VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В современных условиях необходимым фактором эффективного функционирования промышленных предприятий, а также предприятий, снабжающих теплом различных потребителей, является рациональное использование тепловой энергии. Определяющая роль в снижении тепловых потерь при транспорте теплоносителя принадлежит тепловой изоляции. В связи с этим становится актуальной проблема расчета потерь теплоты при транспорте теплоносителя с учетом влияющих факторов.

На сегодняшний день определение потерь тепла при транспорте теплоносителя является важной задачей, как для самих производителей тепловой энергии, так и ее потребителей, так как получаемые результаты влияют на конечную величину тарифа за тепловую энергию.

Величина тепловых потерь при транспорте теплоносителя может стать решающим фактором при выборе структуры системы теплоснабжения с возможной ее децентрализацией, выбором температурного графика тепловой сети и пр.

Теплоизоляционные конструкции в зависимости от температурного режима эксплуатации и назначения подразделяются на следующие категории [3]:

1) конструкции для поверхностей с положительной температурой выше температуры окружающего воздуха (от 20°C и более);

2) конструкции для поверхностей с температурой ниже температуры окружающего воздуха (от 19°C и менее);

3) конструкции для поверхностей с переменным температурным режимом (от положительных температур к температурам ниже 19°C и отрицательным).

Существует множество вариантов изоляции трубопровода. Некоторые из них описаны ниже.

1) Утепление с применением обогревающего кабеля. Использование кабеля весьма удобно и продуктивно, если учитывать, что защищать трубопровод от замерзания нужно всего лишь полгода. В случае обогрева труб кабелем происходит значительная экономия сил и денежных средств, которые пришлось бы потратить на земельные работы, утеплительный материал и прочие моменты. Инструкция по эксплуатации допускает нахождение кабеля как снаружи труб, так и внутри них.

2) Утепление воздухом. Ошибка современных систем теплоизоляции заключается вот в чем: зачастую не учитывается то, что промерзание грунта происходит по принципу «сверху вниз». Навстречу же процессу промерзания стремится поток тепла, исходящий из глубины земли. Но так как утепление производят со всех сторон трубопровода, то необходимо также изолировать его и от восходящего тепла. Поэтому рациональнее монтировать утеплитель в виде зонтика над трубами. В таком случае воздушная прослойка будет являться своеобразным теплоаккумулятором.

3) «Труба в трубе». Здесь в трубах из полипропилена прокладываются еще одни трубы. К плюсам относится то, что трубопровод можно будет отогреть в любом случае. Кроме того, возможен обогрев при помощи устройства по всасыванию теплого воздуха. А в аварийных ситуациях можно быстро протянуть аварийный шланг, тем самым предотвратив все отрицательные моменты.

В практике проведения работ по изоляции неизолированных трубопроводов или замене изоляционного покрытия практически отсутствуют случаи определения оптимальной его толщины, что в итоге приводит к финансовым потерям [6]. В основном это связано с отсутствием соответствующих программ расчета у теплоснабжающих и теплопотребляющих предприятий и непониманием руководителей энергослужб предприятий важности данной работы [7]. В настоящее время при реконструкции тепловых сетей или прокладке новых, для определения нормативной толщины изоляции используются СНиП 41-03-2003 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» [2], а также СП 41-103-2000 «Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов» [1]. По нормативным значениям плотности теплового потока производится расчет соответственно нормативной толщины изоляции, которая зависит от коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала и его изменение в процессе эксплуатации, температуры теплоносителя, параметров окружающей среды (скорости ветра (при надземной прокладке), температуры окружающей среды), диаметра трубопровода, типа прокладки трубопроводов, а также срока эксплуатации трубопровода. Такой расчет позволяет не только уменьшить потери тепла, но и снизить саму температуру труб, с целью их безопасного использования.

В качестве примера рассмотрим необходимую толщину утеплителя для трубопровода горячего водоснабжения. Полное температурное сопротивление утеплительной конструкции для цилиндрической трубы находится по следующей формуле:

; (1)

где dиз – наружный диаметр утеплителя для трубы; dн – наружный диаметр трубы; λиз – коэффициент теплопроводности утеплителя; αв — коэффициент теплоотдачи от утеплителя к воздуху.

Линейная плотность потока тепла определяется по следующей формуле:

; (2)

где tн – температура наружной стенки трубы; tиз – температура поверхности утеплительного слоя.

Температура внутренней стенки утеплителя трубопровода рассчитывается по формуле:

; (3)

где dв – внутренний диаметр трубы; α_т – коэффициент отдачи тепла от жидкости к стенке; λт– коэффициент теплопроводности материала, из которого сделана труба.

Тепловой баланс определяется по формуле:

; (4)

С ее помощью определяется необходимый наружный диаметр утеплителя для трубы (dиз). Затем вычисляется расчет толщины теплоизоляции трубопроводов по формуле:

δ = d_из – d_н/2, м; (5)

Пример расчета.

Исходные данные:

наружный диаметр трубопровода – 0,63 м;

внутренний диаметр – 0,618 м;

температура наружной стенки трубопровода – 363 K;

температура наружной поверхности утеплителя – 293 K;

коэффициент теплопроводности стали – 50 Вт/(м·K);

коэффициент теплопроводности утеплителя – 0,028 Вт/(м·K).

Подставив значения величин в вышеупомянутые формулы, получаем необходимую толщину утеплителя для трубопровода – не менее 0,1 м.

Определение требуемой толщины тепловой изоляции, обеспечивающей нормативные потери тепла, не всегда является экономически обоснованным [8]. Наиболее целесообразно рассчитывать оптимальную толщину изоляционного покрытия для конкретных условий сегодняшнего дня с учетом оценки перспектив изменения основных влияющих факторов.

При заданной стоимости тепла и теплоизоляционного материала норма тепловых потерь, а, следовательно, и оптимальная толщина изоляционного слоя рассчитывается по минимуму приведенных затрат. Однако следует учесть, что при наличии возможности выбора типа и марки теплоизоляционных материалов экономически оптимальное техническое решение принимается на основе сопоставления минимальных приведенных затрат при использовании различных вариантов теплоизоляционных конструкций [9].

Рис. 1. Расчет оптимальной толщины теплоизоляционного слоя в зависимости от стоимости

тепловой энергии и теплоизоляционной конструкции: 1 – стоимость изоляции; 2 – стоимость тепла;

3 – суммарная стоимость

На рисунке 1 приведен график зависимости стоимости теплоизоляционной конструкции, стоимости тепловых потерь изолированного трубопровода и приведенных затрат на устройство тепловой изоляции от толщины теплоизоляционного слоя.

Существует оптимальная толщина утеплителя, которая зависит от его вида. При превышении данной толщины, утеплитель не дает дополнительного эффекта, а приводит только к напрасной трате денежных средств [4].

Расчет возможен для различных видов прокладки трубопроводов: надземной, подземной бесканальной и подземной канальной.

В качестве расчетной температуры окружающей среды принимается среднегодовая температура наружного воздуха при надземной прокладке и среднегодовая температура грунта на глубине заложения оси теплопровода при подземной прокладке по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология». За расчетную температуру теплоносителя принимается среднегодовая температура в зависимости от температурного графика тепловой сети.

Для потерь тепла через теплоизоляцию, не учитывая внешнее термическое
сопротивление, можно записать следующее выражение:

ΔW = S ·Δt·N·τ·λ·10^-3 / δ, (6)

где τ- годовое число часов работы теплоизоляции при температурном напоре Δt; S, t- площадь и толщина теплоизоляции; N- число лет в нормируемом сроке службы; λ- удельный коэффициент теплопроводности теплоизоляции.

Температурный напор Δt определяется как усредненное по площади и времени
значение, которое находится по результатам расчетов температурных режимов работы.

В свою очередь затраты на теплоизоляцию можно рассчитать по следующему
выражению:

С_ТИ = S ·δ·С_ут , (7)

где С_ут - стоимость единицы объема теплоизоляции с учетом влияния ее толщины на дополнительные затраты.

В результате минимизации суммарных затрат на теплоизоляцию и тепло от
источника можно получить следующее выражение для оптимальной
толщины теплоизоляции:

δ_опт = (10^-3 · С_у · τ · N · Δt · λ/С_уТ)^0,5, (8)

где C_у - специфическая стоимость тепла, получаемого от источника.

Выражение (8) только в первом приближении позволяет оценить оптимальную
толщину теплоизоляции, поскольку оно получено без учета изменения во времени
стоимости энергии источника тепла и финансовой ситуации.

Используя упрощенный вариант методики расчета,
можно получить следующее выражение для расчета оптимальной толщины
теплоизоляции:

δ_опт = (λ · N · Δt· τ / С_уТ) ^0,5, (9)

где Т_с - срок службы;
i - реальный процент прибыли; α - темп роста цен на энергию источника тепла.

Принятые при получении формулы (9) допущения следующие:

- условия работы неизменны в течение всего срока службы:

- стоимость энергии источника тепла возрастает во времени в
геометрической прогрессии с годовым темпом α.

В терминах дисконтного анализа выражение (9) получено при реальном проценте прибыли, определяемом
по формуле:

i = (n - b)/(1 + b) , (10)

где n - номинальное значение нормы экономической эффективности инвестиций;
b - индекс инфляции.

На определение оптимальной толщины теплоизоляции оказывает принадлежность источника теплоты и, соответственно, стоимость отпускаемой теплоты для потребителя. Если же источник тепла принадлежит данной организации, ведущей работы по замене тепловой изоляции трубопроводов различного назначения или проектированию новых тепловых сетей, расчеты проводятся с учетом стоимости сэкономленного топлива [5]. С учетом того, что топливная составляющая в себестоимости Гкал тепла находится в пределах 10-30%, принадлежность источника тепла может оказать большое влияние на выбор оптимальной толщины изоляции. Учет изменения финансовых потоков обуславливает снижение значения оптимальной толщины теплоизоляции.

Также большое влияние на величину оптимальной толщины теплоизоляции оказывает стоимость самой теплоизоляции. Интерес представляет сравнение толщин тепловой изоляции, рассчитанных по нормам СНиП, и определенных с использованием оптимизационных расчетов. На рисунке 2 представлена сравнительная характеристика толщин ППУ теплоизоляции для подземного бесканального способа прокладки.

Рис.2. Сравнение оптимальной и нормативной толщин теплоизоляции:1 – толщина теплоизоляции, определенная по СНиП; 2 – оптимальная толщина изоляции с учетом стоимости предизолированной трубы;

3 – оптимальная толщина теплоизоляции с учетом стоимости скорлупы ППУ.

Имея на руках все необходимые сведения можно подсчитать требуемую толщину утеплителя, а значит значительно сэкономить финансовые средства на решение проблем, связанных с неправильным подсчетом слоя теплоизоляционного материала.

Кроме того, можно сравнить количество нужного утеплителя разных типов, а значит подобрать оптимальный вариант утепления, исходя из особенностей материалов и их начальной стоимости.

В работе проанализирована упрощенная модель расчета теплоизоляционного слоя. Как видно из рисунка, оптимальная толщина тепловой изоляции не совпадает с толщиной изоляции, определенной по СНиП. Кроме того, она отличается для прямого и обратного трубопровода, так как зависит от температуры теплоносителя.

Показано, что при расчете по упрощенной модели, не учитывающей финансовые потоки, получаются завышенные значения толщины теплоизоляции.

Библиографический список

1. СП 41-103-2000. Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов.

2. СНиП 41-03-2003. Тепловая изоляция оборудования и теплопроводов.

3. СНиП 2.04.07-86. Тепловые сети.

4. Полуэктова, Т.Ю. Определение оптимальной толщины изоляции/ Т.Ю. Полуэктова, В.Г. Хромченков, Ю.В. Яворовский// Шестнадцатая Международная научно-техническая конференция «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тез.докл. В 3-х т. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. Т.3. С.489-490.

5. Волкова, Ю.В. Технологические схемы очистки дымовых газов от оксидов серы/ Ю.В. Волкова, Н.А. Петрикеева// Инженерные системы и сооружения. – Воронеж: ВГАСУ, 2012. – № 2. - С. 10-13.

6.Сотникова, О.А.Расчет экономической эффективности применения конденсационных теплообменных устройств теплогенерирующих установок/ О.А. Сотникова, Н.А. Петрикеева, // Известия высших учебных заведений. Серия «Строительство и архитектура». 2008. - Вып. № 1.- С. 113.

7. Петрикеева, Н.А. Математическая модель процессов конденсации водяных паров на теплообменных поверхностях/ Н.А. Петрикеева, В.С. Турбин, О.А. Сотникова// Известия Тульского государственного университета. Серия «Строительство, архитектура и реставрация». 2006. – Вып. № 10.- С. 159-163.

8. Петрикеева, Н.А. Экономически целесообразный уровень теплозащиты зданий при работе систем теплогазоснабжения и вентиляции / Н.А. Петрикеева, О.В. Тюленева, Н.Н. Кучеров// Инженерные системы и сооружения. – Воронеж: ВГАСУ, 2012. – Вып. № 1 (6). - С. 9-12.

9. Шойхет, Б. М. Региональные нормы по тепловой изоляции промышленного оборудования и трубопроводов/ Б.М. Шойхет, Е.Г. Овчаренко, А.С. Мелех // Энергосбережение. 2001. – Вып. №6. С.65-67.

Код для цитирования: Скопировать