microbik.ru
1 2
Расчет мощности систем обогрева трубопроводов

М.Л. Струпинский, Н.Н.Хренков

Введение

Системы обогрева технологических трубопроводов широко используются в промышленности и строительстве, причем все большее распространение получает обогрев на основе кабельных нагревательных систем.

Кабельный обогрев имеет следующие достоинства:

  • Относительно низкую материалоемкость и, как следствие, меньшие по сравнению с паровым обогревом капитальные затраты

  • Большое разнообразие конструкций и методов кабельного обогрева позволяют создавать системы обогрева как сложных объектов с распределенной сетью трубопроводов, так и системы обогрева магистральных трубопроводов.

  • Следствием небольших размеров и гибкости кабелей являются относительно небольшие затраты при монтаже кабельных систем обогрева.

  • Возможность управления от автоматизированной системы позволяет с высокой точностью поддерживать заданный технологический процесс и оптимизировать эксплуатационные расходы.


Системы обогрева трубопроводов могут быть разделены на два основных класса: системы компенсации тепловых потерь и системы разогрева движущейся жидкости.

Принцип систем обогрева, предназначенных для компенсации тепловых потерь, состоит в том, что система обогрева должна компенсировать потери тепла данным трубопроводом, при условии поддержания требуемой температуры на всей длине трубопровода.

Системы разогрева предназначены для подъема температуры жидкости в процессе ее движения по трубе и для компенсации тепловых потерь, имеющих место при этом процессе.
Расчет тепловых потерь

Начальный этап проектирования любой системы обогрева связан с определением мощностных характеристик системы, т.е. с определением величины ожидаемых тепловых потерь. В то же время, в действующих строительных нормах и правилах нет прямых указаний на порядок определения и нормирования величины тепловых потерь для обогреваемых трубопроводов. Наиболее близко к данной теме подходят СНиП 41-03-2003 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» [1] и СП 41-103-2000 «Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов» [2].

В СНиП отсутствуют какие-либо расчетные формулы и приводятся только таблицы рекомендуемых величин тепловых потоков для теплоизолированных трубопроводов без обогрева.

Формулы, приводимые в общей части свода правил [2], позволяют рассчитывать величину тепловых потерь, но в дальнейших разделах данного документа также нет конкретных указаний по методам расчета для обогреваемых трубопроводов.
(1)

где: Tв – температура жидкости или температура внутренней стенки трубы, °С

Tн – температура окружающей среды, °С

– термическое сопротивление теплопередаче от жидкости к трубе, м∙°С/Вт

– сумма термических сопротивлений самого трубопровода, теплоизоляционных и защитных слоев, м∙°С/Вт

– термическое сопротивление теплопередаче от кожуха трубопровода к окружающей среде, м∙°С/Вт

В свою очередь термические сопротивления определяются из соотношений:



(2)



где: - коэффициент теплопередачи от жидкости к стенке трубы, Вт/м2∙°С

- коэффициент теплопередачи от поверхности кожуха к окружающей среде, Вт/м2∙°С

- коэффициент теплопроводности i- го слоя теплоизоляции, Вт/м∙°С

- внутренний диаметр трубопровода или i- го слоя, м

- наружный диаметр кожуха трубопровода или i- го слоя, м
Как видно из приведенных формул, термические сопротивления определяются размерами трубопровода, свойствами тепловой изоляции и условиями эксплуатации. Требуемая температура жидкости, как правило, задается. Как видно из формулы (1), величина тепловых потерь будет зависеть от того, какую температуру мы будем принимать в качестве температуры окружающей среды.

Климатические параметры

Согласно СНиП 41-03-2003 (п.п. 6.2 и 6.3), в качестве расчетной температуры окружающего воздуха следует принимать для оборудования и трубопроводов, расположенных на открытом воздухе и имеющих поверхности с положительными температурами, среднюю температуру наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92. В то же время ряд проектировщиков за температуру окружающего воздуха принимают самую минимальную температуру для данного региона.

Рассмотрим, какой из подходов больше соответствует реальным процессам нагрева и охлаждения.

Анализ данных СНиП «Строительная климатология» показал, что по разнице значений «температура самой холодной пятидневки» и «температура самых холодных суток» регионы различаются достаточно сильно. Общая тенденция такова: чем ниже средняя температура холодного периода, тем эта разница меньше и наоборот. Так для населенных пунктов Чукотки, Якутии, Красноярского и Хабаровского краев эта разница составляет 2÷ 3 градуса. В Мурманской, Вологодской, Владимирской и Новгородской областях эта разница достигает 10÷11 градусов. Та же тенденция прослеживается и при сравнении разницы между абсолютной минимальной температурой и температурой самой холодной пятидневки. В Якутии и на Чукотке разница составляет 4÷5 градусов, в то же время в центральной части России (Псковская, Владимирская, Калужская, Тверская и Ленинградская области) разница достигает 19÷22 градусов.

Для проведения сравнительных расчетов мы выбрали четыре характерных климатических зоны, достаточно полно представляющих климатическое разнообразие России: район Краснодара, район Владимира, район Надыма (Тюменская область) и район Якутска. В табл. 1 приведены климатические показатели для указанных зон, взятые из СНиП 23-01-99 «Строительная климатология» [3].

Таблица 1




Климатический район

Показатель

Краснодар

Владимир

Надым

Якутск

Климатический подрайон

III Б

II В

I Д

I А

Колебания среднемесячной температуры воздуха в январе,°С

От -5 до

+2

От -4 до

-14

От -14 до

-32

От -32 и ниже

Средняя температура

января, °С

-1,6

-11,1

-24,5

-42,6

Температура самой холодной пятидневки, °С Тхп

-19

-28


-44

-54

Температура наиболее холодных суток, °С Тхс

-27

-38

-53

-59

Абсолютная минимальная температура , °С Там

-36

-48

-58

-64

Средняя температура наиболее холодного периода, °С

-7

-16

-30

-48

Градусосутки января по средней температуре

-49,6

-344,1

-759,5

-1320,6

Градусосутки января по минимальной средней температуре Тсрхм

-155

-434

-992


-1488



Для того, чтобы понять как может изменяться температура воздуха в течение самого холодного месяца, на который, как мы полагаем, и приходятся самая холодная пятидневка и самые холодные сутки, построим соответствующие графики. За основу принимается величина градусосуток января для данного региона, которая определяется как произведение числа дней в месяце на минимальную среднюю температуру этого месяца (см. табл. 1, нижняя строка).



На рис. 1 показаны предполагаемые графики изменения температуры воздуха в течение самого холодного месяца для четырех выбранных нами климатических регионов.

Абсолютная минимальная температура ниже, чем температура самых холодных суток, поэтому длительность действия такой температуры будет меньше 24 часов. Мы приняли из сопоставления температуры самых холодных суток и абсолютной минимальной, что минимальная температура может продолжаться в течение до 12 часов.
Сопоставление методик расчета тепловых потерь

Температура, которую необходимо поддерживать на трубе, определяется свойствами жидкости или требованиями технологического процесса. При перекачке воды обычно поддерживается температура от +5 до +10°С, а при перекачке нефти и подобных продуктов + 40 ÷ 60°С. Системы обогрева устанавливаются на трубопроводах самых разных диаметров и, резонно предположить, что чем больше диаметр трубы, тем большей тепловой инерцией обладает система и тем меньше на нее будет влиять кратковременное изменение температуры воздуха.

Для дальнейшего анализа мы выбрали трубопроводы нескольких габаритов, с толщиной теплоизоляции, характерной для выбранных трубопроводов.

В таблице 2 приведены номинальные значения тепловых потерь для выбранного ряда трубопроводов, для которых выполнены расчеты из условия поддержания температуры +5°С (вода). В таблице 3 приведены результаты аналогичных расчетов для того же ряда трубопроводов из условия поддержания температуры +50°С (нефть).





Рис. 1. Вероятные графики температур воздуха в расчетных регионах
Для каждого региона расчеты выполнены для трех значений температуры:

1. для самой холодной пятидневки (Тхп) с обеспеченностью 0,92;

2. для самых холодных суток (Тхс) с обеспеченностью 0,98;

3. для абсолютной минимальной температуры (Там).

В таблицах показаны диаметры труб, толщины стенок и наиболее характерные для соответствующих труб толщины тепловой изоляции. В расчетах мы полагали, что тепловая изоляция выполнена из минеральной ваты, имеющей следующие характеристики:


Плотность, кг/м3

50

Коэффициент теплопроводности, Вт/м∙°С

0,05

Теплоемкость, Дж/кг∙°С

1200

Таблица 2.

Тепловые потери от теплоизолированных трубопроводов с водой (Т=+5°С)

при различных температурах окружающего воздуха

Труба

Толщ

Тепловые потери, Вт/м

dвн



изол

Краснодар

Владимир

Надым

Якутск

мм

мм

мм

-19

-27

-36

-28

-38

-48

-44

-53

-58

-54

-59

-64

10

14

20

5,3

7,1

9,1

7,3

9,5

11,7

10,9

12,8

14,0

13,1

14,2

15,4

26

32

30

6,9

9,2

11,8

9,5

12,3

15,2

14,0

16,6

18,1

17,0

18,4

19,8

50

58

40

8,4

11,3

14,4

11,6

15,1

18,6

17,2

20,4

22,1

20,8

22,6

24,3

80

89

50

9,8

13,0

16,7

13,4

17,5

21,5

19,9

23,6

25,6

24,0

26,1

28,1

100

114

60

10,3

13,7

17,5

14,1

18,4

22,7

20,9

24,8

26,9

25,3

27,4

29,6

200

219

80

13,5

18,0

23,1

18,6

24,2

29,8

27,6

32,6

35,5

33,3

36,1

38,9

Таблица 3.

Тепловые потери от теплоизолированных трубопроводов с нефтью (Т=+50°С)

при различных температурах окружающего воздуха

Труба

Толщ

Тепловые потери, Вт/м

dвн



изол

Краснодар

Владимир

Надым

Якутск

мм

мм

мм

-19

-27

-36

-28

-38

-48

-44

-53

-58

-54

-59

-64

10

14

20

15,3

17,1

19,0

17,3

19,5

21,7

20,8

22,8

23,9

23,0

24,1

25,3

26

32

30

19,8

22,1

24,6

22,4

25,2

28,1

26,9

29,5

31,0

29,8

31,2

32,7

50

58

40

24,3

27,1

30,2

27,4

30,9

34,5

33,0

36,2

38,0

36,6

38,3

40,1

80

89

50

28,1

31,3

35,0

31,7

35,8

39,8

38,2

41,9

43,9

42,3

44,3

46,4

100

114

60

29,5

32,9

36,8

33,3

37,6

41,9

40,2

44,0

46,2

44,5

46,6

48,7

200

219

80

38,8

43,3

48,4

43,9

49,5

55,2

52,9

58,0

60,8

58,5

61,3

64,2


Отношения между средними значениями потерь: холодных суток к холодной пятидневке (Рхс/Рхп) и минимальной температуры к холодной пятидневке (Рам/Рхп) приведены ниже (табл. 4). Для нефтяных трубопроводов величины этих отношений значительно ниже из-за большей разницы между поддерживаемой температурой и температурой окружающей среды.

Таблица 4

Регион

Отношение Рхс/Рхп

Отношение Рам/Рхп




вода

нефть

вода

нефть

Краснодар

1,335

1,116

1,709

1,245

Владимир

1,302

1,128

1,604

1,257

Надым

1,183

1,096

1,287

1,150

Якутск

1,085

1,047

1,169

1,097

Реальная мощность систем обогрева всегда принимается с запасом по отношению к номинальным значениям тепловых потерь. В случае использования саморегулирующихся кабелей коэффициент запаса равен 1,2 за счет большей динамичности характеристик кабелей данного типа. При использовании резистивных кабелей коэффициент запаса принимается на уровне 1,3 – 1,36.

Если монтаж теплоизоляции выполнен качественно, а опоры и фитинги надежно теплоизолированы, то имеющегося запаса мощности может хватить для поддержания заданных температур на нефтяных трубопроводах при любых эксплуатационных условиях. В отношении трубопроводов с водой требуется учитывать возможность остывания при наступлении холодных суток и минимальной температуры.

следующая страница >>