізоляційної конструкції трубопроводу в навколишнє середовище, мС/Вт:
,(10)
де п - Товщина покривного шару, м;
н - коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні покривного шару теплоізоляційної конструкції, Вт/(м 2 C), який є сумою двох доданків:
де л, Вт/(м 2 C) — коефіцієнт тепловіддачі променевипусканням, який можна визначити за формулою Стефана-Больцмана:
,(12)
де С - коефіцієнтвипромінювання Стефана-Больцмана, який для поверхонь абсолютно парних тіл, що поглинають усі падаючі промені і нічого не відбивають, дорівнює 0,277 Вт/(м 2 К 4 ), а для «сірих» тіл, до яких відносяться зовнішні поверхні неізольованих трубопроводів та поверхні теплоізоляційних конструкцій, що знаходиться в межах (0,2140,243) Вт/(м 2 К 4 );
, C — температура випромінюючої поверхні покривного шару теплоізоляції трубопроводу;
к, Вт/(м 2 C) — коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від горизонтального трубопроводу до повітря, який можна визначити за формулами Нуссельта:
- При природній конвекції повітря:
,(13)
– при вимушеній конвекції повітря (вітер чи примусова вентиляція):
,(14)
де w, м/с - швидкість повітря (вітру), яка за відсутності даних приймається 10 м/с.
Значення коефіцієнта тепловіддачі н від зовнішньої поверхні покривного шару теплоізоляційної конструкції трубопроводу з температурою (tп 150 C), можна визначити відповідно до (13) та (14) за наближеною формулою для канальної прокладки:
.(15)
З формули (2), з урахуванням підстановки (9) та (10), виводиться формула для визначення необхідної товщини шару теплоізоляційного матеріалу і трубопроводу, м:
.(16)
Де число В - безрозмірне значення величини натурального логарифму, що знаходиться за формулою:
.(17)
Як приклад було розраховано ділянку трубопроводів теплових мереж від ЦТП-Ц41 по вул. Орджонікідзе м. Новосибірська, довжиною L = 166 м, при двотрубної прокладки у непрохідних каналах рис. 1. Тривалість опалювального сезону в Новосибірську становить 221 добу або з = 5304 год. Розрахункова температура зовнішнього повітря для Новосибірська tно = -37 С. На аналізованомуділянці теплова мережа двотрубна, прокладена в непрохідних каналах марки КЛ 90х60, діаметр трубопроводів 108х4 мм, глибина закладення 2 м. Розрахунковий температурний графік на ТЕЦ прийнято 150/70 С. Коефіцієнт додаткових місцевих втрат теплоти Км = 1,2.
Мал. 1. Підземне прокладання трубопроводів у непрохідних каналах
Розрахунок проводився за нормативною лінійною щільністю теплового потоку за методикою [1] та за СП [2].
Розрахунки були проведені для різних типів теплової ізоляції та зведені в таблицю 1. Як показали розрахунки, у багатьох випадках необхідна товщина ізоляції при розрахунку за методикою [1], яка враховує місцеві умови експлуатації, виявляється вищою.
Порівняння товщини теплової ізоляції татепловтрат трубопроводами за методикою [1] таза СП [2]
Тип
ізоляції
Розрахунок за методикою[1]
Розрахунок з СП[2]
tвк,С
з1, м
з2, м
Qтп, МВт
tвк,С
з1, м
з2, м
Qтп, МВт