Работа №1 «Расчет технологических характеристик теплопроводов».

Цель работы: изучить систему теплоснабжения и конструкции теплопроводов, рассчитать коэффициенты тепловых потерь для различных теплопроводов, определить влияние физических свойств теплоизоляционных материалов на коэффициент тепловых потерь.

Содержание отчета: краткие теоретические сведения, раскрывающие тему в соответствии с целью, порядок и результаты расчетов, анализ расчетов и выводы.

1. Общие положения

1.1. Транспортирование тепловой энергии.

Основными потребителями тепловой энергии являются промышленные предприятия и жилищно-коммунальное хозяйство. Для производственных и коммунальных потребителей тепловая энергия требуется в виде пара (на­сыщенного или перегретого) либо горячей воды.

Системой теплоснабжения называется комплекс устройств по выра­ботке, транспортировке и использованию теплоты.

Снабжение тепловой энергией потребителей (систем отопления, венти­ляции, горячего водоснабжения и технологических процессов) состоит из трёх взаимосвязанных процессов: передачи теплоты теплоносителю, транс­портировки теплоносителя и использования теплового потенциала теплоно­сителя.

Системы теплоснабжения могут быть децентрализованными (мест­ными) и централизованными.

Децентрализованные системы теплоснабжения - это системы, в которых три основных звена объединены и находятся в одном или смежных помещениях. При этом получение теплоты и передача ее воздуху помещения объединены в одном устройстве и расположены в отапливаемых помещениях.

Централизованные системы теплоснабжения - это систе­мы, в которых от одного источника теплоты подается теплота для многих зданий, кварталов, районов.

Транспортирование тепловой энергии от источника до потребителей производится тепловыми сетями, суммарная длина которых в од­нотрубном исчислении в Республике Беларусь составляет свыше 10 тыс. км¹.

Основными элементами тепловых сетей являются:

- трубопровод, состоящий из стальных труб, соединенных между собой с помощью сварки;

- изоля­ционная конструкция, предназначенная для защиты трубопровода от наруж­ной коррозии и тепловых потерь,

- несущая конструкция, воспринимающая вес трубопровода и усилия, возникающие при его эксплуатации.

Наиболее ответственными элементами являются трубы, которые должны быть достаточно прочными и герметичными при максимальных давлениях и температурах теплоносителя, стойкими, с высоким термическим сопротивлением стенок, способствующим сохранению теплоты, неизменностью свойств материала при длительном воздействии высоких температур и давлений.

В настоящее время в системе холодного и горячего водоснабжения все больше применение находят пластмассовые трубы. Срок службы их составля­ет для холодного водоснабжения - 50, для горячего - 30 лет. Стальные трубы могут служить 7-15, чугунные - 15-20 лет. При этом трудоемкость монтажа пластмассовых труб в 2-3 раза ниже, чем стальных или чугунных. Они эла­стичны, устойчивы к коррозии, обладают высокими гидравлическими свойст­вами и не требуют ухода, сохраняя при этом необходимую чистоту².

Тепловая изоляция накладывается на трубопроводы для снижения потерь теплоты при транспортировке теплоносителя. Потери тепловой энергии в магистральных и квартальных эксплуатируемых теплосетях во многом оп­ределяются качеством изоляционных материалов, технологией их примене­ния и условиями эксплуатации трубопроводов

Широкое применение в качестве изоляционного материала для теплосе­тей имеют стекловата и минеральная вата в виде матов. Применяются они для утепления труб, на которые не передаются механические нагрузки (внутри помещений и в канальной прокладке). Для утепления труб или кон­струкций, подверженных вибрациям, применяют маты, усиленные металли­ческой сеткой. В местах, где возможно увлажнение, применяют исключи­тельно минеральную вату и дополнительную изоляцию в виде алюминиевой фольги, штукатурки по металлической сетке и т. д.

Температура на поверхности изоляционной конструкции не должна быть выше 60 °С. Толщина слоя изоляции определяется на основе расчетов.

На рис.1.1 показан элемент современного теплопровода, изготовляемого в заводских условиях, который включает водопроводную стальную трубу для транспортировки энергоносителя, тепловую изоляцию из пенополиуретана и защитный кожух из пластмассы.

Рис.1.1. Элементы предварительного изолированного теплопровода:

1–труба; 2–изоляция, 3–кожух.

Данные теплопроводы являются перспективными и прокладываются непосредственно в грунте, что сокращает затраты на их монтаж и эксплуатацию. Экономическая эффективность применения таких труб приведена в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Усредненная оценка стоимости прокладки 1 км (в у.е.) двухтрубной теплотрассы с различными видами теплоизоляции

Диаметр, мм	Вид теплоизоляции
	Минеральная вата (канал)	Армапенобетон (бесканально)	ПИ-трубы (бесканально)
89	95272	88181 (-7%)	78545(-18%)
159	145089	105300(-27%)	101400(-30%)
420	405089	244094(-40%)	228300(-44%)

В канальных трубопроводах каналы сооружаются из сборных железобе­тонных элементов. Основное достоинство проходных каналов заключается в возможности доступа к трубопроводу, его ревизии без вскрытия грунта.

Проходные каналы (коллекторы) сооружаются при наличии большого числа трубопроводов. Оборудуются другими подземными коммуникациями - электрокабелями, водопроводом, газопроводом, телефонными кабелями, вентиляцией, электроосвещением низкого напряжения.

Полупроходные каналы применяются при прокладке небольшого числа труб (2—4) в тех местах, где по условиям эксплуатации недопустимо вскрытие фунта, и при прокладке трубопроводов больших диаметров (800-1400 мм).

Изоляцию трубопроводов в проходных и полупроходных каналах произ­водят следующим образом: наружная поверхность покрывается антикорро­зионным слоем (эмаль, изол, бризол и т. д.), поверх основного накладывает­ся теплоизоляционный слой, затем асбоцементные футляры, закрепленные стальными бандажами на трубопроводе.

Непроходные каналы изготавливают из унифицированных железобетон­ных элементов. Они представляют собой корытообразный лоток с перекры­тием из сборных железобетонных плит. Наружная поверхность стен лотка покрывается рубероидом на битумной мастике. В качестве изоляции устраи­ваются сетки из проволоки. Сверху - антикоррозионный защитный слой, те­плоизоляционный слой (минеральная вата или пеностекло), защитное меха­ническое покрытие в виде металлической асбоцементной штукатурки. Из-за технического несовершенства в наших ТС потери тепловой энергии (ТЭ) по мере старения теплопроводов доходят до 25% (в т.ч. 3-5% с утечками теплоносителя через неплотности) от количества транспортируемой теплоты. Удельная повреждаемость на два порядка выше, чем у современных индустриальных конструкций теплопроводов, и не всегда можно её удержать на приемлемом уровне из-за ограниченности финансовых средств и слабой ремонтно-восстановительной базы предприятий ТС.

Средний срок службы традиционных подземных теплопроводов составляет 12-15 лет (а иногда и меньше) при расчёте на 25 лет.

Опыт проектирования и строительства ПИ-теплопроводов, накапливаемый в Беларуси с 1994г., создание своих заводов, выпускающих ПИ-трубы, присутствие на рынке зарубежных производителей и наличие нормативной и методической базы определяют в настоящее время возможность повсеместного применения ПИ-труб при прокладке новых теплотрасс и замене изношенных.

Действующие нормативные документы рекомендуют прокладывать ТС бесканально с использованием ПИ-теплопровода. Но этим не исключаются применяемость и конкурентоспособность других конструкций и технологий подземных и надземных ТС. Например, теплоизоляции из пенополиуретановых (ППУ) элементов.

Диаметр труб колеблется от 50 до 1400мм. Основную долю ТС составляют распределительные и квартальные сети диаметром 50-300мм.

Большая часть ТС эксплуатируется 15-25лет. Около 96% общей протяжённости ТС — сети с традиционной теплоизоляцией из минеральной ваты, ибо она применялась как основная до появления современных материалов (в частности, ППУ).

Однако она за долгий срок эксплуатации утратила нужные свойства (не соответствует требованиям, предъявляемым ныне к теплоизоляционным материалам ТС), а в ряде случаев изношена физически.

Минераловатной изоляции присущи следующие недостатки:

•сравнительно высокий коэффициент теплопроводности;

•фактические теплопотери могут превысить норматив уже через 7-12мес. с начала эксплуатации;

•высокая паровлагопроницаемость;

•за расчётный реновационный срок службы ТС (25лет) трубы из-за коррозийного износа приходится менять дважды;

•высокое значение плотности изоляции;

•трудозатраты при монтаже в 2-3 раза выше, а производительность в 3-4 раза ниже;

•сезонность проведения работ по устройству изоляции.

По укрупнённым оценкам, для обеспечения надёжной работы ТС, прослуживших более 15лет, необходимо в течение 10лет их обновлять, ежегодно перекладывая по 100-120 км.

Выбор наиболее предпочтительной конструкции такой теплоизоляции зависит от конкретных условий прокладки и эксплуатации.

Расчётный срок службы ППУ-изоляции ТС определяется Европейским стандартом EN 253 по времени её разрушения под воздействием рабочей температуры теплоносителя:

• при температуре до 120°С - 30лет;

• при температуре до 130°С - 9лет;

• при температуре до 150°С - 3-5лет.

Многолетние наблюдения с учётом климатического фактора (продолжительности стояния температур наружного воздуха) в Беларуси показывают: даже при проектном графике 150/70°С максимальная температура прямой сетевой воды не превышает 130°С (при среднегодовой 90-95°С).

Это значит, что во всех случаях теплофизические свойства ППУ-изоляции будут сохраняться на протяжении 30 лет.

Однако нельзя забывать про следующие недостатки ПИ-теплопровода, которые в определённых условиях делают более конкурентоспособными (цена, конструкция, технология прокладки) при бесканальной прокладке ТС другие конструкции заводского изготовления (например, теплопроводы в пенополимерминеральной и пенополимербетонной теплоизоляции) и даже традиционную канальную прокладку:

• покровный слой ПИ-теплопровода, выполненный из полиэтилена (ρ= 950 кг/м³), не может (в отличие от железобетонных каналов) играть роль несущей конструкции и защищать трубопровод от внешних нагрузок грунта и транспорта, что ужесточает требования к бесканальной прокладке;

• наружная полиэтиленовая труба - это паронепроницаемый покровный слой, который не позволяет влаге, проникшей в результате нарушения его целостности в процессе строительства и эксплуатации, испариться, из-за чего при наличии в составе ППУ коррозийно-активных веществ (изоцианата, огнезащитных добавок) процесс коррозии внутренней (металлической) трубы будет более активным.

Тем не менее, теплоизоляция фасонными изделиями из ППУ имеет существенные преимущества по сравнению с традиционными вариантами (минеральная вата, стекловолокно), поскольку позволяет:

• в несколько раз сократить трудозатраты при монтаже изоляции;

• производить монтаж в любое время года;

• обеспечить быстрый демонтаж фасонных изделий и доступ к повреждённым участкам трубопровода;

• использовать демонтированные фасонные изделия повторно;

• обеспечить расчётный срок эксплуатации до 30 лег

• значительно сократить эксплуатационные затраты.

Доля применения ППУ-изделий для реконструкции ТС, проложенных подземно, может составлять около 25% от их общей протяжённости, и в эту долю входят, главным образом, только магистральные ТС. Квартальные теплосети диаметром до 200 мм включительно должны как при новом строительстве, так и при реконструкции прокладываться бесканально с применением ПИ-труб.

Согласно расчётам, выполненным специалистами РУП «БелНИПИэнергопром», ППУ-теплоизоляция на каждом километре трубопровода диаметром 159 мм позволит сэкономить в год не менее 26000 Гкал или порядка 4500 т.у.т., что полностью оправдывает применение фасонных изделий из ППУ в ТС, отвечает всем требованиям, предъявляемым к инновационным проектам, и в наибольшей степени соответствует реальным условиям развития систем теплоснабжения на основе современных технологий и материалов в Республике Беларусь.