Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Краткий обзор работ. постановка задачи и цели исследования Ї&
ГЛАВА П. Процессы теплопереноса в системах «теплопровод-грунт-атмосфера » 3L
2.1. Постановка задачи теплообмена $2~
2.2. Расчетная схема ы-
2.3. Примеры расчета тепловых потерь и температурных распределении 1Й
ГЛАВА Ш. Результаты испытаний бесканальных прокладок. оценка и анализ тепловых потерь 64
3.1. Подготовка к испытаниям 65~
3.2. Проведение испытаний CS
3.3. Обработка результатов испытаний Z
3.4. Определение эксплуатационных тепловых потерь через изоляцию теплопроводов Щ
3.5. Сопоставление фактических и расчетных на основе разностного метода тепловых потерь бесканальных прокладок 85
ГЛАВА IV. Результаты испытаний канальных прокладок. оценка и анализ тепловых потерь 90
4.1. Проведение испытаний 1999 г 92
4.2. Обработка результатов испытаний в8
4.3. Прогнозирование состояний канальных прокладок подземных теплотрасс. iOZ
ГЛАВА V. Снижение тепловых потерь от замены канальных прокладок на бесканальные с изоляцией из пенополиуретана ЮЗ
5.1. Преимущества теплопроводов с пенополиуретановой изоляцией. Требования к изготовлению и эксплуатации .
5.2. Сопоставление величин тепловых потерь канальных и бесканальных с пенополиуретановой изоляцией прокладок 1№
Выводы /24
Литература 125
Приложения /4 О
- Постановка задачи теплообмена
- Подготовка к испытаниям
- Обработка результатов испытаний
- Преимущества теплопроводов с пенополиуретановой изоляцией. Требования к изготовлению и эксплуатации
Постановка задачи теплообмена
Одной из актуальных проблем теплоснабжения является создание подземных теплотрасс с минимальными тепловыми потерями. С этой целью необходимо накопление достаточно полной и достоверной информации о процессах теплопереноса в зоне прокладки теплопроводов. Такой информацией являются данные по распределению температур и тепловых потоков в системах «теплопровод - грунт - атмосфера». Знание величин температур и тепловых потоков вокруг подземных прокладок позволит не только создавать высокоэффективные и рациональные конструкции подземных теплотрасс, но и дать рекомендации по снижению тепловых потерь.
Теоретическое изучение процессов теплообмена в подобных устройствах является достаточно сложной математической проблемой. При этом трудности, обусловленные геометрией изучаемых участков, дополняются необходимостью решать задачу как сопряженную, то есть рассматривать взаимное влияние температурных полей в грунте и стенках канала (канальная прокладка), в покровном слое и грунте (бесканальная прокладка).
Физическая модель и система координат для канальной и бесканальной прокладок представлены на рис. 2.1 (а) и 2.1 (б).
Наиболее сложная постановка задачи имеет место при определении тепловых потерь подземных канальных теплопроводов.
Процесс теплопередачи в этих условиях включает в себя процесс переноса тепла теплопроводностью от наружной поверхности стенок подающего и обратного трубопроводов через слои изоляционной конструкции к наружной поверхности покровного слоя. Теплообмен в канале осуществляется одновременно конвекцией и излучением, в стенках канала и грунте - путем теплопроводности.
Для бесканальной прокладки процесс теплопередачи включает в себя перенос тепла теплопроводностью от наружной поверхности стенок подающего и обратного теплопроводов через слои изоляционной конструкции к наружной поверхности покровного слоя. Далее путем теплопроводности тепло передается окружающему грунту, а затем путем конвекции наружному атмосферному воздуху.
При анализе приняты следующие допущения.
1. Режим теплообмена - стационарный.
2. Термическое сопротивление стенки трубы из-за ее незначительной толщины и достаточно большого коэффициента теплопроводности материала пренебрежимо мало. Течение жидкости - развитое турбулентное. Вследствие большого коэффициента теплоотдачи от горячей воды к внутренней поверхности трубы температуры стенки и внутренней поверхности подающего и обратного трубопроводов принимаются равными температуре теплоносителя (граничные условия первого рода).
3. В изоляционных и покровных слоях трубопроводов учитывалось лишь радиальное изменение температуры, а для стенок канала и грунта применялись двумерные уравнения теплопереноса.
4. Температура воздуха в канале принималась постоянной по всему объему.
5. На границах наружная поверхность покровных слоев теплопроводов - воздух в канале, воздух и внутренняя поверхность стенок канала, а также поверхность грунта - атмосфера использовались граничные условия третьего рода.
6. На границах соприкосновения разнородных тел (изоляция - покровный слой, наружная поверхность стенки канала - грунт) задавались граничные условия четвертого рода: равенства температур и тепловых потоков. Для бесканальной прокладки граничные условия четвертого рода использовались на стыке: наружная поверхность покровного слоя - грунт.
7. На достаточно большом расстоянии от канала градиенты температур равны нулю.
Для реализации задачи (2.1) - (2.10) на ЭВМ необходимо иметь надежные и достаточно простые вычислительные алгоритмы, которые давали бы возможность с наименьшими затратами машинного времени находить с разумной точностью температурные поля и тепловые потоки в зоне прокладки подземных теплотрасс.
Наиболее приемлемым способом решения задач такого типа является разностный метод, универсальность и эффективность которого находятся вне конкуренции.
Для решения задачи (2.1) - (2.10) разработана вычислительная программа, в основе которой положена разностная схема аппроксимации дифференциальных уравнений теплопроводности и краевых условий.
В качестве математического обеспечения применяются стандартные подпрограммы основной библиотеки языка программирования Турбо Паскаль. Программа вместе с исходной информацией занимает 23 килобайт памяти оперативного запоминающего устройства.
Величины шагов АХ И ду были выбраны в процессе предварительных расчетов, исходя из обычного положения, что дальнейшее измельчение сетки не приводит к заметному изменению температур в узловых точках. Численные значения лХ и лу последовательно уменьшали до таких пределов, пока разность конечных результатов вплоть до третьего знака после запятой не становилась равной нулю. Подобранный таким образом шаг &Хшп по оси X составлял 0.02 м, а шаг д тш - 0.03 м. При дХтт= 0.02 м и дутт= 0.03 м погрешность вы- \ числений нигде не выходила за пределы одного-двух процентов. 1 В виду использования в постановке задачи тепломассобмена различных систем координат (цилиндрической - в теплопроводах, прямоугольной - в грунте), при разработке численных схем для бесканальной прокладки окружности, ограничивающие трубы и изоляционные слои, заменялись ломаными линиями, состоящими из 48 отрезков. Наличие повышенных температурных градиентов в области грунта вблизи прокладок и неограниченные размеры массива грунта требуют применения в численных расчетах неравномерной пространственной сетки. Особенности решаемых задач, а именно резкое изменение температур вблизи прокладок и плавное в прилегающих к нему областях позволяет значительно загрубить шаг пространственной сетки (дх;тах= 0.2 м, дут« = -0.2 м) в периферийных от прокладки зонах.
Подготовка к испытаниям
Особый интерес для настоящего исследования представляют изучение и анализ тепловых потерь бесканальных прокладок подземных теплотрасс.
Хотя доля таких прокладок в тепловых сетях г. Ростова-на-Дону в 2000 г. составила всего 12,5 % (примерно такая же цифра характерна и для всей страны в целом), за последние годы бесканальные прокладки интенсивно внедряются при строительстве новых и реконструкции старых теплотрасс. Этому способствуют индустриализация строительства теплопроводов, сравнительно простая технология изоляции труб, возможность заводского монтажа изолированных теплопроводов, а также более низкая стоимость теплотрассы.
В процессе внедрения бесканальных тепловых сетей предложено большое количество конструкций теплопроводов. Новые разработки позволили на 50 - 70 % уменьшить стоимость строительства по сравнению с канальными прокладками. Конструкции бесканальных прокладок теплопроводов непрерывно совершенствуются. Основой этих конструкций являются самокомпенсирующиеся секции заводского изготовления с тепловой изоляцией из пенополиуретана при максимальной механизации строительных работ.
Переход от канальных прокладок к бесканальным теплопроводам полной заводской готовности с применением современных технологий строительства - один из путей повышения надежности тепловых сетей и снижения тепловых потерь при транспорте тепловой энергии.
В апреле 1996 г. АО «Фирма ОРГРЭС» совместно с ОАО «Ростовте-плосеть» провели испытания по определению эксплуатационных тепловых потерь водяных тепловых сетей г. Ростова-на-Дону.
Оценка тепловых потерь осуществлялась в соответствии с «Методическими указаниями по определению тепловых потерь в водяных и паровых сетях: МУ 34-70-080-84» (№: СПО Союзтехноэнерго, 1985).
В техническом отчете АО «Фирма ОРГРЭС» «Определение тепловых потерь в водяных тепловых сетях г. Ростова-на-Дону» (шифр работы 94.112.021, Москва, 1996г.) результаты определения тепловых потерь по данным испытаний были затем сопоставлены с их нормативными значениями. Поскольку результаты испытаний свидетельствуют о неудовлетворительном состоянии теплоизоляционных конструкций, в отчете приведены рекомендации по нормированию эксплуатационных тепловых потерь в Ростовских тепловых сетях (РТС).
Испытаниям подверглись участки тепловой сети, которые включали типы прокладок и конструкции изоляции, характерные для данной тепловой сети.
Намеченные для проведения испытаний тепломагистраль №1 от ТЭЦ-2 и участок теплосети от районной котельной №1, связанный с этой магистралью в тепловой камере №182, имеют общую протяженность -15,4 км и диаметры трубопроводов Z)y=l 000-500 мм. Способ прокладки, в основном, в непроходных каналах, на головных участках - надземный. Тепловая изоляция, преимущественно, выполнена из минеральной ваты.
Тепловые испытания проводятся в установившемся режиме теплопередачи от сетевой воды к окружающей среде при температурах сетевой воды, определенных из соответствия температурных условий работы сети при испытаниях и в среднегодовых условиях.
Основными расчетными параметрами при испытаниях являются температура сетевой воды в подающей линии на входе в испытываемую магистраль, расход сетевой воды, ожидаемые температурный перепад в циркуляционном кольце, время пробега воды по кольцу и расход подпи-точной воды.
Соответственно, при испытаниях производятся измерения следующих параметров: расход сетевой воды, расход подпиточной воды, температура воды в трубопроводах в точках наблюдения на источнике тепла и по сети.
На рис. 3.1 приведена схема установки средств измерений при испытаниях тепломагистрали №1 на тепловые потери.
Измерение температуры сетевой воды производится с помощью термометров сопротивления типа ТСМ-5071, которые устанавливаются на подающем и обратном трубопроводах в начале и в конце каждого контрольного участка.
При испытаниях тепломагистрали №1 расход сетевой воды измеряется с помощью ультразвуковых расходомеров «Расход - 7», установленных на подающем и обратном трубопроводах в тепловой камере №101.
Расход подпиточной воды определяется как разность расходов сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах.
Температура сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах измеряется на районной котельной №1 и в контрольных точках по сети: тепловая камера №2941 («Динамо»), ПНС «Темерник», тепловая камера №104, ТЭЦ-2.
Контроль и поддержание расчетной температуры с заданной точностью осуществляется на районной котельной №1.
Ввиду отсутствия на районной котельной №1 возможности обеспечения расхода и подпитки испытываемых тепловых сетей, создание гидравлического режима испытаний (осуществление циркуляции сетевой воды по испытываемому кольцу и поддержание расчетного расхода сетевой воды) производится на ТЭЦ-2.
В соответствии с МУ 34-70-080-84 испытания по определению эксплуатационных теплотехнических свойств теплопроводов проводятся в три этапа.
I этап - предварительный, необходимый для прогрева теплоизоляци онных конструкций и фунта до установившегося состояния при расчетных температуре воды на выходе источника тепла и ее расходе, определенных для режима испытаний в циркуляционном кольце. Во время предварительного этапа осуществляется постоянное наблюдение за расходами сетевой и подпиточной воды, а также температурами сетевой воды на источнике тепла и в конечной точке испытываемой магистрали. Продолжительность предварительного этапа зависит от степени первоначального прогрева грунта и может находиться в пределах (2-f8)- гк, где гк - время пробега воды по испытываемому кольцу.
II этап - основной, на котором проводятся измерения расходов и температур сетевой воды на источнике тепла и во всех контрольных точ ках испытываемого циркуляционного кольца. На основном этапе величина расхода сетевой воды в подающем трубопроводе на выходе из источника тепла поддерживается равной расчетному для режима испытаний значению с точностью ± 2 %; температура воды на выходе из источника тепла поддерживается равной расчетной для испытаний с точностью ± 0,5 С. Продолжительность основного этапа испытаний, т.е. периода измерений при установившемся режиме, должна составлять не менее тк + (8-г10) часов.
Обработка результатов испытаний
В настоящей главе показаны результаты испытаний тепловых сетей г. Ростова-на-Дону, проведенных совместно ОАО «Фирма ОРГРЭС» и ОАО «Ростовтеплосеть» в 1999 г.
Испытанию подвергались водяные тепловые сети от районной котельной №3 (РК-3) Северного района г. Ростова-на-Дону (на балансе РТС).
Материалы испытаний отражены в техническом отчете по работе «Испытания водяных тепловых сетей г. Ростова-на-Дону на тепловые потери». ОАО «Фирма ОРГРЭС», шифр работы 99.112.002. Москва, 1999 г.
Тепловые сети от районной котельной № 3 имеют протяженность 24 км, в основном, подземной канальной прокладки. Диаметры трубопроводов тепловых сетей - от 700 до 100 мм при среднем наружном диаметре 350 мм.
Испытания по определению тепловых потерь проводились на магистрали «II вывод» от РК-3 до ТК-2545, и на участке распределительной сети (ответвление от указанной магистрали) от ТК-2512 до узла ввода жилого дома № 6 по ул. Стартовой (микрорайон № 6). Испытанный участок магистрали с диаметрами труб Dy 700ч-400 мм имеет протяженность 4070 м. Участок распределительной сети с диаметрами труб Dy 300ч-100 мм имеет протяженность 620 м (рис. 4.1).
Намеченные для проведения испытаний тепломагистраль «И вывод» и участок распределительной сети 6-го микрорайона являются типичными для тепловых сетей Северного эксплуатационного района от РК-3 г. Ростова-на-Дону и имеют в своем составе не только участки с новой тепловой изоляцией, но и трубопроводы, на которых изоляция находится в неудовлетворительном состоянии, а на отдельных участках отсутствует покров ный слой и изоляция увлажнена. Основным теплоизоляционным материалом является минеральная вата.
Циркуляционные кольца, образованные подающими и обратными трубопроводами указанных участков с перемычками в тепловой камере ТК-2545 и на элеваторном узле ввода ж/д № 6 по ул. Стартовая, были разбиты на контрольные участки, перечень и характеристики которых приведены в табл. 4.1.
Определение тепловых потерь на основании проведения тепловых испытаний осуществлялось в соответствии с «Методическими указаниями по определению тепловых потерь в водяных тепловых сетях» РД 34.09.255-97.
Поскольку требования к процессу проведения испытаний, изложенные в РД 34.09.255-97 и МУ 34-70-080-84, практически одинаковы, ниже приводятся лишь основные сведения о процедуре испытаний 1999 г. Более подробное описание испытаний тепловых сетей, которые выполнялись согласно Методических указаний 34-70-080-84 в 1996 г. даны в главе III.
Проведение испытаний 1999 г. Непосредственно перед испытаниями:
- отключены все потребители от испытываемых магистралей и участка распределительной сети, проверена плотность закрытия задвижек на ответвлениях;
- отревизированы и заполнены маслом гильзы под термометры на выводе П из РК-3 в тепловых камерах ТК-2512, Ж-2526, ТК-2545 и в узле ввода ж/д № 6 по ул. Стартовой;
- удалено сопло из элеватора в узле ввода ж/д № 6 по ул. Стартовой;
- проверена готовность к работе в режиме испытаний расходомеров, расположенных на выводе II в РК-3 и в узле учета тепловой энергии около ТК-2512.
При испытаниях по определению эксплуатационных теплотехнических свойств трубопроводов производились измерения следующих параметров: расхода сетевой воды, температуры воды в трубопроводах в точках наблюдения на источнике тепла и по сети.
Измерение температуры сетевой воды осуществляется с помощью лабораторных ртутных термометров с ценой деления ОД С, которые устанавливаются на подающем и обратном трубопроводах в начале и в конце каждого контрольного участка.
При испытаниях тепловых сетей от РК-3 контроль за расходом сетевой воды производится с помощью эксплуатационных измерительных диафрагм на РК-3, а также по показаниям ультразвукового прибора в ТК-2512.
Контроль и поддержание при испытаниях температуры сетевой воды осуществляется на источнике тепла - РК-3.
Схема включения оборудования РК-3 приведена на рис. 4.2.
Расходы сетевой воды в циркуляционных кольцах поддерживаются равными расчетным при режиме испытаний G# ± 2 %; температура воды на выходе из источника тепла поддерживается равной расчетной для испытаний с точностью ± 0,5 С. Продолжительность основного этапа испытаний должна составлять не менее + (8 -г 10) часов, где тк - время пробега частиц воды по испытываемому кольцу.
В соответствии с РД 34.09.255-97 испытания по определению эксплуатационных тепловых потерь теплопроводов проводятся в три этапа.
I этап - предварительный, необходимый для прогрева грунта и конструкций до установившегося состояния.
II этап - основной, во время которого проводятся измерения расходов сетевой воды по испытываемым магистралям и температур сетевой воды во всех контрольных точках при установившемся режиме.
Преимущества теплопроводов с пенополиуретановой изоляцией. Требования к изготовлению и эксплуатации
В мировой практике для изоляции тепловых сетей уже с начала 70-х годов используются жесткие пенополиуретаны (ППУ), да и в России постепенно отказываются от минеральной ваты, армопенобетона, битумо-перлита (вермикулит) и прочих изоляционных материалов, отдавая предпочтение более эффективному материалу.
Всего в России эксплуатируется более 2000 км труб с пенополиуре-тановой изоляцией [S8].
Преимущества теплопроводов с пенополиуретановой изоляцией. Требования к изготовлению и эксплуатации.
Пенополиуретан имеет наименьшую теплопроводность (0,030 Вт/м К), что значительно снижает теплопотери в тепловых сетях, преимущественно закрытую пористость (90%), достаточную монтажную и эксплуатационную прочность (0,3 - 0,4 МПа), коррозионную пассивность, высокую долговечность при минимальной плотности (60 кг/куб.м).
Тепловые потери в трубопроводах с пенополиуретановой изоляцией в 2 - 2,5 раза ниже, чем при использовании конструкций с традиционными изоляционными материалами, в которых теплопотери составляют более 20% отпускаемого тепла и составляют по России 78 млн. т у. т. в год. Удельная повреждаемость трубопроводов тепловых сетей с ППУ почти в 10 раз ниже, а долговечность в 1,5-2 раза выше по сравнению с применяемыми в России типами бесканальных и канальных прокладок, при использовании которых износ теплопроводов составляет 15 % в год. Годовые затраты на эксплуатацию теплосетей с ППУ - изоляцией в 9 - 10 раз ниже, чем обычно. Капитальные затраты на строительство таких сетей в 1,5 раза ниже, чем при традиционной канальной прокладке.
В таблице 5.1 приведены расчетные значения стоимости 1 пог. км двухтрубной теплотрассы в различных типах изоляции, проложенных в одинаковых условиях (европейская часть России, конец 1996 г.)
В канальных прокладках коррозия труб обусловлена большой водопроницаемостью железобетонных элементов канала из-за недостаточной заделки стыков стенок и перекрытий. Поэтому тепловая изоляция постепенно увлажняется, теряет свои теплоизоляционные свойства и разрушается. При этом срок службы теплопроводов оказывается в два-три раза короче срока службы стенок канала.
Решающим фактором, определяющим теплозащитные свойства, долговечность изоляции и коррозионную стойкость бесканальной прокладки также является влажностный режим конструкции. Одна из причин проникновения влаги из окружающего грунта в теплоизоляционную конструкцию заключается в ее неудовлетворительных гидрозащитных свойствах. Гидроизоляционные покрытия, выполняемые из различных рулонных материалов, не являются абсолютно герметичными и не обеспечивают полной защиты теплоизоляции от влаги. Переменный температурно-влажностный режим, температурные деформации, а также механические нагрузки, вызывают потерю эластичности и растрескивание гидроизоляционного покрытия. При этом влага не только переносится со значительного расстояния к теплопроводу, но и выдавливается под действием осмотического давления через неплотности в гидроизоляционном слое в поры теплоизоляции. Значительное количество влаги попадает в теплоизоляционную конструкцию в местах входа в тепловые камеры и фундаменты зданий.
Проведенный теоретический анализ процессов переноса влаги в капиллярно-пористых телах показал, что основными составляющими потока влаги в них являются: диффузионный в виде пара, пленочный перенос влаги в виде жидкости по поверхности пор и капилляров и капиллярный поток влаги в виде жидкости.
В теплоизоляционном слое конструкции наличие температурного градиента вызывает возникновение градиента парциального давления, что приводит к образованию диффузионного потока пара, движущегося по направлению потока тепла. Вследствие этого снижается парциальное давление в поровой структуре изоляции и грунта в области высоких температур, что вызывает испарение влаги в горячей зоне. Пар, диффундирующий из горячей зоны, попадая в холодные зоны, конденсируется.
В то же время, за счет перепада потенциала влажности в изоляционной конструкции и окружающем ее грунте, влага в виде жидкости перемещается по направлению, противоположному тепловому потоку. Через определенное время в теплоизоляционном слое устанавливается равновесное состояние, при котором поток влаги в виде пара и жидкости равны.
В установившемся равновесном состоянии в изоляционной конструкции образуются две области влажного состояния материала - условно-сухая и влажная, с границей, расположенной на некотором расстоянии от горячей поверхности, при этом толщина условно-сухой зоны зависит от состояния интенсивности потоков парообразной и жидкой влаги в период установления равновесного состояния.
Изолированные пенополиуретаном трубы защищены наружной гидроизоляционной трубой-оболочкой из полиэтилена для бесканальной прокладки и оцинкованной сталью для надземной и канальной прокладки. Отечественная промышленность выпускает теплогидроизолированные трубы диаметром от 57 до 1200 мм, а также отводы, неподвижные опоры, стартовые компенсаторы, тройники, переходники, шаровые задвижки, спутники и воздушники, комплекты для заделки стыков.
Надежность конструкций возрастает при оснащении трубопроводов системой оперативного дистанционного контроля (ОДК) за состоянием изоляции. Пятилетний опыт применения этих систем в Москве показал, что они позволяют осуществлять непрерывный или периодический контроль за состоянием изоляции и своевременно с высокой точностью выявлять места повреждений. В настоящее время в столице новые трубопроводы с пенополиуретановой изоляцией без системы ОДК в эксплуатацию не принимаются.
Однако, применяемые в других городах известные зарубежные теплопроводы с пенополиуретановой теплоизоляцией и наружной толстостенной полиэтиленовой оболочкой типа «труба в трубе», как правило, не комплектуются как за рубежом системами постоянного контроля увлажнения. Эксплуатирующие организации не имеют достаточно оснащенных и укомплектованных ремонтно-восстановительных служб для обеспечения немедленной замены увлажненных участков теплопроводов. Между тем проникающая под оболочку влага, не имея выхода, вызывает активную коррозию труб, которая усугубляется еще и тем, что пенополиуретан насыщает воду ионами галогенов, содержащихся в изоцианате.
