В статье рассматривается повышение эффективности использования природных ресурсов в области теплоэнергетики и снижение потерь теплоты в трубопроводах путём использования тепловой сети типа «труба в трубе».
В докладе министерства энергетики Российской Федерации «Политика Теплоснабжения». М., 2013 отмечается: «Реальные потери в тепловых сетях составляют до 20-30% (за рубежом: 6-8 %) и необходимо увеличивать темпы перекладки сетей минимум до 6% в год от их протяженности».
В данной работе приведено экономическое обоснование теплосети по типу «труба в трубе». Использование данного решения приводит к снижению расхода углеводородного топлива на котельных установках и одновременно происходит снижение тепловых потерь при транспортировке в сравнении с классической тепловой двухтрубной сетью.
Тепловая сеть, функционирующая по типу «труба в трубе», представляет собой тепловую схему, в которой прямая линия с «горячим» теплоносителем поступает к потребителю по внутренней трубе, а обратная по кольцевому сечению и подогревается от прямой линии. Это позволяет получить более высокую температуру в конце обратной линии. (см.рис.1)
Прямая линия сети устанавливается во внешней трубе на специальных распорках, имеющих прямоугольную форму со скругленными концами, угол между которыми составляет 120◦, что уменьшает гидравлические сопротивления.
τ2 τ1
t1 t2
Рисунок 1 - Схема тепловой сети типа труба в трубе: а - поперечное сечение теплотрассы; б-сечение вдоль теплотрассы;
Параметры сетевой воды для классической схемы тепловой сети принимаем при температуре наружного воздуха -20◦C по опытным данным : t1=101◦C ; t2=76◦C; =58◦C; =44◦C; =958; =2 м/с.
Размеры трубы классической тепловой сети: d=0.63 м; l=18 км; δ=0,008 м; δиз=0,1 м.
, (1)
Вт/м2 °С
где t1 - начальная температура теплоносителя, °С; t2 – конечная температура теплоносителя, °С; tгр – температура греющей среды, которую принимаем равной температуре грунта 8◦C; М – массовый расход теплоносителя; Ср-изобарная теплоемкость теплоносителя, принимается равной 4,187 кДж/кг°С; H – поверхность теплообмена м2.
Определяем конечную температуру прямой линии теплотрассы типа «труба в трубе» по уравнению Шухова [1], массовые расходы в тепловых сетях принимаем одинаковыми :
где tгр – температура грунта, которую мы принимаем равной температуре обратной линии 70◦C; t1 – начальная температура теплоносителя, принимается равной начальной температуре теплоносителя для классической схемы теплосетей, °С; k – коэффициент теплопередачи принимается равным коэффициенту теплопередачи для классической схемы теплосети, Вт/м2 °С; H – поверхность теплообмена принимается равной поверхности теплообмена классической схемы тепловой сети, так по диаметру внутренняя труба тепловой сети типа «труба в трубе» равна трубе классической теплосети, м2; М – массовый расход горячей воды; Ср – теплоемкость теплоносителя при постоянном давлении, принимается равной 4,187 кДж/кг°С.
Определяем конечную температуру обратной линии тепловой сети типа «труба в трубе» по уравнению теплового баланса, теплоемкости и массовые расходы горячей воды в подающей и обратной линии считаем равными:
, (2)
(3)
°С
где – начальная температура теплоносителя в обратной линии, принимается ниже конечной температуры теплоносителя в прямой линии на 16°С.
Основной проблемой тепловых сетей являются тепловые потери в окружающую среду, то есть полезно не использующееся тепло. Одна из причин этого износ и несовершенство теплоизоляции.
Определим тепловые потери в грунт в подающей линии тепловой сети классической схемы:
кДж (4)
где k – коэффициент теплопередачи, кДж/кг°С; D – наружный диаметр трубы с теплоизоляцией, м; – длина подающего участка тепловой сети, м; t1 – начальная температура теплоносителя в падающей линии, °С; t2 – конечная температура теплоносителя в падающей линии, °С; tгр – температура грунта остается ране принятая 8°С.
Определим тепловые потери в грунт в обратной линии тепловой сети классической схемы по формуле [4]:
кДж
Суммарные потери в грунт по всей длине классической тепловой сети:
кДж
Определим тепловые потери в грунт для тепловой сети типа «труба в трубе» по формуле [4]:
кДж
Расход газа необходимого на догрев воды при использовании классической схемы тепловой сети, коэффициент полезного действия котлоагрегата принимаем 95%:
м3/с (5)
где Q – количество теплоты необходимое на догрев топлива в котельной, кДж; Qнр – низшая рабочая теплота сгорания используемого газа, кДж/м3; η – коэффициент полезного действия котлоагрегата.
Расхода газа необходимого на догрев воды при использовании тепловой сети типа «труба в трубе», определяется по формуле [20]:
м3/с
Определим разницу годового расхода денежных средств на топливо:
руб/год (6)
где Bгод1 – годовой расход газа при использовании классической тепловой схемы, м3/год; Bгод2 – годовой расход газа при использовании тепловой схемы типа «труба в трубе», м3/год; 4,241 – стоимость 1 м3 газа, рубль.
Определим денежную разницу тепловых потерь в окружающую среду:
руб (7)
где Qгр1 – тепловые потери в окружающую среду классической тепловой сети, кДж; Qгр2 – тепловые потери в окружающую среду тепловой сети типа «труба в трубе», кДж; 2,39 – переводной коэффициент.
По результатам проведенных расчётов экономической эффективности использования предлагаемой схемы оказывается, что применение данной тепловой сети приводит к уменьшению расхода газа на 67% и к годовой экономии денежных средств в размере 116,5 миллионов рублей, кроме того в этом случае уменьшаются теплопотери на 10% за один циркуляционный цикл горячей воды, что дополнительно приводит к экономии 29,8 миллиона рублей. Вместе с тем оказывается, что конструкция предлагаемой схемы, сложнее из за применения распорок на которых фиксируется подающая линия сети и возрастает перепад давления, что приводит к увеличению мощности на 23% и расходу электроэнергии (542 тысячи рублей).
Вместе с тем данная схема приводит к увеличению затрат вследствие разной цены применяемых труб обратных линий (для новой схемы используется труба большего диаметра и это приводит к дополнительным расходом металла на подпорки в размере 3,82 м3, что приводит к увеличение расходов на 221 миллион рублей и стоимости прокладки на 8 миллионов рублей).
Однако в результате снижения потребления газа и уменьшению тепловых потерь окупаемость тепловая сети функционирующей по принципу «труба в трубе» составляет менее двух лет и оказывается рентабельной.
Библиографический списокЛебедев, П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки / П.Д.Лебедев.-М.:Энергия,1972.-250с.
Кириллин, В.А. Техническая термодинамика / В.А. Кириллин, В.В. Сычёв, А.Е. Шейндлин.-М. :Энергоиздат,1983.-195с.
Теплотехника: учебник для вузов / под ред. В.Н. Луканина.-М.: «Высшая школа», 1999.-197с.
СНиП 2.04.07 – 86. Тепловые сети – М.: Госстрой, - 2001. – 48 с.
Конышев Е.К. Оценка эффективности теплотрассы типа «труба в трубе» по сравнению с классической теплотрассой/ Сб. материалов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Челябинск (20-22 апреля 2013 г.)