автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Исследование тепловых режимов бесканальных подземных теплотрасс

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ . СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи ШКРЕБКО СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ БЕСКАНАЛЬНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ТЕПЛОТРАСС

05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор В.В. Иванов. Консультант:

Кандидат технических наук, доцент И.Л. Дунин

Ростсв-на-Дону - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ................... 4

ВВЕДЕНИЕ............................. 7

ГЛАВА! КРАТКИЙ ОБЗОР РАБОТ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ. . .................. 17

ГЛАВА II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ

БЕСКАНАЛЬНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ТЕПЛОТРАСС. . 41

2.1. Физическая модель. Принятые допущения. Постановка задачи................... 41

2.2. Расчетный алгоритм................... 44

2.3. Примеры расчета тепловых потерь и температурных распределений...................... 58

ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ЗОНЕ ПРОКЛАДКИ БЕСКАНАЛЬНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ТЕПЛОТРАСС. . 65

3.1. Влияние термического сопротивления теплоизоляционного слоя на величину тепловых потерь и распределения поверхностных температур.............. 66

3.2. Решение задачи теплопереноса в обобщенных переменных. Зависимость тепловых потерь и температурных распределений от числа Био............. 72

3.3. Влияние влажности грунта и тепловой изоляции на величину тепловых потерь..........;..... 85

ГЛАВА IV. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОГРАФИЧЕСКОГО МЕТОДА

ДЛЯ КАЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА СОСТОЯНИЯ

ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ....................94

4.1. Современные методы определения тепловых потерь подземных трубопроводов..............................94

4.2. Термографический метод оценки состояния тепловой изоляции подземных прокладок........................96

4.3. Анализ результатов термографирования..............117

ВЫВОДЫ..............................................................122

ЛИТЕРАТУРА..........................................................127

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................145

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Ь - межцентровое расстояние трубопроводов

^нг - диаметры подающего и обратного трубопроводов

? с1И2 - диаметры наружной поверхности изоляционных слоев подающего и обратного трубопроводов

^т, ^772 - диаметры наружной поверхности покровных слоев подающего и обратного трубопроводов

Н - расстояние, определяющее зону влияния трубо-

проводов на температурное поле грунта по оси У

Н - глубина заложения оси трубопроводов

1м - количество шагов сетки по оси х

]м 41

я

Чтх , Я

Т 2

к

- количество шагов сетки по оси у

линеиные потери тепла

м

м

м

м

м

м

Вт/м

линеиные потери тепла от наружной поверхности покровного слоя трубопроводов в грунт Вт/м

линейные потери тепла от наружной поверхности грунта в атмосферу

Вт/м

и

- линейные потери тепла подающего и обратного трубопроводов Вт/м

- термическое сопротивление слоя теплоизоляции (м К)/Вт

$ - расстояние, определяющее зону влияния

трубопроводов на температурное поле грунта по

оси X м

¿в - температура атмосферного воздуха °С

tг - температура произвольной точки грунта °С

tи - температура произвольной точки слоя

теплоизоляции °С

¿я - температура произвольной точки

покровного слоя °С

IТ15 /72 - температуры теплоносителя в подающем и

обратном теплопроводах °С

I (/, /) - температура произвольной узловой точки грунта °С

II - скорость ветра м/с Ж - коэффициент объемной влажности материала %

- коэффициенты объемной влажности

теплоизоляции и грунта %

X, У - декартовы координаты м

АХ/, Лу / - длины произвольных шагов расчетной сетки м

ЛХтщ - длина минимального шага расчетной сетки

по оси X м АХ - размер среднего шага от двух соседних шагов

расчетной сетки по оси х м

АУтт - длина минимального шага расчетной сетки

по оси у м

ду

а

А ди X

2

г

и

X

X

п

- размер среднего шага от двух соседних шагов расчетной сетки по оси у ■ м

- коэффициент теплоотдачи на границе грунт -атмосфера Вт/(м2К)

- задаваемая точность расчета численной схемы

- толщина слоя теплоизоляции

- коэффициент теплопроводности грунта

- коэффициент теплопроводности материала теплоизоляционного слоя

- коэффициент теплопроводности материала в сухом состоянии

- коэффициент теплопроводности материала покровного слоя

м

Вт/(м К)

Вт/(м К)

Вт/(м К)

Вт/(м К)

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние централизованного теплоснабжения характеризуется повышенными тепловыми потерями при транспорте тепловой энергии. Многие участки теплотрасс находятся в аварийном или близком к нему состоянии, качество строительных конструкций теплопроводов, их теплофизические характеристики могут существенно отклоняться от проектных и не обеспечивают оптимальных тепловых потерь.

Основными причинами отклонения от проектных режимов работы теплосетей являются увлажнение изоляции и грунта из-за нарушения целостности строительной и теплоизоляционной конструкций теплопроводов, быстрое старение и разрушение практически всех применяемых видов теплоизоляционных материалов.

В этой связи вопросы исследования процессов теплопереноса в зоне прокладки подземных теплотрасс и снижения потерь тепла при транспорте тепловой энергии становятся весьма актуальными. При этом необходимо учитывать требования энергосбережения и основные положения энергетической политики страны.

В "Основных направлениях энергетической политики Российской Федерации на период до 2010 года", утвержденных Указом Президента Российской Федерации от 7 мая 1995 г., №472 [1], указывается, что энергетическая политика Российской Федерации исходит, кроме всего прочего, из следующих приоритетов и структурных изменений:

повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и создание необходимых условий для перевода экономики страны на энергосберегающий путь развития;

реализация потенциала энергосбережения за счет создания и внедрения высокоэффективного топливо- и энергопотребляющего

оборудования, теплоизоляционных материалов и строительных конструкций;

уменьшения негативного воздействия энергетики на окружающую природную среду.

В общих положениях Федерального закона «Об энергосбережении», принятого Государственной Думой 13 марта 1996 года [2], говорится, что «энергосберегающая политика государства осуществляется на основе реализации федеральных и межрегиональных программ в области энергосбережения путем:

стимулирования производства и использования топливо- и энергосберегающего оборудования;

реализации экономических, информационных, образовательных и других направлений деятельности в области энергосбережения».

В Российской Федерации построено и эксплуатируется более 260 тыс. км водяных тепловых сетей диаметрами труб от 50 до 1400 мм (средний диаметр около 300 мм), под землей в каналах различных конструкций проложено 80% теплопроводов, под землей бесканально - 10%, на эстакадах над землей - 10%. За последние годы доля бесканальных теплопроводов при строительстве новых и реконструкции старых теплотрасс заметно возрастает.

Необходимо отметить, что широко применяемые теплопроводы в непроходных каналах с подвесной изоляцией морально устарели и характеризуются высокой стоимостью, большой материалоёмкостью, недостаточной надёжностью, значительными трудозатратами [154]. Каналы плохо защищают трубопроводы от влаги, минераловатные теплоизоляционные оболочки недолговечны и разрушаются в условиях переменных температурно -влажностных режимов. Применяемые антикоррозионные покры-

тия выходят из строя через один-два года. В целом, такая конструкция теплопровода не рассчитана на заводское" изготовление и механизацию процесса строительства. Значительная часть работ выполняется вручную. Эти теплопроводы нуждаются в радикальной реконструкции.

В настоящее время в мировой практике и, особенно северных европейских странах, всё более широкое распространение получают бесканальные способы прокладки тепловых сетей. Этому способствует, помимо перечисленных выше обстоятельств, индустриализация строительства теплопроводов, сравнительно простая технология изоляции труб, возможность заводского монтажа изолированных трубопроводов, а также более низкая стоимость теплотрассы.

В процессе внедрения бесканальных тепловых сетей предложено большое число конструкций теплопроводов. Новые разработки позволили на 50-70 % уменьшить стоимость строительства по сравнению с канальными прокладками.

В табл. 1 приведены значения стоимостей (в ценах 80-х годов) двухтрубных тепловых сетей при бесканальной прокладке для различных типов теплоизоляционных материалов и диаметров трубопроводов [70]. Там же даны стоимости канальных тепловых сетей в железобетонных каналах. Данные представлены с учётом, камер, гибких компенсаторов и другого оборудования, а также стоимости изоляционных и строительно-монтажных работ.

Сопоставление стоимостей бесканальных и канальных теплотрасс показывает высокую экономичность бесканальных прокладок. Для некоторых типов изоляции (например, битумопер-литной и битумокерамзитной) расхождение в стоимости доходит до 50-70 % , а для асфальтоизольной до 35-50 % .

В табл. 2 приведены расчётные значения капитальных затрат [22] для участков теплотрасс длиной 1000 м. при глубине заложения 1,5 м. Сметная стоимость канальной прокладки теплопроводов d=500 мм. в ценах 1984 г. составляла 158 тыс. руб. , а бесканальной -140 тыс. руб. При d=1000 мм. стоимость теплотрасс составила соответственно 309 и 285 тыс. руб.

В табл. 3 по данным [70] представлены стоимости (в ценах 80-х годов) различных способов прокладки тепловых сетей. И здесь сравнение свидетельствует о более низкой стоимости бесканальных теплопроводов.

Таблица 1.

Стоимость двухтрубных тепловых сетей.

Бесканальная прокладка, тип изоляции

D уел мм Канальная прокладка Армобетон Асфальто-изольная Асфальто-керамзито-бетон Битумо-перлит Битумо-керамзит

тыс тыс % тыс % тыс % тыс % тыс %

руб руб руб руб руб руб

50 78.5 72.5 93.3 26.4 33.6 44.0 56.0 46.4 58.8 42.0 53.5

100 94.6 90.0 95.0 31.6 33.4 63.0 66.5 61.0 64.6 57.9 61.0

150 106.5 105.1 99.0 45.7 42.9 71.7 67.5 74.8 70.8 68.3 64.2

200 155.9 127.2 81.6 61.5 39.5 90.3 58.0 87.8 56.2 78.0 50.0

300 230.8 172.2 74.7 87.2 37.8 136.0 59.0 107.2 46.5 - -

400 251.9 192.6 76.6 131.1 52.3 174.5 69.5 163.0 64.5 - -

500 353.3 240.3 68.0 156.3 44.3 204.0 57.8 - - - -

600 432.4 288.4 66.6

700 465.0 309.7 66.5

800 506.9 367.7 72.5

900 628.5 420.0 67.0

1000 651.7 464.4 71.0

и

Таблица 2.

Значения капитальных затрат.

Капитальные затраты, тыс. руб

Диаметр труб, Канальная прокладка Бесканальная

мм прокладка

500 158 140

1000 309 285

Таблица 3.

Стоимость различных способов прокладки тепловых сетей.

Количество и диаметр труб, мм Стоимость строительства, %

в непроходных каналах бесканально

2x100 100 86

2x500 100 66

2x1000 100 65

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.

Конструкции бесканальных прокладок теплопроводов непрерывно совершенствуются. В инженерной практике нашли внедрение новые виды тепловых сетей, обладающие существенными преимуществами перед канальными теплопроводами [46, 84]. Основой этих конструкций являются самокомпенсирующиеся секции заводского изготовления при максимальной механизации строительно-монтажных 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. Так на рис. 1 показана динамика ввода по годам канальных, бесканальных и надземных прокладок для г. Ростова-на-Дону. Из приведенного рисунка следует, что в 1994 году было проложено 0,58 км бесканальных и 2,44 км канальных теплопроводов. В 1997 году длина бесканальных составила 4,55 км, канальных - только 0,38 км.

Целью исследования настоящей работы является определение и анализ тепловых потерь бесканальных подземных теплотрасс при различных режимах их работы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем

1. Предложены расчетные схемы и алгоритмы с реализацией на ПЭВМ для математического моделирования явлений теплообмена в зоне прокладки подземных бесканальных теплотрасс.

2. Проведены численные эксперименты по определению температур и тепловых потерь бесканальных прокладок для наиболее характерных режимов их работы. Представленные в диссертации новые данные охватывают многие практические случаи, встречающиеся при эксплуатации тепловых сетей.

3. Получены новые результаты, показывающие влияние увлажнения грунта и теплоизоляционных слоев на величину тепловых потерь и температур в зоне прокладки теплотрасс.

4. Установлена функциональная связь относительных температур поверхности грунта над прокладкой и тепловых потерь с числом Био.

5. Предлагается на основе идентификации термограмм поверхности грунта над прокладкой производить качественную оценку состояния теплоизоляционных конструкций. В основе pea-

Км/год

1994 1995 1996 1997 1998

□ канальная □ бесканальная □ надземная

Рис 1. Динамика ввода но годам канальных, бесканальных и надземных прокладок для г. Ростова-на-Дону

лизованного на практике метода определения дефектов подземных теплопроводов лежит идея сравнения расчетных , и замеренных температур поверхности грунта над прокладкой.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. Коротко содержание работы сводится к следующему.

Во "Введении" и главе I рассмотрено современное состояние тепловых сетей в России. Проанализированы особенности работы канальной и бесканальной прокладок, дано их сравнение по показателям стоимости, надежности, долговечности, сделан вывод об определенных преимуществах бесканальных теплопроводов. Приведен анализ отечественной и зарубежной патентной информации, а также обзор работ в области конструкций, материалов и режимов работы подземных бесканальных теплотрасс.

В главе II дана математическая постановка задачи теплопе-реноса в системе «теплопровод-грунт-атмосфера», содержится описание расчетных схем для оценки температурных полей и тепловых потерь в зоне прокладки бесканальных теплотрасс. Здесь же приведено описание блок-схемы расчетного алгоритма и вычислительной программы для ПЭВМ, произведен анализ погрешности вычислений, дана оценка затрат машинного времени.

В главе III представлен анализ численных экспериментов процессов теплопереноса в зоне прокладки бесканальных подземных теплотрасс при изменении основных параметров теплопередачи. Показано влияние термического сопротивления теплоизоляционного слоя на величину тепловых потерь и распределение поверхностных температур, зависимость тепловых потерь и температурных распределений от числа Био, влияние влажности грунта и тепловой изоляции на тепловые потери.

В IV главе показана расшифровка термограмм поверхности грунта над прокладкой при помощи данных математического моделирования. С этой целью для выбранного участка тепловой сети рассчитывались температурные распределения при наличии ряда предполагаемых дефектов и режимов функционирования. Состояние теплотрассы оценивалось путем сопоставления расчетных данных с фактической термограммой.

В заключение излагаются общие выводы по проделанной работе.

В результате проведенного исследования в диссертации получены некоторые новые результаты. На защиту выносятся следующие положения.

1. Расчетные схемы и алгоритмы для математического моделирования явлений теплообмена в зоне прокладки подземных бесканальных теплотрасс.

2. Результаты численных экспериментов по определению температур и тепловых потерь бесканальных прокладок для наиболее характерных режимов их работы, охватывающие многие практические случаи, встречающиеся при эксплуатации теплотрасс.

3. Закономерности влияния термического сопротивления изоляционного слоя, увлажнения различных видов грунта (песок, суглинок, глина), увлажнения тепловой изоляции различных конструкций на температуры грунта и тепловые потоки.

4. Установленная зависимость тепловых потерь и температурных распределений от числа Био.

5. Данные идентификации термограмм поверхности грунта над прокладкой, определяющие реальное состояние теплоизоляционной конструкции.

В 1996 году автором за работу "Тепловые потери и теплови-зионный контроль подземных теплопроводов" получена поощрительная премия на втором Всероссийском конкурсе грантов молодых ученых России, проводимом Российской Академией естественных наук.

Работа выполнена на кафедре теплогазоснабжения Ростовского государственного строительного университета. Расчеты проведены на ЭВМ типа IBM PC AT с процессором Pentium (тактовая часто�