Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ
ТЕПЛА В СЕТЯХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ 14
Определение теплотехнических параметров теплоносителя в начале и в конце участка теплопровода 14
Измерение линейной плотности теплового потока от трубопровода 17
Измерение и расчет теплофизических характеристик, температурных полей и термических сопротивлений конструкций теплопроводов 21
Условия проведения измерений для определения тепловых
потерь 25
1.5. Выводы 29
ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В СИСТЕМЕ
«ТЕПЛОТРУБОПРОВОД- ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА» В УСЛОВИЯХ
УВЛАЖНЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ И МЕТОД ЕЕ РЕШЕНИЯ 30
Общая физическая постановка задачи 30
Математические модели теплового состояния трубопровода в условиях затопления канала теплосети водой 33
Одномерная модель теплового состояния трубопровода в условиях увлажнения теплоизоляции 34
Двумерная модель теплового состояния трубопровода в условиях полного или частичного затопления 35
2.2.3. Математическая модель теплового состояния
трубопровода в условиях затопления канала теплосети с учетом
нестационарности процесса насыщения тепловой изоляции
влагой 38
Модель теплопереноса в изоляции трубопровода с учетом испарения и фильтрации пара 39
Методика приближенной оценки масштабов тепловых потерь трубопровода, работающего в условиях затопления 43
2.3. Метод решения 44
Аппроксимация дифференциальных операторов 45
Решение одномерной задачи. Метод прогонки 46
Решение двумерной задачи 48
Метод решения уравнения неразрывности 50
2.4. Тестирование математических моделей и метода решения 51
ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ МАСШТАБОВ ТЕПЛОВЫХ
ПОТЕРЬ ТЕПЛОТРУБОПРОВОДОВ В УСЛОВИЯХ УВЛАЖНЕНИЯ
ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ 54
Исходные данные 54
Анализ теплопотерь теплотрубопровода с использованием одномерной модели теплопереноса 57
Анализ теплопотерь теплотрубопровода на базе двумерной
модели 63
Анализ теплопотерь теплотрубопровода в условиях конвективного теплообмена 70
Оценка масштабов тепловых потерь трубопровода в условиях затопления с учетом нестационарности процесса насыщения тепловой изоляции влагой 82
Оценка масштабов тепловых потерь трубопровода в условиях увлажнения изоляции с учетом испарения и фильтрации пара в слое пористой теплоизоляции 94
Анализ масштабов тепловых потерь трубопровода в условиях увлажнения изоляции на основе приближенной методики 100
Оценка достоверности полученных результатов 105
Оценка величины материального ущерба, вызванного увлажнением тепловой изоляции 108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО
ЛИТЕРАТУРА 112
Введение к работе
Россия характеризуется самым высоким уровнем централизованного теплоснабжения (до 80 %). На ее территории проложено более 250 тысяч километров тепловых сетей (в двухтрубном исчислении) с трубами диаметром от 57 до 1400 мм [1]. Протяженность магистральных трубопроводов диаметром условного прохода 600 - 1400 мм составляет 26 тыс. км [2]. Так, например, в Томской области, по состоянию на 2001 год, эксплуатировалось около 1788 км магистральных теплотрубопроводов [3].
Наиболее распространенный тип прокладки теплопроводов -подземный, на долю которого приходится около 90 % общей протяженности, при этом основным способом прокладки является укладка труб в железобетонных каналах. Преимущественный тип применяемых теплоизоляционных материалов для канальных прокладок - изделия из минеральной и стеклянной ваты [1,4].
Тепловые сети как составная часть системы централизованного теплоснабжения оказывают большое влияние на экономичность теплофикации. Теплотрубопроводы являются частью системы централизованного теплоснабжения и представляют собой сложные технические сооружения, предназначенные для передачи тепла от источников теплоснабжения к потребителям.
Транспортные тепловые потери являются, с одной стороны, важным показателем работы теплотрубопроводов, характеризующим эффективность расходования природных ресурсов и степень воздействия на окружающую среду, а с другой, указывают на техническое состояние самих теплопроводов.
Энергетическая характеристика тепловых сетей по величине теплопотерь является важным экономическим показателем, предметом заинтересованности всех участников взаиморасчетов при выработке и потреблении тепла.
Из-за большой погрешности измерений транспортные потери тепла не могут быть определены просто как разность между теплом, отпущенным источником теплоснабжения, и тепловой энергией, потребленной всеми абонентами [5]. Относительная погрешность отпуска тепла у поставщика (ТЭЦ, котельные) составляет 5 %, а расхода тепла при измерениях на абонентских вводах стандартными микропроцессорными приборами (РП-160, КСМ-2 и др.) превышает 8 % [6]. Тогда, если транспортные потери тепла qTp составляют 20 % всего отпускаемого тепла qmu (и 25 % суммарного потребляемого qmT), то относительная погрешность 8 определения с/тр по разности отпускаемого и потребленного тепла составит [5] ^тр = [Адотп + А^пот]/^тр=5^отп + 4^пот=57%,
где Aqom - абсолютная погрешность измерения qain\ AqU0l - средняя погрешность измерения тепла, потребляемого абонентами.
При уменьшении доли транспортных тепловых потерь погрешность SqTp еще больше возрастает.
Поэтому, несмотря на данные, полученные с помощью приборов учета тепла, фактические тепловые потери при транспортировке теплоносителя должны определяться по результатам измерений или испытаний.
Достоверность и точность определения транспортных потерь в сети централизованного теплоснабжения чрезвычайно важны, так как в последнее время отмечаются их многочисленные некачественные, существенно завышенные оценки [5] - до 40 % всего транспортируемого тепла [7-9], а по некоторым данным они в 5 - 9 раз превышают нормативные [10].
Проблема определения фактических тепловых потерь на охлаждение теплоносителя при транспортировке, очень мало освещена в литературе. В известных работах рассматривался только один метод измерений, в основу которого положено уменьшение температуры теплоносителя [11, 12], дальнейшее его развитие отражается только в отраслевых методических указаниях [13]. Другие методы экспериментального определения тепловых
потерь находятся в начальном состоянии [14-17] или вообще не рассматриваются.
Актуальность определения транспортных потерь тепла в сетях централизованного теплоснабжения, работающих как в штатных, так и внештатных условиях, вызвана следующими факторами [5]:
возрастанием требований к эффективности теплоснабжения [18];
нарастающей конкуренцией со стороны альтернативных, децентрализованных способов обеспечения теплом [7, 19];
усилением роли приборного учета потребления тепла и теплоносителя у абонентов [6];
необходимостью диагностики технического состояния теплопроводов и проведения работ по повышению надежности системы теплоснабжения [18].
Большой интерес для практики представляет разработка методики оценки масштабов тепловых потерь трубопроводов, работающих в условиях затопления каналов теплосетей и имеющих насыщенную влагой тепловую изоляцию.
В настоящее время в среднем по стране свыше 12% тепловых сетей периодически или постоянно пребывают в состоянии затопления, а в некоторых городах затоплениями может быть охвачено до 70% теплотрасс.
Можно выделить следующие основные причины, приводящие к затоплению каналов тепловых сетей:
затопление канальной прокладки теплотрасс связано с большой водопроницаемостью железобетонных элементов канала из-за негерметичной заделки стыков стенок и перекрытий [20-22] (в этом случае в канал попадают поверхностные и грунтовые воды);
утечки воды, прорывы трубопроводов, а также аварии в системах водоснабжения и водоудаления [18, 23-25] неизбежно приводят к затоплению каналов теплосетей.
Если первая группа причин, в большей степени, связана с некачественным монтажом конструкций теплопроводов при ремонте
существующих и строительстве новых тепловых сетей [20, 21], то вторая - с высокой степенью физического и морального износа действующих теплотрасс [8, 26].
Защита каналов сборной конструкции от проникновения грунтовых и поверхностных вод представляет значительные трудности [27, 28]. Надежность и эффективность действия гидроизоляции подземных сооружений всецело зависят от качества выполнения изоляционных покрытий и соблюдения технических правил [21].
Водонепроницаемость сборных конструкций может быть надежно осуществлена только при условии полной герметизации многочисленных швов между элементами конструкции. Причиной проникновения воды внутрь каналов также часто служит наличие отверстий в стенах (в местах примыкания каналов [21]). Высокий уровень стояния грунтовых вод приводит к затоплению каналов, особенно тех, в которых нет устройств отвода воды в дренажную сеть или канализацию [29].
При пребывании теплотрубопроводов в условиях затопления изменяется механизм теплообмена их внешней поверхности с окружающей средой, а влагосодержание тепловой изоляции становится равным максимальному значению, характерному для данного теплоизоляционного материала [30].
В связи с тем [5], что анализ масштабов тепловых потерь трубопроводов, находящихся в условиях увлажнения теплоизоляции, не может быть проведен при помощи единственно используемой в настоящее время методики [13], возникает научно-техническая задача разработки способов оценки величины потерянной тепловой энергии при работе теплотрубопроводов в подобных условиях.
Решение таких задач имеет большое значение для практики и в частности в 2005 - 2006 годах финансировалось Администрацией Томской области в рамках совместного проекта с Российским фондом фундаментальных исследований (гранд № 05-02-98006 конкурс р_обь_а
«Математическое моделирование процессов теплопереноса в объектах теплоснабжения с учетом взаимодействия с окружающей средой»).
Цель работы - математическое моделирование теплового режима теплотрубопровода в условиях увлажнения тепловой изоляции с учетом основных значимых факторов и процессов, а также создание методики численного анализа величины теплопотерь с его поверхности.
Основные задачи исследования;
Создание математической модели процесса нестационарного теплопереноса в системе «теплотрубопровод - окружающая среда».
Математическое моделирование теплового состояния трубопровода в двумерной постановке, учитывающей режимы работы теплопровода в условиях частичного затопления канала теплосети.
Разработка методики численного анализа величины тепловых потерь трубопроводов в условиях увлажнения теплоизоляции.
Анализ влияния основных факторов на масштабы теплопотерь:
режимов теплообмена на внешнем контуре трубопровода;
содержания влаги в тепловой изоляции;
нестационарности процесса насыщения изоляции влагой;
испарения влаги в слое теплоизоляции.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
Впервые решена нелинейная нестационарная задача теплопереноса в системе «стенка трубы - слой теплоизоляции - слой воды» с учетом испарения влаги, фильтрации пара и воды в слое пористой тепловой изоляции теплотрубопровода.
Разработана методика численного анализа величины тепловых потерь трубопроводов, находящихся в состоянии затопления
каналов теплосетей и имеющих насыщенную влагой теплоизоляцию.
Установлены масштабы тепловых потерь трубопроводов, эксплуатируемых в условиях увлажнения тепловой изоляции.
Проведен анализ влияния условий теплообмена на внешнем контуре трубопровода, работающего в состоянии затопления канала теплотрассы.
Установлено влияние наличия влаги в теплоизоляции на величину тепловых потерь.
Выявлены характеристики процесса насыщения тепловой изоляции влагой.
Проанализировано влияние наличия испарения влаги в тепловой изоляции.
Проведено сравнение полученных результатов с нормативными значениями тепловых потерь и данными других авторов.
Разработана приближенная методика оценки величины теплопотерь трубопроводов, имеющих насыщенную влагой теплоизоляцию.
10.Даны рекомендации по минимизации теплопотерь трубопроводов,
находящихся в условиях затопления. 11 .Проведена оценка материального ущерба, вызванного затоплением
канала тепловой сети.
Практическая значимость. Проведенные численные исследования вносят вклад в развитие представлений о режимах работы теплотрубопроводов в условиях увлажнения изоляции. В диссертации разработаны теоретические основы методики численного анализа масштабов тепловых потерь трубопроводов, находящихся в состоянии затопления.
Полученные новые результаты по математическому моделированию теплового состояния теплотрубопровода, имеющего увлажненную изоляцию и находящегося в режимах затопления, являются основой для дальнейшего
анализа тепловых потерь трубопроводов в рамках достаточно полной модели, учитывающей основные значимые факторы, а также могут быть использованы при разработке и усовершенствовании конструкций каналов теплосетей и выборе теплоизоляционных материалов для трубопроводов.
Достоверность полученных результатов. Обоснованность и достоверность результатов исследований следует из проведенных проверок используемых методов на сходимость и устойчивость решений на множестве сеток, выполнения условий баланса энергии на границах области решения, а также подтверждается сравнением результатов с известными экспериментальными и теоретическими данными работ других авторов.
На защиту выносятся:
Математическая модель теплопереноса в системе «стенка трубы - слой тепловой изоляции - слой воды» с учетом испарения влаги, фильтрации пара и воды в слое теплоизоляции трубопровода.
Методика численного анализа тепловых потерь теплотрубопроводов, находящихся в состоянии затопления.
Результаты численного анализа температурных полей и тепловых потерь теплотрубопровода в условиях увлажнения теплоизоляции.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: XXVIII Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2005г.); одиннадцатой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2005г.); Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы)» (Москва, 2005г.); XII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2006г.); Пятой Российской научно-технической
конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, 2006г.); II Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании» (Тюмень, 2006г.); Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, 2006г.); Национальной конференции по теплоэнергетике (Казань, 2006г.); Всероссийском конкурсе инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» (Томск, 2006г.); пятой Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2006г.); четвертой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2006г).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в трудах вышеуказанных научных мероприятий, а также в журналах «Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики», «Промышленная энергетика», «Новости теплоснабжения», депонированы в ВИНИТИ. Всего по материалам диссертации опубликовано 14 работ, 10 из них в соавторстве с доктором физико-математических наук, профессором Г.В. Кузнецовым.
Содержание работы:
Актуальность темы диссертационной работы, цели и задачи, научная новизна и практическая значимость представлены во введении.
Обзор современных методов определения потерь тепла в сетях теплоснабжения проведен в первой главе. При этом выделены преимущества и недостатки имеющихся способов определения теплопотерь, показано, что оценка тепловых потерь трубопроводов, проводимая на основе результатов математического моделирования, в настоящее время является наиболее предпочтительным способом анализа.
Во второй главе представлены физическая постановка задачи и математическая модель теплового состояния теплотрубопровода, находящегося в условиях увлажнения тепловой изоляции, с учетом испарения влаги, фильтрации пара и воды.
В третьей главе приведены результаты численного исследования температурных полей и тепловых потерь теплотрубопровода в условиях увлажнения теплоизоляции с учетом основных значимых факторов и процессов.
В заключении подведены итоги проведенных исследований, сформулированы выводы и даны рекомендации по снижению до минимальных значений теплопотерь трубопроводов в условиях затопления.
