На правах рукописи НАЛОБИН Никита Владимирович ОПТИМИЗАЦИЯ ТОЛЩИНЫ ПЕНОПОЛИУРЕТАНОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

На правах рукописи
НАЛОБИН Никита Владимирович
ОПТИМИЗАЦИЯ ТОЛЩИНЫ ПЕНОПОЛИУРЕТАНОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
ТЕПЛОПРОВОДОВ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
ОБЪЕКТОВ НА СЕВЕРЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Специальность 05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция,
кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2007
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» (ТюмГАСУ)
Научный руководитель
доктор технических наук,
член-корр. РААСН, профессор
Шаповал Анатолий Филиппович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Дыскин Лев Матвеевич
кандидат технических наук
Ионычев Евгений Геннадьевич
Ведущая организация
Томский государственный архитектурностроительный университет
Защита состоится «22» мая 2007 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.162.02 при ГОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д. 65, корпус 5, аудитория 202.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан «18» апреля 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент
М.О. Жакевич
1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Эффективное и надежное теплоснабжение в регионах с суровыми климатическими условиями является одним из главных факторов, определяющих комфортность жизнедеятельности населения, развитие экономики и промышленности. Новые экономические условия, сложившиеся в последнее время, диктуют новый подход к оценке эффективности теплосберегающих мероприятий, что, в свою очередь, требует дальнейшего развития научно-методической базы для расчета всех затрат, связанных с теплосбережением
многих объектов, в том числе и теплопроводов.
Цель исследования: научное обоснование и разработка методики оптимизации толщины пенополиуретановой ППУ-изоляции теплопроводов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка расчетной тепловой модели по определению оптимальной толщины
ППУ-изоляции теплопровода; разработка алгоритмов численного расчета уравнений полученной модели и их программная реализация; численное моделирование теплообмена теплопровода в ППУ-изоляции при наземной и подземной
прокладке; определение оптимальной толщины ППУ-изоляции с помощью целевой функции для решения вопросов энергосбережения и экологических проблем.
Достоверность и обоснованность: основные положения и выводы работы обоснованы теоретическими решениями, полученными с использованием
методов математического анализа на основе известных физических законов
теплопередачи. Математические модели и целевая функция также должным образом теоретически обоснованы, а полученные результаты сопоставлялись с
известными результатами теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна исследования заключается в том, что на основе введенной целевой функции и закономерностей теплообмена как наземного, так и
подземного теплопровода предложена и теоретически обоснована математическая модель для определения оптимальной толщины теплоизоляции; разработан и доведен до программного алгоритма метод определения оптимальной
толщины теплоизоляции, позволяющий реализовать минимальное значение целевой функции для указанных теплопроводов.
Практическая значимость. Разработана инженерная методика расчета
теплопотерь теплопроводов, проложенных в регионе с суровыми климатическими условиями. Разработаны и предложены региональные нормативы удельных тепловых потерь теплопроводов с ППУ-изоляцией, позволившие уменьшить эти потери на 12÷20%.
Реализация и внедрение результатов. Результаты работы внедрены в
практику производственных и проектных организаций, а также используются
преподавателями кафедр «Теплоснабжение и вентиляция» и «Промышленная
теплоэнергетика» в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании. Результаты исследования, полученные автором, внедрены в производ-
2
ство по монтажу трубопроводов в ППУ-изоляции в «Газпромэнерго» г. Н.Уренгоя и в ЗАО «Сибпромкомплект» г. Тюмени с экономическим эффектом в
540 тыс. рублей в год. Сведения о внедрении результатов приведены в диссертации.
На защиту выносятся:
● разработанная на основе теории теплообмена методика оптимизации
толщины теплоизоляции наземного теплопровода, соответствующей минимуму
предложенной целевой функции;
● методика поэтапного определения оптимальной толщины изоляции с
учетом климатических условий региона и характеристик наземного теплопровода;
● нахождение оптимальной толщины изоляции подземного теплопровода
с учетом глубины его заложения и климатических условий региона.
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены
автором и обсуждены на международных научно-практических конференциях
ПензГАСА (Пенза, 2000, 2002); научно-практической конференции ТюмГАСА,
РААСН (Москва, 2002); третьем Всероссийском совещании ТГАСУ (Томск,
2002); четвертой Российской научно-технической конференции УЛГТУ (Ульяновск, 2003); международной научно-технической конференции УГТУ-УПИ
(Екатеринбург, 2003); второй Всероссийской научно-практической конференции СГТУ (Самара, 2004); научных конференциях преподавателей, молодых
ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСА (Тюмень, 2000, 2003, 2004, 2005,
2006). Результаты работы докладывались на кафедре ТГВ в ТюмГАСУ (г. Тюмень) и на кафедре «Теплогазоснабжение» ТГАСУ (г. Томск).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 7 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 177 наименований
и содержит 102 страницы текста, включающего 20 таблиц и 24 иллюстрации, а
также приложения на 41 странице.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,
сформулированы цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, даны характеристики научной новизны, практической значимости и апробации научных результатов, а также структура и общее описание работы.
В первой главе приводится анализ современного состояния энергосбережения в теплопроводах с учетом природно-климатических условий региона
строительства объектов на севере Западной Сибири. Рассмотрены возможные
направления энергосбережения в системах теплоснабжения. Проведен анализ
3
существующих конструкций теплопроводов, методов строительства систем
жизнеобеспечения, и сделан вывод, что в сложных инженерногеокриологических условиях ранее применяемые при строительстве инженерных сетей традиционные технологии и материалы являются дорогостоящими и
малонадежными.
В настоящее время разрабатываются различные мероприятия, способствующие энергосбережению и повышению надежного теплоснабжения объектов. Накопившиеся за многие годы проблемы по данному вопросу отрицательно сказываются на нормальном функционировании не только жилищнокоммунального комплекса, но и топливно-энергетического комплекса (ТЭК)
страны. Вопросам повышения эффективности и надежности эксплуатации систем теплоснабжения посвящены работы многих специалистов: Басина А.С.,
Бодрова В.И., Бродянского В.М., Витальева В.П., Даниэляна Ю.С., Додина В.З.,
Зингера Н.М., Ионина А.А., Копьева С.Ф., Костина В.И., Лебедева В.М., Моисеева Б.В., Порхаева Г.В., Сафонова А.П., Соколова Е.Я., Умеркина Г.Х., Чистовича С.А., Шаповала А.Ф., Шарапова В.И. и др. А также ряд иностранных
исследователей, которые приведены в диссертации. Однако ряд вопросов по
оптимизации толщины ППУ-изоляции теплопроводов требует своего дальнейшего развития и исследования. Проведенный анализ теоретических и экспериментальных исследований систем теплоснабжения показал необходимость и
актуальность дальнейшей разработки этой проблемы. Новые условия хозяйствования выдвигают в ряд первоочередных задач разработку методов эффективного использования энергии и топливно-энергетических ресурсов в системах теплоснабжения, которые явились основой проводимых исследований. На
практике часты случаи непозволительно высоких теплопотерь, превышающих
нормативные значения в 2-4 раза. При анализе структурного теплового баланса централизованного теплоснабжения выявлен размер различных потерь
теплоты и определены мероприятия, способствующие энергосбережению в системах теплоснабжения за счет оптимизации толщины ППУ-изоляции теплопроводов.
Во второй главе на основе анализа существующих методов тепловых
расчетов теплопроводов установлено, что при расчете тепловых сетей толщину
тепловой изоляции определяют по нормам удельных тепловых потерь, приводимых в справочной и нормативной литературе, которые имеет различные по
величине значения. Существующие справочные нормативы теплопотерь приводятся для устаревшей конструкции теплопроводов с изоляцией из минеральной
ваты. Согласно СНиП 41-03-2003 нормы удельных тепловых потерь теплопроводами при минераловатной изоляции составляют от 44 до 169 Вт/м для трубопроводов соответственно диаметром от 50 мм до 800 мм и при среднегодовой
температуре теплоносителя 65 ○С.
Для сравнения теплопотерь теплопроводами с минераловатной и пенополиуретановой изоляцией по существующей методике автором были выполнены
4
расчеты и построены графики тепловых потерь (рис. 1 и 2). Расчеты проводились для наземной и подземной прокладки теплопроводов. Величина нормативных теплопотерь, определенных по СНиП, значительно выше полученных
автором расчетных значений для трубопроводов с ППУ-изоляцией.
ql, Вт/м
200
Рис. 1. Зависимость тепловых потерь
от диаметра теплопровода при наземной
прокладке:
1 – нормативные потери теплоты при изоляции
минватой;
2 – расчетные потери теплоты теплопроводами
в ППУ-изоляции
180
160
1
140
120
100
80
60
40
2
20
0
100
200
300
400
500
600
700
800
d, мм
ql, Вт/м
200
180
160
Рис. 2. Зависимость тепловых потерь
от диаметра теплопровода при подземной
бесканальной прокладке:
1 – нормативные потери теплоты;
2 – расчетные потери теплоты теплопроводами
в ППУ-изоляции
1
140
120
100
80
60
40
2
20
0
100
200
300
400
500
600
700
800
d, мм
Исследования были проведены при следующих условиях: условный диаметр теплопроводов (подающий и обратный) принимался от Ø 50 до Ø 1000 мм
для 14 вариантов с различной толщиной изоляции от δ из = 34 до δиз = 110 мм;
коэффициенты теплопроводности принимались из справочной литературы:
стальной стенки (трубы) – λтр = 50 Вт/(м∙К); ППУ-изоляции –
λ изППУ = 0,036 Вт/(м∙К); минеральной ваты – λ миз.в. = 0,07 Вт/(м∙К); коэффициент
теплоотдачи от теплоносителя к стальной стенке определялся по существующей методике, который изменялся в пределах от αвн = 2500 до
5200 Вт/(м2∙К) и соответственно термическое сопротивление – Rвн = 0,001 до
0,00012 (м∙К)/Вт; термическое сопротивление стальной стенки теплопровода –
Rст = 0,0004-0,0001 (м∙К)/Вт; термическое сопротивление слоя ППУ-изоляции –
R изППУ = 3,47-0,86 (м∙К)/Вт. Термическое сопротивление теплоотдачи от теплоно-
5
сителя к трубопроводу и термическое сопротивление стенки стального трубопровода весьма малы по сравнению с термическим сопротивлением изоляции,
поэтому в практических расчетах ими можно пренебречь. R изППУ  (R вн  R ст ) от
2000 до 4000 раз.
В результате получено, что R изППУ  R миз.в. в 3 раза больше, чем изоляции из
минеральной ваты. Исследования показали, что удельные тепловые потери теплопровода с тепловой изоляцией из минеральной ваты в 4 раза больше, чем с
тепловой изоляции из ППУ, т.е. q мl .в.  q lППУ .
При увеличении влажности минераловатной изоляции от 20% до 60%
теплопотери трубопроводов возрастают до 300 Вт/м. Следовательно, установленные нормы тепловых потерь не позволяют в полной мере реализовать имеющиеся резервы энергосбережения в системе теплоснабжения. Согласно федеральному закону об энергосбережении необходимо уменьшить нормы тепловых
потерь трубопроводами тепловых сетей в 1,2-1,5 раза. В настоящее время находят широкое применение трубопроводы с ППУ-изоляцией, которые позволяют
сократить потери теплоты в 2-3 раза по сравнению с нормативными, что, в
свою очередь, позволит решить вопросы энергосбережения.
Третья глава посвящена численному эксперименту теплового взаимодействия теплопроводов в ППУ-изоляции с окружающей средой и методике
определения толщины изоляции теплопровода, основанной на оптимизации
стоимостной целевой функции. Автор применительно к теплопроводам использовал экономико-математический метод, предложенный Богуславским Л.Д. По
переменным составляющим, т.е. статей расходов, составлялось расчетное уравнение (целевая функция):
Построение целевой функции приведено на рис. 3.
Ф = Ф0 + Ф1,
(1)
где Ф0 = Ф '0 + Физ – капитальные затраты на 1 м теплопровода, руб/м; Физ – затраты на изоляцию; Ф '0 – прочие капитальные затраты; Ф1 = Ф 1' + Фт – эксплуатационные затраты на 1 м теплопровода, руб/м; Фт – стоимость потерянной теплоты от трубопровода; Ф 1' – прочие эксплуатационные расходы.
Затраты на изоляцию и стоимость потерянной теплоты от теплопроводов
находятся из следующих уравнений:

2
Физ = [(d 2  2 из ) 2  d2 ] ∙ Циз
(2)
4
tж  tн
 T  Цт
Фт = ql ∙ T ∙ Цт =
(3)
d 2  2 из
1
 ln
2 из
d2
где Циз – цена изоляции, руб/м3; Цт – цена тепловой энергии, руб/Дж; Т – срок
окупаемости, год (принимается согласно региона строительства);
6

tж  tн
ql =
– линейный тепловой поток, Вт/м.
d 2  2 из
1
 ln
2 из
d2
Схема построения целевой функции приведена на рис. 3.
(4)
Ф, руб/м
Фmin
Ф0
капитальные
затраты
Ф1
эксплуатационные затраты
'
Ф0
δиз, м
δизопт
0
Рис. 3. Схема целевой функции
Тепловые потери от теплопровода при наземной прокладки определяются
согласно расчетной модели рис. 4 и существующей методике из теплопередачи.
Наружный
воздух
Оцинкованный лист (λ3)
d2
αН, tН
Изоляция ППУ (λ2)
ql 
tж  tн
 k l t ж  t н 
R B  R СТ  R ИЗ  R Н
Rв 
αВ, tЖ
Теплоноситель
d1
ql
Стальная труба (λ1)
(5)
1
 термическое
d 1  вн сопротивление на
внутренней поверхности трубы, (м ∙ К)/Вт. (6)
d
1
ln 2  термическое
2 ст d 1 сопротивление стенки
трубы, (м ∙ К)/Вт.
(7)
d  2 из
1
R из 
ln 2
 термическое
2 из
d2
R ст 
сопротивление изоляции, (м ∙ К)/Вт. (8)
Рис. 4. Расчетная модель теплопровода
наземной прокладки
7
1
(9)
 термическое сопротивление от изоляции, (м ∙ К)/Вт.
(d 2  2 из ) н
d2, d1 – наружный и внутренний диаметры трубопровода, м.
Термические сопротивления Rв, Rст и Rн весьма малы по сравнению с
термическим сопротивлением изоляции, поэтому в практических расчетах ими
можно пренебречь. Тепловые потери теплопровода – ql входящие в уравнение
(3) можно определить по уравнению (10):

_
tж  tн
ql 
 k l  t ж  t н  , Вт/м
(10)
d 2  2 из
1


 ln
2 из
d2
Rн 
где kl – линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м∙К).
Поэтапная оптимизация целевой функции
(алгоритм нахождения оптимальной толщины теплоизоляции)
Q (l1)
tн, αн
δиз, λиз
G, C, tж '
l1
tж (l1); l2
tж (x)
0
d1
X
X
L
Q (l1) = [t 'ж - tж(l1)]∙G∙C
Рис. 5. Схема нахождения оптимальной толщины теплоизоляции
1. Так как температура теплоносителя изменяется по длине теплопровода, то
выбирается длина l1, и определяются затраты на этом участке:
~
Ф(l1 )  (Ф '0
 Ф1' )  l1
_
l

2
'
 (4из  d 2  4из )  Ц из  l1  (t ж  t н )[1  exp( 1 )]  G  C  Ц т  Т .
4
l хар
~
2. Условие минимума целевой функции Ф (l1)
~
dФ
0
d из
 из   опт
из (l1 ) .
3. Определяется температура теплоносителя при x = l1


( l1 ) 
l1
G  C  d 2  2 опт
'
из
l хар (l1 ) 
ln 
;
t
(
l
)

(
t

t
)
exp(

)

t
н
н .
ж
 ж 1
l хар (l1 )
2 из 
d2

(11)
(12)
8
4. Переносим начало координат в точку x = l1, выбираем участок длины l2 и повторяем предыдущие операции.
5. Выбор значений l1, l2 … определяется заданной точностью вычислений (в работе основные расчеты выполнены для l1=l2 ...=1 м).
В табл. 1 приведены значения, полученные автором при следующих расчетных данных:
Dн = 0,159 м; C = 4250 Дж/(кг ∙ К); L = 10 км; G = 13 кг/c; λиз = 0,036 Вт/(м ∙ К);
tн (τ) = - 30 ○C (Н-Уренгой, январь).
Таблица 1
t 'i ,
t ' 'i ,
l i,
li, хар,
Ф1i,
 i , из,
○
○
км
км
млн. руб
мм
С
С
2,0
46,6
113,3
115
112,5
1,52
2,0
46,3
112,63
112,5
110
1,51
2,0
45,9
111,9
110
107,5
1,49
2,0
45,6
111,3
107,5
105,1
1,48
2,0
45,2
110,4
105,1
102,6
1,46
ΣФ1i = 7,46
Для выяснения «остроты» - минимума по предложенной методике вычисляли значения Ф1(L) для l1 = L при минимальном и максимальном значеmin
max
ниях  i,из :  из = 45,2; Ф1 (L1) = 7,3 млн. руб;  из = 46,6; Ф2 (L1) = 7,6 млн. руб. На
рис. 6 приводится график зависимости целевой функции от толщины изоляции.
Рис. 6. График зависимости целевой функции
от толщины изоляции
Циз = 1e4 p/м3;
Цт = 7e8 p/Дж;
λиз = 0,036 Вт/(м∙К);
G = 13,9 кг/c;
tвх = 115 ○С; tср = - 30 ○C;
d1 = 150 мм.
Шаг в мм.
Анализ полученных значений целевой функции показывает, что минимум
целевой функции является достаточно пологим, что обеспечивает свободу в
выборе толщины изоляции. Проведенные исследования позволяют аналитически обосновать определение оптимальной толщины изоляции теплопроводов
при наземной прокладке и решить вопросы энергосбережения. Результаты исследования автора опубликованы в статьях и приводятся в приложении к диссертации. Изоляция из пенополиуретана с коэффициентом теплопроводности
9
λ = 0,036 Вт/(м∙○С) обеспечивает соблюдение действующих нормативов на тепловую изоляцию теплотрасс при толщине слоя пенополиуретана 40 мм. При
этом стоимость изоляции из пенополиуретана на 1 п.м. трубопровода по сравнению с теплоизоляцией из минеральной ваты сокращается до 30 процентов.
Для определения оптимальной толщины изоляции при подземной бесканальной прокладке теплопровода составлялась целевая функция, в состав которой включалась стоимость капитальных затрат плюс стоимость потерь теплоты
в процессе эксплуатации в зависимости от толщины изоляции при заданной
глубине заложения:
t  t min
,
(13)
(L, )   0  Ц из L из (2r1   из )  Tокуп LЦ т ж
R1  R 2
r 
1
2h
1
ln
где R 1 
, R2 
ln 1 из .
2 гр r 1   из
2 из
r1
Используя явные выражения для термического сопротивления, найдем
1
2h  r 1  из 
R1  R 2 
ln{(
) (
) } или
2
r 1  из
r1
1
1
гр
из
1
1

R1  R 2 
ln[( r 1  из )
2

из
1
 гр
1
 гр
(2h ) (r1 )

1
 из
].
(14)
Для определения минимума этой функции необходимо обращение в ноль
d
производной по толщине изоляции, то есть
 0.
d из
Выражение для производной имеет следующий вид:
d
1
1
1
1
1
 Ц из L(2r1   из )  Ц из L из  Tокуп LЦ т ( t ж  t min )
(

)
2
d из
(R 1  R 2 )
2 гр r 1  из 2 из r 1  из
Или
Tокуп LЦ т ( t ж  t min )
 гр   из
d
1
 2Ц из L(r1   из ) 
(
).
d из
2(r 1  из )
(R 1  R 2 ) 2  гр  из
(15)
После небольшого упрощения получим:
Tокуп LЦ т ( t ж  t min )
 гр   из
1
2Ц из L(r1   из ) 
(
)  0;
2(r 1  из )
(R 1  R 2 ) 2  гр  из
 гр   из
1
(
);
4 2 Ц из
(R 1  R 2 ) 2  гр  из
Tокуп Ц т ( t ж  t min )
 гр   из
1
(r1   из ) 2 
(
).
1
1
1
1


Ц из





гр
из

ln 2 [( r 1  из )
(2h ) (r1 ) ]
(r1   из ) 2 
Tокуп Ц т ( t ж  t min )
из
гр
гр
из
(16)
10
Таким образом, неизвестная толщина изоляции будет определяться решением нелинейного уравнения.
Поиск решения нелинейного уравнения относительно неизвестной толщины изоляции осуществлялся поиском минимального значения целевой
функции в процессе ее непосредственного вычисления. На рис. 7 представлена
зависимость значения целевой функции для глубины заложения теплопровода
на h = 0,8 м при длине трубопровода L  5 км .
Рис. 7. График зависимости
целевой функции от толщины
изоляции при глубине заложения теплопровода –
h = 0,8 м
λиз = 0,036 Вт/(м∙К);tж = 115 ○C;
d1 = 150 мм
Для определения минимальной температуры фронта промерзания грунта,
входящей в уравнение (13), используя существующую методику и расчетную
схему рис. 8, автором был разработан следующий алгоритм.
Rгр
h
Рис. 8. Расчетная модель формирования
температурного режима вокруг теплопровода
в грунтах
Rиз
Аналитическое описание изменения температуры воздуха на поверхности
земли принято по известному уравнению:

(17)
t н ()  A sin( ) ,
х
где  - текущее время, например, в днях или месяцах,  х - продолжительность холодного периода сезонного изменения температуры (  х  236 суток
11
или  х  7.76 месяца для района Н.Уренгой, A  26.9 градусов – амплитуда
колебания температуры).
Время подхода фронта промерзания на уровень боковой образующей
h
находится
из
известного
соотношения:
0   х ( ) 2 .
HТ
(18)
Все расчеты выполняются для времен τ > τ0. Для заданной глубины залоt t
жения теплопровода h величина потока теплоты q l  ж min со стороны трубы
R1  R 2
в грунт находится для минимальной температуры t min , при этом предполагается, что температура жидкости остается неизменной по всей длине.
Алгоритм расчетов реализован в программной среде Delphi.
В процессе вычислений использовалась минимальная температура фронта промерзания, достигаемая в процессе охлаждения грунта на уровне боковой
образующей. На рис. 9 представлен пример этой зависимости.
Рис. 9. График зависимости
температуры грунта на уровне
боковой образующей от глубины заложения теплопровода
Затем определялось изменение оптимизированной толщины изоляции в
зависимости от глубины заложения трубопровода. На рис. 10 представлен характер этой зависимости.
12
Рис. 10. График зависимости
оптимизированной толщины
изоляции от глубины заложения теплопровода
λиз = 0,036 Вт/(м∙К);tж = 115 ○C;
d1 = 150 мм
В результате численного эксперимента была установлена зависимость
толщины изоляции от диаметра теплопровода и коэффициента теплопроводности теплоизоляции. При расчетах менялись диаметры теплопроводов, коэффициенты теплопроводности и толщина теплоизоляции теплопроводов. Результаты численного эксперимента приведены на рис. 11.
Рис. 11. График определения
толщины изоляции – δиз, мм
t t
q нор
 т из 0 ;
l
Rl
R из
l 
D из
1
ln н ;
2из D тр
из
D из
н
 e 2 изR l ; 2из R из
l  x;
D тр
 из 
ex 1
D тр , м
2
Для сравнения толщины изоляции теплопроводов по данным завода изготовителя и оптимальной толщины изоляции, полученной автором по результатам численного эксперимента, построены графики зависимости δиз от диаметра
теплопровода рис. 12.
13
δиз, мм
140
120
Рис. 12. Зависимость толщины изоляции
от диаметра теплопровода при наземной
прокладке:
1 – толщина ППУ-изоляции
(ЗАО Сибпромкомплект, г. Тюмень);
2 – оптимальная толщина изоляции по
результатам работы автора
1
90
60
30
2
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Dтр, мм
Четвертая глава посвящена технико-экономической оценке при определении толщины изоляции теплопроводов. Оценка экономической эффективности современной технологии ППУ-изоляции трубопроводов в сравнении с изоляцией труб минеральной ватой (МВ) дана в табл. 2.
Таблица 2
Оценка экономической эффективности ППУ-изоляции труб
в сравнении с изоляцией минеральной ватой
Диаметр
труб, мм
Потери теплоты,
Гкал/год, км
Стоимость
прокладки
сетей,
тыс. руб./км
Ремонт сетей,
тыс. руб./км
Эксплуатация
сетей,
тыс. руб./км
ППУ MB ППУ MB ППУ MB ППУ MB
100
350 800 250 500 0,3
2,0
1,0
3,0
200
600 1200 500 1000 1,0
3,0
1,5
6,0
400
700 1900 1550 2100 2,0
6,5
1,8 13,0
600
800 2900 2100 3100 3,0
9,5
2,0 18,0
800
1000 3100 2900 4200 3,9 12,5 2,5 23,0
Из табл. 2 видно, что для магистральных теплопроводов диаметром 800 мм с
ППУ-изоляцией потери теплоты снижаются в 3 раза, стоимость прокладки тепловых сетей – в 2 раза, ремонт – в 3 раза и эксплуатация сетей – в 9 раз по сравнению
со старой технологией (МВ). Для распределительных сетей диаметром 100-200 мм
потери теплоты для современной технологии (ППУ) уменьшаются в 2 раза, стоимость прокладки сетей – в 2 раза, ремонт сетей – в 3 раза и эксплуатация систем
теплоснабжения – в 3 раза по сравнению со старой технологией (МВ).
Сопоставление результатов, полученных автором в работе, с другими результатами, известными в научной и справочной литературе.
Для анализа и сравнения на рис. 13. приводятся данные тепловых потерь теплопроводов с изоляцией различного типа в зависимости от срока эксплуатации, полученные «ВНИПИтеплопроектом» и «ВНИПИэнергопромом».
14
Рис. 13. Зависимость тепловых потерь
теплопроводов с изоляцией
различного типа от срока
эксплуатации
(по данным «ВНИПИтеплопроекта»,
«ВНИПИэнергопрома»)
Для определения достоверности результатов работы, полученных автором, выполнялось сравнение с результатами других исследований, проведенных такими организациями, как «ВНИПИэнергопром», «ВНИПИтеплопроект»,
НИИ «Мосстрой», «Armstrong» и др.
Для сравнения приводится график тепловых потерь для различных теплоизоляционных материалов рис. 14.
1
2
3
4
5
Рис. 14. График тепловых потерь для
наземной прокладке при различных теплоизоляционных материалов трубопроводов
1 – маты минераловатные прошивные
ГОСТ 21880-86;
2 – пенополиуретан по данным НИИ
«Мосстрой»;
3 – полиэтилен вспененный;
4 – Armaflex;
5 – результаты работы автора (ППУ-17Н
ЗАО «Сибпромкомплект» г. Тюмень).
Результаты, полученные автором и представленные в виде инженерной
методики, в достаточной степени согласуются с результатами, отображенными
в научной литературе, и отвечают требованиям федерального закона об энергосбережении и оптимизации толщины ППУ-изоляции.
Основные результаты и выводы
15
На основании проведенных исследований по оптимизации толщины
ППУ-изоляции теплопроводов получены следующие результаты.
1. Анализ современного состояния энергосбережения выявил значительные расхождения между нормативными и фактическими потерями теплоты
теплопроводов. Установлено, что тепловые потери в теплопроводах составляют
до 40% отпускаемой теплоты и в 2-3 раза превышают нормативные. На основе
анализа структурного теплового баланса теплоснабжения сформулированы основные направления энергосбережения и выявлены его резервы за счет оптимизации толщины ППУ-изоляции теплопроводов.
2. На основе выполненных исследований установлено, что действующие
тепловые сети, проложенные в каналах, не удовлетворяют современным требованиям экономичности и долговечности. Капитальные затраты при сооружении
трубопроводов тепловых сетей составляют до 30 % средств, расходуемых на
строительство объектов при обустройстве территорий. На севере Западной Сибири в нефтегазодобывающем регионе эти затраты увеличиваются в 1,5-2 раза
из-за суровых климатических условий и вечномерзлых грунтов. Новая технология трубопроводов в ППУ-изоляции значительно выгоднее и перспективнее
традиционных, но уже устаревших технологий. Это связано не только с явным
преимуществом нового вида конструкций, но и с ужесточением норм тепловых
потерь, предусмотренных изменением №1 к СНиП 2.04.14-88 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».
3. Из анализа существующих методов тепловых расчетов теплопроводов
установлено, что толщину тепловой изоляции определяют по нормированным
удельным тепловым потерям, взятым из справочной литературы, которые имеют противоречивые значения. Существующие справочные нормативы теплопотерь приводятся для устаревшей конструкции теплопроводов с изоляцией из
минеральной ваты, следовательно, установленные нормы не позволяют в полной мере реализовать имеющиеся резервы энергосбережения в системе теплоснабжения. Согласно федеральному закону об энергосбережении необходимо
ужесточить нормы тепловых потерь трубопроводами тепловых сетей в 1,2-1,5
раза. В связи с появлением новых теплоизоляционных материалов и современных конструкций тепловой изоляции в работе ставилась задача разработать метод теплотехнического расчета по определению оптимальной толщины ППУизоляции с целью установления региональных норм тепловых потерь и предотвращения таяния мерзлого грунта.
4. Численным методом исследованы закономерности теплопотерь от теплопровода в окружающую среду. Исследование проводилось для надземной и
подземной прокладки теплопроводов при условных диаметрах от Ø 50 до
Ø 1000 мм, изолированных минеральной ватой, и для сравнения – с пенополиуретановой изоляцией (ППУ). Полученные результаты исследования теплопотерь трубопроводами с изоляцией из минеральной ваты и пенополиуретана
позволили произвести сравнение и построить графики зависимости. Исследо-
16
вания показали, что тепловые потери теплопроводов с изоляцией из минеральной ваты в 4 раза больше, чем при изоляции из ППУ, т.е. q мl .в. >q lППУ .
5. На основе введенной стоимостной целевой функции и закономерностей
теплообмена наземного и подземного теплопроводов автором предложена и
теоретически обоснована математическая модель по оптимизации толщины
теплоизоляции.
6. Разработана методика поэтапного определения оптимальной толщины
изоляции с учетом климатических условий региона и характеристик наземного
теплопровода. Анализ полученных значений целевой функции показывает, что
минимум целевой функции является достаточно пологим, это обеспечивает
свободу в выборе толщины изоляции теплопровода. Проведенные исследования
позволили обосновать определение оптимальной толщины изоляции теплопроводов и решить вопросы энергосбережения. Оптимальная толщина изоляции
для трубопроводов от Ø 50 до Ø 1000 мм составила от 30 до 60 мм.
7. Разработана инженерная методика расчета, и построен график определения оптимальной толщины ППУ-изоляции, рекомендации переданы проектным и эксплуатационным организациям для их применения. Методика принята
к внедрению в ЗАО «Сибпромкомплект» в г. Тюмени и в «Газпромэнерго»
Уренгойского филиала в г. Новый Уренгой. Акты и справки внедрения результатов научной работы представлены в приложениях к диссертации. Кроме
того, результаты исследований используются в учебном процессе.
8. Внедрение результатов исследований при замене теплосетей на предизолированные трубы с оптимальной толщиной ППУ-изоляции уже на втором
году эксплуатации окупит произведенные вложения и избавит от затратной
технологии регулярного обновления минераловатной изоляции. Кроме того, в
ежегодную дополнительную прибыль можно превратить огромные средства,
которые уходят на бесконечные ремонты при таянии снега на теплотрассах.
Основные положения диссертации отражены в следующих работах
1. Налобин Н.В. Повышение надежности и эффективности системы теплоснабжения / Б.В. Моисеев, К.Н. Илюхин, Н.В. Налобин // Известия вузов.
Строительство. – 2004. – №5. – С. 81-85.
2. Налобин Н.В. Технико-экономический расчет системы теплоснабжения
/ Налобин Н.В., Абросимова С.А., Рыдалина Н.В. Сб. матер. научн. конф. преподавателей, молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСА. Тюмень,
2004. – С. 129-133.
3. Налобин Н.В. Энергосберегающие технологии при сооружении трубопроводов тепловых сетей. / Моисеев Б.В., Ильин В.В., Налобин Н.В. // Изв. вузов. Строительство. – 2005. – № 2. – С. 75-78.
4. Налобин Н.В. Математическая модель температурного режима в ППУизоляции наземных теплопроводов. Сб. матер. Всероссийской научн.-практ.
17
конф. «Энергосберегающие технологии, оборудование и материалы при строительстве объектов в Западной Сибири». ТюмГАСУ. – Тюмень, 2005. – С. 85-88.
5. Налобин Н.В. Оптимизация толщины тепловой изоляции теплопроводов при подземной бесканальной прокладке в вечномерзлых грунтах.
/ Моисеев Б.В., Налобин Н.В., Илюхин К.Н. // Сб. докладов 11-ой международной научн.-практ. конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (СИБРЕСУРС-11-2005). – Томск, 2005. – С. 115-118.
6. Налобин Н.В. Определение оптимальной толщины изоляции теплопроводов при наземной прокладке. / Гербер А.Д., Горковенко А.И., Налобин Н.В. //
Проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной
Сибири. Сб. матер. Всероссийской научн.-практ. конференции. РААСН.
ТюмГАСУ. – Тюмень. – 2006. – 84-86.
7. Налобин Н.В. Математическое моделирование процесса теплового взаимодействия теплопроводов в ППУ-изоляции с вечномерзлыми грунтами.
/
Моисеев Б.В., Налобин Н.В., Гербер А.Д. // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-12-2006). Доклады 12-й Международной научнопрактической конференции. – Томск, Том. гос. ун-т. – 2006. – С. 168-171.
Основные условные обозначения
r – текущее значение радиуса трубы, м; τ – время, с; tж и tн – температура теплоносителя и окружающей среды, ○С; λст и λиз – теплопроводность стенки трубы и
слоя теплоизоляции, Вт/(м∙○С); Rв, Rст, Rиз, Rн – термические сопротивления
единицы длины теплопровода для процессов теплоотдачи на внутренней поверхности трубы, стенки трубы, слоя теплоизоляции и наружной теплоотдачи,
(м∙○С)/Вт; λгр – коэффициент теплопроводности грунта, Вт/(м∙○С); h – глубина
залегания оси теплопровода, м; rвн, rн, rиз – радиус внутренней и наружной поверхностей теплопровода и наружной поверхности теплоизоляции, м;
ql – удельные тепловые потери, отнесенные на единицу длины теплопровода,
Вт/м; αвн – коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке теплопровода, Вт/(м2∙○С); αн – коэффициент теплоотдачи от наружной стенки изоляции к
наружному воздуху, Вт/(м2∙○С); d2 и d1 – наружный и внутренний диаметры
теплопровода, м, G – расход теплоносителя, кг/c; Cр – массовая теплоемкость
теплоносителя, Дж/(кг∙○С); Q – тепловой поток (теплопотери трубопровода
длиной – L), Вт; tгр – температуры грунта на уровне оси теплопровода в естественных условиях, ○С; ΣR – полное термическое сопротивление изолированного теплопровода, (м∙○С)/Вт; Rгр – термическое сопротивление грунта, (м∙○С)/Вт;
Hт – глубина сезонного протаивания и промерзания грунтов, м; Циз – стоимость
изоляции, руб/м3; Цт – стоимость тепловой энергии, руб/Дж.

_
tж  tн
ql 
 k l  t ж  t н 
d  2 из
1


 ln 2
2 из
d2
Подписано в печать 16.04.07 г. Формат 60×84 1/16.
Бумага тип №1. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 42.
625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2.
Тюменский государственный архитектурно-строительный университет.
Редакционно-издательский отдел.