В.Г. Хромченков, зав. лаб. Ю.В. Яворівський, к.т.н. доцент,
Т.Ю. Полуектова, аспірант,
кафедра «Промислові теплоенергетичні системи»,
Московський енергетичний інститут (технічний університет),
А.Ю. Самарін, ТОВ «ЕРКОН-технолоджі»
В сучасних умовах необхідним фактором економічно ефективного функціонування промислових підприємств, а також підприємств, що постачають теплом різних споживачів і в першу чергу ЖКГ, є раціональне використання теплової енергії. Визначальна роль в зниженні теплових втрат при транспорті теплоносія належить теплової ізоляції.
За наближеним оцінками підвищення теплозахисних властивостей теплоізоляційних конструкцій промислових споруд, обладнання та трубопроводів, систем централізованого теплопостачання та огороджувальних конструкцій будинків в змозі забезпечити економію енергоресурсів в обсязі понад 20 млн. Т у.п.
Від якості теплоізоляційної конструкції теплопроводу залежать значення теплових втрат і його довговічність, так як ця конструкція одночасно захищає зовнішню поверхню труби від корозії.
У зв'язку з цим стає актуальною проблема розрахунку втрат теплоти при транспорті теплоносія з урахуванням факторів, що впливають, а також визначення найбільш ефективної конструкції тепло і хладопроводов, яка забезпечує економічно обґрунтовані втрати тепла і холоду.
На сьогоднішній день визначення втрат тепла при транспорті теплоносія є важливим завданням, як для самих виробників теплової енергії, так і її споживачів, так як одержувані результати впливають на кінцеву величину тарифу на теплову енергію. Знання величини теплових втрат дозволяє також правильно вибирати потужності основного і допоміжного обладнання ЦТП і, в кінцевому рахунку, джерела теплової енергії.
Величина теплових втрат при транспорті теплоносія може стати вирішальним фактором при виборі структури системи теплопостачання з можливою її децентралізацією, вибором температурного графіка теплової мережі та ін.
В цілому, можна виділити кілька основних напрямків, коли потрібне проведення відповідних розрахунків теплових втрат при транспорті теплоносія:
1. Визначення нормативних теплових втрат, як з поверхні ізоляції трубопроводу, так і з нормативними витоками теплоносія. Це тим більш важливо в даний час у зв'язку з вимогою (наказом) Міністерства енергетики [1] про проведення таких розрахунків всіма теплопостачальними організаціями, що відпускають теплову енергію населенню. Нормативні втрати тепла безпосередньо враховують основні впливають фактори: довжину трубопроводу, його діаметр і температури теплоносія та навколишнього середовища. Чи не враховують тільки фактичний стан ізоляції трубопроводів. Нормативні теплові втрати повинні розраховуватися для всієї ТЗ з визначенням втрат тепла з витоками теплоносія і з поверхні ізоляції всіх трубопроводів, по яких здійснюється теплопостачання від наявного джерела тепла. Причому ці розрахунки повинні виконуватися як в плановому (розрахунковому) варіанті з урахуванням середньостатистичних даних по температурі зовнішнього повітря, грунту, тривалості опалювального періоду і т.д. так і уточнюватися в кінці його за фактичними даними зазначених параметрів, в тому числі з урахуванням фактичних температур теплоносія в прямому і зворотному трубопроводі.
2. Визначення теплових втрат і втрат холоду (при транспорті холодоагенту), з поверхні трубопроводу до і після нанесення теплової ізоляції, з визначенням економічної ефективності робіт по ізоляції трубопроводів і термінів окупності. Дані розрахунки часто проводяться при енергетичному обстеженні підприємств.
3. Визначення оптимальної товщини ізоляційного покриття з урахуванням енергетичних та економічних показників для відомих способів прокладки трубопроводів. У практиці проведення робіт по ізоляції неізольованих трубопроводів або заміні ізоляційного покриття практично відсутні випадки визначення оптимальної його товщини перед закупівлею теплової ізоляції, що в підсумку призводить до фінансових втрат. В основному це пов'язано з відсутністю відповідних програм розрахунку у теплопостачальних і теплопотребляющіх підприємств і нерозумінням керівників енергослужби підприємств важливості даної роботи.
4. Визначення товщини теплової ізоляції даного типу з урахуванням всіх факторів, що впливають для забезпечення вимог СНиП. Ці розрахунки також на практиці практично не проводяться з підстав, зазначених у попередньому пункті.
Як приклад зупинимося на останніх двох завданнях, як найбільш складних і цікавих для практичного застосування.
Як приклад наведена залежність нормативної товщини ізоляції від температури теплоносія при надземному способі прокладки трубопроводів для зовнішнього діаметра труби 57 мм.
Малюнок 1 - Нормативна товщина ізоляції трубопроводу
На жаль, зазвичай необхідна товщина теплоізоляції взагалі не розраховується, це характерно як для промислових підприємств, так і МУП ЖКГ.
Вимоги СНиП для теплової ізоляції оновлюються не так часто. Починаючи з 1959 року було розроблено тільки 4 нормативні документи, що регламентують нормативи теплових втрат теплоізольованих трубопроводів. Очевидно, що СНиП враховує лише загальні тенденції до посилення вимог до втрат тепла при транспорті теплоносія. При цьому складно врахувати вплив всіх факторів, особливо економічних для всього переліку діаметрів трубопроводів, тому визначення необхідної товщини теплової ізоляції, що забезпечує нормативні втрати тепла, не завжди є економічно обґрунтованим. Найбільш правильно на наш погляд розраховувати оптимальну товщину ізоляційного покриття для конкретних умов сьогоднішнього дня з урахуванням оцінки перспектив зміни основних факторів, що впливають [4], [5].
Критерієм оптимізації є мінімум суми витрат на покупку матеріалу теплової ізоляції і покривного матеріалу, які ростуть зі збільшенням товщини ізоляції, і витрат на теплові втрати, які, відповідно, зменшуються з ростом товщини ізоляції (див. Рисунок 2).
Малюнок 2 - Принцип оптимізації товщини ізоляції
Для практичних розрахунків реалізована комп'ютерна програма, яка дозволяє визначити оптимальну товщину теплоізоляції для конкретних умов роботи трубопроводу. Розрахунок можливий для різних видів прокладки трубопроводів: надземної, підземної безканальної і підземної канальної. У кожному разі слід дотримуватися відповідних типу прокладки формули для розрахунку процесу теплообміну [6]. У програмі враховано можливу зміну тарифу на теплоту протягом періоду експлуатації, а також погіршення теплоізоляційних властивостей теплової ізоляції.
В якості розрахункової температури навколишнього середовища приймається середньорічна температура зовнішнього повітря при надземному прокладанні по БНіП "Будівельна кліматологія» [7] і середньорічна температура грунту на глибині залягання осі теплопроводу при підземному прокладанні. За розрахункову температуру теплоносія приймається середньорічна температура в залежності від температурного графіка теплової мережі.
Зовнішній вигляд вікна введення даних наведено на малюнку 3 - для надземної прокладки, на малюнку 4 - підземної канальної і безканальної.
Малюнок 3 - Зовнішній вигляд вікна введення даних для надземної прокладки
Малюнок 4 - Зовнішній вигляд вікна введення даних для підземної прокладки
Розрахунки показали, що на величину оптимальної товщини теплоізоляції впливають такі фактори, як температура теплоносія, діаметр трубопроводу, коефіцієнт теплопровідності теплоізоляційного матеріалу і його зміна в процесі експлуатації, швидкість вітру (при надземному прокладанні), температура навколишнього середовища, а також термін експлуатації трубопроводу. Зміна теплофізичних властивостей теплоізоляції (в бік збільшення коефіцієнта теплопровідності) характеризується константою працездатності матеріалу [8].
Виключно великий вплив на визначення оптимальної товщини теплової ізоляції надає приналежність джерела теплоти і, відповідно, вартість відпускається теплоти для споживача. У разі стороннього джерела величина економії розраховується з урахуванням вартості одиниці тепла. Якщо ж джерело тепла належить даної організації, що виконує роботи по заміні теплової ізоляції трубопроводів різного призначення або проектування нових теплових мереж, розрахунки проводяться з урахуванням вартості зекономленого палива. З урахуванням того, що паливна складова в собівартості Гкал тепла знаходиться в межах 10-30%, приналежність джерела тепла може дуже вплинути на вибір оптимальної товщини ізоляції.
Як приклад на малюнку 5 представлена залежність оптимальної товщини ізоляції від температури теплоносія для різних матеріалів при надземному прокладанні трубопроводу.
Малюнок 5 - Залежність оптимальної товщини ізоляції від
температури теплоносія (надземна прокладка)
Вихідні дані для розрахунку:
- зовнішній діаметр трубопроводу: 219 мм;
- матеріал теплоізоляції: пінополіуретан; пенокаучук К-флекс; мінеральна вата;
- кліматичні дані для м Москви;
- використана в розрахунках вартість ізоляції відповідно: 18500 руб / м 3; 60000 руб / м 3; 4000 руб / м 3;
- вартість покривного матеріалу: 300 руб / м 2;
- число годин використання трубопроводу в рік: 8000 год;
- термін експлуатації відповідно: 25 років; 25 років; 10 років;
- вартість теплової енергії: 250 руб / ГДж;
- коефіцієнт подорожчання теплоти: 1,05;
- константа працездатності: пінополіуретан 0,007; пенокаучук К-флекс 0,0065;
мінеральна вата 0,018;
- теплопостачання від власного джерела.
Як видно з малюнка, зі збільшенням температури теплоносія і коефіцієнта теплопровідності ізоляційного матеріалу, оптимальна товщина теплової ізоляції збільшується.
Також великий вплив на величину оптимальної товщини теплоізоляції надають вихідні умови розв'язуваної задачі, а саме вартість теплоізоляції. Так, наприклад, вартість попередньоізольовані труб в пінополіуретанової теплоізоляції буде істотно відрізнятися від вартості шкаралуп ППУ. Таким чином, буде відрізнятися і оптимальна товщина теплоізоляції. Інтерес представляє порівняння товщини теплової ізоляції, розрахованих за нормами СНиП та визначені з використанням оптимізаційних розрахунків. На малюнку 6 представлені результати розрахунків товщини ППУ теплоізоляції для підземної безканальної способу прокладки.
Малюнок 6 - Порівняння оптимальної і нормативної товщини теплоізоляції
1 - товщина теплоізоляції, визначена за СНиП; 2 - оптимальна товщина ізоляції з урахуванням вартості попередньоізольовані труби; 3 - оптимальна товщина теплоізоляції з урахуванням вартості шкаралупи ППУ.
- зовнішній діаметр трубопроводу: 219 мм;
- матеріал теплоізоляції: пінополіуретан;
- теплопровідність грунту # 955; гр = 1,36 Вт / м # 8729; К;
-глибина прокладки осі теплотраси 1,5 м;
- температурний графік 65/50 ° С;
-відстань між трубами 1 м;
-вартість теплоізоляції з урахуванням вартості труби: 50000 руб / м 3;
-вартість покриття ізоляції: 300 руб / м 2;
-вартість шкаралупи ППУ: 18500 руб / м 3;
-число годин використання трубопроводу в рік: 8000 год;
-термін експлуатації: 20 років;
-вартість теплової енергії: 250 руб / ГДж;
-коефіцієнт подорожчання теплоти: 1,05;
- константа працездатності: 0,000165;
-теплопостачання від стороннього джерела.
Як видно з малюнка, оптимальна товщина теплової ізоляції не збігається з товщиною ізоляції, визначеної за СНіП. Крім того, вона відрізняється для прямого і зворотного трубопроводу, тому що залежить від температури теплоносія.
Програма дозволяє визначити не тільки оптимальну товщину ізоляції, але і нормативну, а також визначити теплові втрати, як з ізольованих, так і неізольованих трубопроводів. Також програма дозволяє визначити деякі економічні параметри, такі як термін окупності ізоляційної конструкції, а також чистий дисконтований дохід, що відображає економічну ефективність реалізованого проекту.
Застосування розробленої програми з визначення оптимальної товщини ізоляції є простим і швидко окупаються заходом, спрямованим на економію теплової енергії та реалізацію програми з енергозбереження.
7. СНиП 23-01-99. Будівельна кліматологія.