Расчет потерь теплоты в трубопроводахподземной прокладки

Полный текст

Снижение потерь теплоты при транспортировке теплоносителя по трубопроводам тепловых сетей является важной производственной проблемой. При подземной прокладке трубопроводы, покрытые тепловой изоляцией, укладываются в бетонные короба (рис. 1) [1]. Основными недостатками здесь являются большие потери теплоты, высокая стоимость, трудоемкость нанесения изоляционного покрытия, большой объем занимаемого пространства. Отметим, что нормативные потери теплоты в данном случае составляют 8-10 %. Однако в процессе многолетней эксплуатации происходит ухудшение качества тепловой изоляции, в связи с чем потери теплоты могут возрасти до 20 % и более. Поэтому весьма актуальной является проблема нахождения других способов подземной прокладки трубопроводов, отличающихся меньшими потерями теплоты, простотой конструкции и меньшейстоимостью. В настоящей работе выполнено исследование потерь теплоты в трубопроводах традиционной прокладки (см. рис. 1) и прокладки, в которой вместо бетонных коробов используются пенобетонные, но при отсутствии тепловой изоляции на поверхности трубы и при несколько увеличенной толщине пенобетона (рис. 2). Такой способ прокладки по сравнению с традиционным отличается простотой конструкции, относительной дешевизной (ввиду отсутствия необходимости применения тепловой изоляции и замены бетона пенобетоном), сравнительно меньшим весом применяемых материалов, простотой установки и обслуживания, а также меньшим объемом занимаемого пространства. Кроме того, как показали результаты приведенных ниже исследований, потери теплоты по сравнению с традиционным способом уменьшаются на 4 %, а если в углах конструкции проложить теплоизоляционный материал, то потери тепла снизятся на 52 %. Исходные данные для выполнения исследований были следующие: где - диаметр труб; - наружные размеры стенок бетонного канала; - наружные размеры стенок пенобетонного канала; - толщина слоя тепловой изоляции; - толщина металлической стенки трубы; - толщинабетонного канала; - толщинапенобетонного канала; - коэффициент теплопроводностистенки трубы; - коэффициент теплопроводности тепловой изоляции; - коэффициент теплопроводности стенки бетонного канала; - коэффициент теплопроводности стенки пенобетонного канала; - коэффициент теплопроводности грунта; - температура теплоносителя в трубе; - температура грунта. Количество теплоты, проходящей через поверхность цилиндрической стенки в стационарном режиме, находится по формуле [2-6] , , (1) где - коэффициент теплопроводности стенки трубы; - длина трубы, ; , - температуры внутренней и наружной поверхностей трубы, ; , - внутренний и наружный диаметры трубы, ; . Рис. 1. Схема подземной прокладки трубы с наружной изоляцией в бетонном коробе (в скобках приведены обозначения для пенобетонного короба): 1 - прямоугольный короб; 2 - металлическая стенка трубы; 3 - слой тепловой изоляции на поверхности трубы; 4 -слой воздуха; 5 - кронштейн крепления трубы в коробе Для удобства расчетов тепловой поток (1) относят либо к единице внутренней или наружной поверхности трубы, либо к единице ее длины. В частности, тепловой поток, отнесенный к единице длины трубы, будет , (2) где - линейная плотность теплового потока, ; - линейное термическое сопротивление цилиндрической стенки, . Линейная плотность тепловогопотока для многослойной конструкции, учитывающая коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей, запишется в виде , (3) где - число слоев; , - термическое сопротивление -го слоя, . Формула (3) для приведенных выше исходных данных будет , (4) где , . При изолированном трубопроводе, находящемся в бетонном канале(см. рис. 1), потери теплоты происходят на следующих последовательно соединенных сопротивлениях: , (5) где- термические сопротивления, соответственно: внутренней поверхности трубы, металлической стенки трубы, слоя изоляции, цилиндрической наружной поверхности трубы, внутренней поверхности бетонного или пенобетонного канала, стенки канала, грунта. Термическое сопротивление цилиндрической внутренней поверхности трубы определяется по формуле , (6) где , - коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности стенки трубы. Его величина зависит от скорости течения теплоносителя и находится в пределах от 500 до 1500. При таких значениях термическое сопротивление оказывается столь малым (менее 0,001), что им можно пренебречь. Формула для определения термического сопротивления металлической стенки трубы имеет вид , (7) где - внутренний диаметр трубы,м; - диаметр наружной поверхности стальной трубы (без учета тепловой изоляции), . С учетом приведенных выше исходных данных величина термического сопротивления стенки трубы составляет . Ввиду малости величиной этого сопротивления также можно пренебречь. Формула для определения термического сопротивления слоя изоляции по аналогии с (7) будет , (8) где - диаметр трубы со слоем изоляции, . Из формулы (8) получаем . Термическое сопротивление цилиндрической наружной поверхности стальной трубы определяется по формуле , (9) где , - коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности трубы; , - лучистая и конвективная составляющие коэффициента теплоотдачи. Лучистая и конвективная составляющие коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности трубы определяются по формулам [1] (10) , (11) где - коэффициент лучеиспускания; - температура наружной поверхности изоляции, ; - температура среды (воздуха), которая окружает трубопровод, находящийся в коробе. При значениях температур теплоносителя , не превышающих , величина лучистой составляющей коэффициента теплоотдачи не превышает . Величину конвективной составляющей коэффициента теплоотдачи для трубы, расположенной горизонтально, можно принять равной . Отсюда находим . Используя полученное значение , по формуле (9) находим ;в случае, когда труба без изоляции плотно покрыта слоем пенобетона, сопротивление наружной поверхности трубы будетнаходиться как . Формула для определения термического сопротивления внутренней поверхности короба имеет вид , (12) где - эквивалентный внутренний диаметр короба, ; - внутренний периметр короба, для внутренней поверхности короба можно принять равной . Используя формулу (12), находим: - для бетонного канала - для пенобетонного канала. Формула для определения термического сопротивления бетонного канала имеет вид , (13) где - эквивалентный внешний диаметр короба,м; - внешний периметр короба, м. Термическое сопротивление пенобетонного короба находится по формуле (13), где вместо используется. Значения и , определяемые из формулы (13), будут и . Тепловое сопротивление грунта определяется по формуле Форхгеймера [1] , (14) где - глубина погружения оси трубопровода под поверхностью земли. Из формулы (14) находим: - для бетонного канала (см. рис. 1) ; - для пенобетонного канала (см. рис. 2). С учетом того, что составляющей мы пренебрегаем ввиду ее малости, формула (5) применительно кбетонному каналу принимает вид . (15) Формула (5) применительно к пенобетонному каналу принимает вид . (16) Таким образом, суммарные сопротивления для бетонного и пенобетонного каналабудут равны соответственно и. Найдем потери теплоты для бетонного канала (см. рис. 1): . (17) Из формулы (17) получаем . Соответственно, для пенобетонного канала . (18) Отсюда. Таким образом, тепловые потери даже без применения изоляции на трубе по сравнению с исходной конструкцией снижаются на 4 %. Рассмотрим вариант конструкции пенобетонного канала, в котором вместо воздушного слоя 2 (см. рис. 1) используется изоляционный наполнитель (см. рис. 2). Так как наполнитель расположен в углах конструкции и труба в четырех точках касается слоя пенобетона, то можно принять толщину слоя изоляции как осредненную эквивалентную толщину цилиндрического слоя, равную45 мм. Эквивалентный диаметр конструкции будет , где - наружный периметр конструкции, представленной на рис. 3. Таким образом, конструкция, представленная на рис. 2, по термическому сопротивлению будет идентична конструкции, приведенной на рис. 3. Рис. 2. Схема подземной прокладки трубы с пенобетонной изоляцией квадратного сечения: 1 - прямоугольный пенобетонный короб; 2 - наполнитель (минеральная вата, ; 3 - металлическая стенка трубы Если пренебречь величиной термического сопротивления металлической стенки трубы , то потери тепла будут определяться по формуле (19) и составят . Таким образом, потери теплоты в пенобетонном коробе при использовании конструкции, приведенной на рис.3,на меньше, чем в бетонном (см. рис. 1). Рис. 3. Схема подземной прокладки трубы с наружной изоляцией из пенобетона: 1 - металлическая стенка трубы; 2 - слой изоляции на поверхности трубы (, ;3 - слой пенобетона («скорлупа»), , Выводы 1. Расчеты показали, что воздушная прослойка между трубами и коробамиввиду высокой интенсивности конвективного теплообмена и, как следствие, больших величин эквивалентных коэффициентов теплопроводности воздуха практически не влияет на потери теплоты в грунт.В связи с этим предлагается уменьшить габариты пенобетонного короба до размеров, сопоставимых с диаметром трубы, что приводит к значительному уменьшению габаритов конструкции и ее веса. Потери теплоты в этом случае уменьшаются на 4-5 % (при двукратном увеличении толщины стенки пенобетонного короба) по сравнению с бетонным (неизменной толщины). 2. Несмотря на увеличение толщины стенки, вес пенобетонного короба уменьшается вследствие уменьшения его общих габаритов, а также ввиду меньшего удельного веса пенобетона () по сравнению с бетоном (). Если пространство, заполненное воздухом, заменить слоем тепловой изоляции с , то при той же уменьшенной в размерах конструкции теплопотери уменьшатся на.

Об авторах

Анастасия Николаевна Бранфилева

Самарский государственный технический университет

(к.т.н.), ст.преподаватель кафедры «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Антон Владимирович Еремин

Самарский государственный технический университет

(к.т.н.), доцент кафедры «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Руслан Жамангараевич Габдушев

Самарский государственный технический университет

(к.т.н.), доцент кафедры «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Елизавета Михайловна Демкова

Самарский государственный технический университет

студент Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы