Определение теплопотерь через теплоизоляцию трубопроводов теплоснабжения при подземной прокладке в непроходных каналах



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:

Q_тп=ƒ (λ_и, t_и, t_в),

а теплопроводность — функцией плотности и влажности применяемого теплоизоляционного материала: λ_и= 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 (V_о > 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 %<V_о < 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 (V_м < 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 (Q_тп^ф) через теплоизоляционные конструкции и коэффициента теплопроводности (λ_и) 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:

ΣQ_тп = (q^L+q^M)·L=q^L·K_м·L,(1)

где q^L, 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.

q^M, 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;

K_{м —} коэффициент дополнительных местных потерь теплоты к линейным потерям q^L), применяется при отсутствии данных по q^M или невозможности их определения.

Значения коэффициента K_м 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)

t_вк — 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, мС/Вт:

.(4)

где α_к — коэффициент теплоотдачи на поверхности стенки канала по [2], Вт/(м²С):

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, мС/Вт:

,(7)

где _к — коэффициент теплопроводности стенки канала, Вт/(мС).

Термическое сопротивление теплоотдаче от наружной стенки канала к грунту, мС/Вт:

,(8)

гдеН — глубина заложения оси трубопровода от поверхности земли, м;

_г — коэффициент теплопроводности грунта, принимаемый по [2], Вт/(мС).

Линейное термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты слоем теплоизоляционного материала трубопровода из закона теплопроводности Фурье, мС/Вт:

,(9)

гдеD_н — наружный диаметр теплоизоляционной конструкции, м;

_а, _и — толщины антикоррозионного покрытия и изоляции трубопровода, м;

λ_и — коэффициент теплопроводности слоя изоляции, Вт/(мC).

Линейное термическое сопротивление теплоотдаче наружной стенки теплоизоляционной конструкции трубопровода в окружающую среду, мС/Вт:

,(10)

где_п — толщина покровного слоя, м;

_н — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности покровного слоя теплоизоляционной конструкции, Вт/(м²C), который является суммой двух слагаемых:

_н = _л + _к,(11)

где _л, Вт/(м²C) — 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/(м²К⁴), а для «серых» тел, к которым относятся наружные поверхности неизолированных трубопроводов и поверхности теплоизоляционных конструкций, находится в пределах (0,2140,243) Вт/(м²К⁴);

, C — температура излучающей поверхности покровного слоя теплоизоляции трубопровода;

_к, Вт/(м²C) — 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 (t_п  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 t_но = -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 К_м = 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.

1. Проведённые расчёты позволяют выбрать оптимальную толщину тепловой изоляции трубопроводов систем теплоснабжения и оценить потери теплоты.
2. 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:

1. Методика определения тепловых потерь через теплоизоляционные конструкции трубопроводов водяных сетей систем теплоснабжения / В. О. Потапкин, Ю. А. Кичкайло // Новосибирск: ОАО «Новосибирскгортеплоэнерго», 2009. — 92 с.
2. 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.