Проектирование тепловой изоляции трубопроводов систем теплоснабжения

Тепловой расчет заключается в определении конструкции и толщины тепловой изоляции трубопроводов. В соответствии с указаниями действующего нормативного документа СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» [1] расчет тепловой изоляции трубопроводов при подземной канальной прокладке должен производиться по суммарной нормативной линейной плотности теплового потока ql. Значения ql принимаются по таблицам в зависимости от способа прокладки, диаметра трубопровода и среднегодовой температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах. Общее сопротивление теплопередаче изолированного трубопровода r_tot определяется по соотношению:

где t_w — среднегодовая температура теплоносителя для круглогодовых сетей или средняя за отопительный период для сетей отопления, принимаемая в зависимости от расчетной температуры воды t₁ ? в подающем трубопроводе (при t₁ ? = 95 °C — t_w = 65 °C; при t₁ ? = 150 °C — t_w = 90 °C; при t₁ ? = 180 °C — t_w = 110 °C; в обратном трубопроводе t_w = 50 °C); t_l — температура окружающей среды, °C; при наружной прокладке t_l — среднегодовая температура наружного воздуха [2], а при канальной прокладке t_l — среднегодовая температура грунта, при углублении верха трубы или канала ≤ 0,7 м температура tl принимается такой же, как при наружной прокладке); k_l — коэффициент, принимаемый в зависимости от способа прокладки и района строительства по работе [1].

Приводимые в работе [1] значения среднегодовых температур теплоносителя не учитывают климатических особенностей места строительства и являются весьма ориентировочными. В табл. 1 приведены значения среднегодовых температур теплоносителя, подаваемого по температурному графику 150/70 °C, рассчитанные с учетом повторяемости температур наружного воздуха для регионов России [3].

Полученные результаты подтверждают необходимость учета климатического фактора при расчете толщины тепловой изоляции. При расчетах толщины тепловой изоляции возникает также необходимость распределения нормативной линейной плотности теплового потока между подающим и обратным трубопроводами.

Так как среднегодовые температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах существенно отличаются, необходимо вернуться к раздельному нормированию нормативной линейной плотности теплового потока q_l при подземной канальной прокладке, как это было в предыдущем издании СП. Согласно [1], толщина теплоизоляционного слоя δ рассчитывается по приближенной формуле:

δ = 0,5d(B – 1), (2)

где B = d_i/d — отношение наружного диаметра изоляционного слоя d_i к наружному диаметру изолируемого слоя d; значение B определяется из выражения:

здесь λ — коэффициент теплопроводности теплоизоляции, Вт/(м⋅°C); rт — термическое сопротивление других слоев, м⋅°C/Вт; α_l — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²⋅°C); d — наружный диаметр трубопровода, м. При использовании формулы (2) зачастую получаем значения толщины тепловой изоляции обратного трубопровода больше, чем подающего. В работе [4] рекомендуется принимать одинаковые значения толщин для подающего и обратного трубопроводов.

Такое решение приводит к необоснованному перерасходу средств и материалов. По условиям энергосбережения ограничение потерь тепла при транспортировании теплоносителя может производиться по суммарной нормативной линейной плотности теплового потока. Однако качество теплоснабжения главным образом зависит от поддержания расчетной температуры теплоносителя в подающем трубопроводе, тогда как температура теплоносителя в обратном трубопроводе не ограничивается.

Упрощение методики расчета отчасти связано со стремлением производителей унифицировать номенклатуру теплоизоляционных изделий и труб с тепловой изоляцией. Например, в каталоге ООО «Омский завод трубной изоляции» приведены данные о номенклатуре выпускаемой продукции, где толщина тепловой изоляции зависит только от диаметра изолируемого трубопровода.

Толщина пенополиуретановых скорлуп, наносимых в заводских условиях, составляет 30– 70 мм. Наиболее обоснованные результаты дает методика выбора оптимального варианта тепловой изоляции трубопроводов по экономическим условиям, изложенная в учебнике А. А. Ионина и др. [5]. При этом оптимальному варианту должны соответствовать минимальные затраты финансовых средств.

Известно, что тепловая изоляция трубопроводов предназначена для снижения потерь тепла при транспорте теплоносителя. При увеличении толщины теплоизоляционного слоя затраты на материалы и устройство тепловой изоляции увеличиваются, а затраты на компенсацию теряемого тепла уменьшаются. Сумма этих затрат имеет следующую тенденцию: при увеличении толщины теплоизоляционного слоя суммарные затраты снижаются, а затем увеличиваются.

Оптимальными будут такие толщины слоев изоляции подающего и обратного трубопроводов, при которых сумма затрат будет минимальной. Годовые затраты на поддержание заданных параметров теплоносителя (приведенные затраты) складываются из затрат на устройство тепловой изоляции и эксплуатационных затрат (затрат на компенсацию теряемого тепла):

П = ЕК + Э, (3)

где П — приведенные затраты, руб/год; Е — коэффициент эффективности капитальных вложений или процентная ставка кредита, год^–1; К — капитальные затраты, руб.; Э — затраты на компенсацию теряемого тепла (стоимость тепловой энергии), руб/год. Рассмотрим методику расчета толщины тепловой изоляции при подземной прокладке трубопроводов в непроходных каналах.

Решение можно получить, задавая разные значения толщин тепловой изоляции подающего и обратного трубопроводов и определяя величину затрат К, Э и П. Принимается материал тепловой изоляции и проводится ряд параллельных расчетов затрат для различных значений толщин теплоизоляционного слоя подающего и обратного трубопроводов. Сначала назначается толщина изоляции обратного трубопровода δ₂ = 0.

Интервал значений толщины изоляции подающего трубопровода начинается с нуля с шагом 20 мм: δ₁ = 0, 20, 40, … мм до тех пор, пока суммарные затраты P не начнут увеличиваться. Затем назначаем δ₂ = 20 мм и расчеты повторяются. Увеличение значений δ2 прекращают, когда минимальная сумма затрат начнет возрастать. Принимается такое сочетание значений δ₁ и δ₂, при которых суммарные затраты П окажутся минимальными. Капитальные затраты включают стоимость изоляции одного погонного метра подающего К₁ и обратного К₂ трубопроводов и определяются как произведение стоимости материала c_из [руб/м³] на объем 1 п.м. теплоизоляционного слоя:

где d_из1, d_из2 — наружные диаметры теплоизоляционного слоя подающего и обратного трубопроводов, м; d_н — наружный диаметр трубопровода, м. Затраты на компенсацию теряемого тепла (стоимость тепловой энергии) рассчитываются как произведение стоимости тепловой энергии ст и годовых потерь тепла qгод 1 п.м. подающего и обратного трубопроводов:

Z — продолжительность работы системы теплоснабжения в течение года, с; t_к — температура воздуха в канале, °C; R₁ и R₂ — термические сопротивления теплоизоляции подающего и обратного трубопроводов. Стоимость тепловой энергии устанавливается региональными энергетическими компаниями. Стоимость и теплозащитные свойства современных типов тепловой изоляции трубопроводов принимаются по данным производителей. Среднегодовые температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе t_1ср и t_2ср рассчитываются с учетом повторяемости температур наружного воздуха:

где n_i — интервалы температур наружного воздуха, сут.; t_1i, t_2i — температура теплоносителя по графику регулирования при средней температуре интервала, °C; Z — период работы системы, сут. Среднегодовая температура воздуха в канале t_к определяется из уравнения теплового баланса канала:

где R_к — термическое сопротивление стенки канала с учетом грунта. Расчетные зависимости для определения термических сопротивлений тепловой изоляции и стенки канала приведены в работе [5]. Результаты расчетов могут быть представлены в таблице либо графической зависимостью приведенных затрат от толщин тепловой изоляции подающего и обратного трубопроводов. Данная методика реализована в компьютерных программах и позволяет получать экономически обоснованные результаты с учетом региональных условий и цен на тепловую энергию и теплоизоляцию.

Выводы

1. Рекомендации Свода Правил «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» [1] могут быть использованы для приближенных оценок и выбора вариантов конструкций тепловой изоляции трубопроводов тепловых сетей.
2. При детальном проектировании следует учитывать климатические факторы района строительства.
3. Наиболее обоснованные результаты дает методика выбора оптимального варианта тепловой изоляции трубопроводов по экономическим условиям.