CC BY
2УДК 69
Холодок Д.П.
Частный специалист (г. Минск, Республика Беларусь)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ КАК ФАКТОР В ПОВЫШЕНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ ИНЖЕНЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ
Аннотация: в этом исследовании рассматривается потребность в энергосбережении в строительном секторе, в частности, на инженерных трубопроводных системах на стадии проектирования, которым часто не уделяется внимания, несмотря на их значительное энергопотребление. Цель - изучить современные тенденции энергосбережения при монтаже наружных трубопроводных сетей. Благодаря комплексному анализу, включающему расчет потенциала энергосбережения и обширные гидравлические эксперименты на трубопроводах с различными защитными покрытиями, это исследование подчеркивает потенциальную экономию энергии при установке внешних трубопроводов. Эмпирические данные стендовых гидравлических экспериментов показывают влияние материала и диаметра трубопровода на коэффициент удельного сопротивления, что дает основу для расчета экономии энергии. В исследовании особо подчеркивается эффективность использования полимерных труб, таких как ПЭ-100 СДР 17, для восстановления ветхих стальных трубопроводов, показывая существенный энергосберегающий эффект и предлагая формулу для быстрой оценки экономии энергии в зависимости от диаметра трубопровода. Полученные результаты свидетельствуют в пользу использования инновационных полимерных материалов в инфраструктуре для снижения производственных и эксплуатационных затрат, продления срока службы и повышения экологической эффективности. Эта работа вносит свой вклад в эту область, представляя новый подход к расчету энергосбережения при прокладке трубопроводов, предлагая существенные последствия для устойчивого строительства и управления коммунальными услугами.
Ключевые слова: энергосбережение, строительство, монтаж, трубопроводные сети, ресурсы.
Введение.
В настоящее время вопросы, касающиеся уменьшения потребления ресурсов стоят крайне остро, в силу ухудшающейся экологической обстановки и уменьшения природных ресурсов, в связи с чем важным является минимизация расходования ресурсов.
В свою очередь решение проблемы энергосбережения в сфере строительства заключается в сокращении теплопотерь через ограждающие конструкции, установке тепло- и водосчетчиков, а также в использовании нетрадиционных источников теплоснабжения и других инновационных подходов.
Тем не менее, вопросы, касающиеся энергосбережения в инженерных трубопроводных системах на стадии проектирования, зачастую остаются без должного внимания. Это становится особенно значимым, учитывая факт, что до 80% энергопотребления систем инженерного обеспечения зданий отводится на работу насосов и вентиляторов в трубопроводных сетях, обеспечивающих отопление, водоснабжение, вентиляцию и кондиционирование воздуха. Неоптимизированное использование этих систем может привести к значительным энергопотреблением и, как следствие, увеличению эксплуатационных расходов и негативному воздействию на окружающую среду из-за повышенных выбросов углекислого газа [1].
В этом контексте, проектирование инженерных систем часто склоняется к выбору максимально возможных параметров скорости движения рабочей среды в целях снижения начальных затрат на монтаж трубопроводов и компонентов систем, а также для эффективного использования пространства зданий. Однако, в свете предполагаемой исчерпаемости энергоресурсов, эффективность использования энергии становится более важной задачей.
В связи с чем целью данной работы является рассмотрение существующих современных тенденций в области энергосбережения при монтаже наружных трубопроводных сетей. При написании работы
использовались научные статьи и информация, содержащаяся в открытом доступе сети «Интернет».
Материалы и методы.
Расчет экономии электроэнергии (потенциала энергосбережения) при монтаже наружных трубопроводов и последующем их использовании проводился с учетом различных параметров. Эти параметры включают в себя изменение потенциала энергосбережения, ускорение свободного падения, расход воды, коэффициент полезного действия насосной установки, количество часов работы насоса в сутки и количество дней в году. Такой подход позволяет учесть эмпирические значения коэффициентов удельного сопротивления старого трубопровода и защитного покрытия, что важно для эффективного анализа.
Обширные гидравлические эксперименты проводились на трубопроводах с разными защитными покрытиями, используемыми при реконструкции и модернизации участков старых трубопроводных сетей. Такой подход обеспечивает более точные расчеты эффекта энергосбережения и способствует разработке эффективных стратегий реконструкции и модернизации систем инженерного обеспечения зданий.
Рис.1. Общий вид гидравлического стенда с исследуемыми трубами.
В рамках гидравлического исследования были подвергнуты анализу различные материалы трубопроводов с условным диаметром 100 мм, потенциально пригодные для достижения эффекта энергосбережения. Исследуемые материалы включали:
• Полиэтиленовую трубу ПЭ-100 SDR 17 (110x6,6 мм) в соответствии с ГОСТ 18599-2001,
• Полиэтиленовую трубу ПЭ-80 SDR 17 (110x6,6 мм) в соответствии с ГОСТ 18599-2001,
• Стеклопластиковую трубу по ТУ 2296-002-05919802-03 «Трубы бипластмассовые и соединительные детали»,
• Высокопрочный чугун с шаровидным графитом по ТУ 1461-03750254094-2004 от завода «Свободный Сокол»,
• Стальную трубу по ГОСТ 10704-91 с полимерным рукавом,
• Стальную трубу по ГОСТ 10704-91 с набрызгиваемым покрытием Scotchkote 169 HB,
• Стальную трубу по ГОСТ 10704-91 с набрызгиваемым покрытием Scotchkote Liner 2400,
• Стальную трубу по ГОСТ 10704-91 с набрызгиваемым покрытием Subcote FLP.
В качестве точки сравнения был представлен аналитический обзор каталожных характеристик стальных бесшовных труб отечественного производства 09Г2С по ГОСТ 10704-91. Эти данные позволяют сопоставить проанализированные материалы и определить их эффективность с точки зрения энергосбережения [2,3].
Результаты.
На основании результатов стендовых гидравлических экспериментов на трубопроводах из различных материалов получены следующие эмпирические зависимости коэффициента удельного сопротивления А [с2/м6] в зависимости от диаметра трубопровода d [м] (рис. 2.).
:: Эмпирические зависимости коэффициента удельного сопротивления"
табл. 1
Материал внутренней поверхности трубопровода Полиэтилен ПЭ-100 Полиэтилен ПЭ-60 Стеклопластик
вчшг
Полимерный рукав Scotchkote U9 НЕ Scotchkote Liner 2400 Subcote FLP Сталь
Эмпирическая зависимость A =f(d) Апэ-]ИО = 0,0007(Г5'1744 Апэ-8С = 0,0009 i/"5'2146 Лстеклонл. = 0,0005 <Г3'3392 Авчшг = о,оооб^-5,3081 Люл.рук. = 0,0007 (И'2791
-4sct.l69 = 0,00 08rf-3'19
ASct,2400 = 0,00095 ci~5'19 Asubc. = 0,0008Л"5'1883
Лсталь = 0,0017<Г5'1559
1 Зависимость коэффициента А от диаметра для защитных покрытий (труб) из различны* материалов.
Рис.2. Эмпирические зависимости коэффициента удельного сопротивления.
Используя представленные в рисунке 2 зависимости и формулу (1) возможно рассчитать потенциал энергосбережения при транспортировке воды
по напорному трубопроводу, восстановленному альтернативными способами нанесения внутренних защитных покрытий, производится по следующей модифицированной формуле: где ДЭ1м — изменение потенциала энергосбережения, кВт*ч, g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2, Р — расход подаваемой трубопроводом воды, м3/с, пНУ — коэффициент полезного действия насосной установки, 24 — количество часов работы насоса в сутки, ч.
Рис. 3. Формула для расчета экономии электроэнергии.
Ниже в качестве примера представлен расчёт потенциала энергосбережения ДЭ1м на 1 м трубопровода в киловатт-час в год при использовании в качестве ремонтного материала для восстановления ветхих стальных трубопроводов полимерных труб (ПЭ-100 с SDR 17). Предусматривается, что реконструкция стального трубопровода осуществляется по технологии Swagelining, которая заключается в протягивании в трубопровод плети полимерных труб идентичного диаметра после предварительных операций их термомеханического сжатия.
Рис.4. Динамика изменения потенциала энергосбережения от диаметра восстанавливаемого трубопровода (при КПД насосной установки 0,95).
Этот подход обеспечивает высокий эффект энергосбережения за счет тщательного прилегания новой полимерной трубы к внутренним стенкам старого стального трубопровода после ее распрямления.
В качестве инструментария используется специально разработанное программное обеспечение, например, PipeFlow Software. В него задаются стандартные диаметры, соответствующие значениям SDR (отношение диаметра к толщине стенки трубы), а также установив определенные значения расчетного расхода q и коэффициента полезного действия п насосной установки, программный комплекс автоматизирует расчет потенциала энергосбережения для диапазона диаметров от 0,09 м до 1,2 м и протяженности трубопровода от 1 м до 1000 м.
Результаты расчета потенциала энергосбережения и других характеристик для различных комбинаций диаметров старого стального трубопровода и полиэтиленовых труб ПЭ-100 с SDR 17 представлены в рисунке 4. Эта информация служит основой для оценки эффективности и потенциала
применения данной технологии в различных условиях и параметрах трубопровода.
Расчётные величины
Внутренний диаметр нового трубопровода после реновации,мм
Толщина стенки после операций сжатия/распрямления трубы, мм
Потери напора на единицу длины.
до реновации / поело реновации,м
Среднегодовая шномия электроэнергии на трубопроводе,
на 11.м. / по всей длине, кВт-ч:
Пары диаметров труб, и
0,09/0,1 0,2/0,; 0,3/0.3 77,82 174,2 264,В
6.09
11.9
17,6
0,4/0,4 352,6
23,7
0,5/0.5 440,6
29,7
0.63/063 0,71/0,71 555,2 625,0
37,4 42.1
0,04832/ 0,007442/ 0,004751/ 0,003374/ 0,04632 0.006449 0,003915 0,002765
2,091/
3.6705! 3070,5
6.104011 6106,01
7,7874/ 7707,4
0,002636/ 0,00162/ 0,002115
9,81763 / 9617,63
8,92026/ 8)20,24
0,001517/ 0,0012162
11.22241/ 11222,41
0,0/0,0 705,2
47,4
0.0013909/ 0,0011095
13,4667/ 13,4647
0,9/0,9 793,4
53,3
1,0/1,0
59,3
14.97673/ 14976,73
К, 6192/ 1(619,2
1,2/1,2 1057.8
71,1
0,000066/ 0,000681
20,10490/
"При значениях коэффициентов полезного действия навеньи установок 0,95 и SDR 17.
Рис.5. Результаты комплексного расчета потенциала энергосбережения.
Таким образом, при проведении приблизительных расчетов величины энергосбережения в процессе реконструкции старых стальных трубопроводов с использованием технологии Swagelining и установки новых полиэтиленовых труб ПЭ-100 SDR 17 (при сопоставлении с соответствующими диаметрами), можно применить следующую формулу: ДЭ1 м = 16,217dA0,8568. Эта формула обеспечивает быстрый и эффективный способ оценки потенциальной экономии электроэнергии в зависимости от диаметра трубопровода.
Обсуждение.
В свою очередь инновационные полимерные трубы становятся оптимальным решением для решения проблем с износом и модернизацией сетевой инфраструктуры, как в сфере жилищно-коммунального хозяйства, так и в промышленном комплексе. Подтверждено, что такие материалы позволяют существенно снизить производственные и эксплуатационные затраты, в том числе за счет более длительного срока службы.
На примере жилищно-коммунального хозяйства было отмечено, что внедрение полимерных труб может привести к снижению затрат на обслуживание систем водоснабжения и канализации на 50%. Это служит
наглядной демонстрацией преимуществ и эффективности использования инновационных полимерных материалов в современной инфраструктуре.
Оценка эффективности трубных решений становится более объективной при анализе жизненного цикла труб из различных материалов. С этой точки зрения полимерные решения проявляют явные преимущества по сравнению с традиционными материалами.
На основе текущего опыта применения и развития индустрии полимерных труб прогнозируется, что срок службы таких труб в сетях водоснабжения, газоснабжения и водоотведения, при условии соблюдения правил монтажа и эксплуатации, составит не менее 100 лет. В сетях теплоснабжения этот срок прогнозируется не менее 50 лет. Это позволяет значительно продлить бесперебойную работоспособность коммунальных систем, что влечет существенные экономические выгоды.
Прокладка полимерных труб не только увеличивает срок эксплуатации трубопровода в 2-4 раза (с 20-30 лет до 100 лет и более), но и замедляет старение коммунальной сети. Это приводит к снижению темпа износа до 1-2% в год, в сравнении с нынешними 3-5%. Важно отметить, что в течение всего этого срока службы сети практически не требуются затрат на эксплуатацию.
Полимерные трубы сохраняют высокую пропускную способность десятилетиями, так как пластик не поддается биологическим отложениям, что препятствует размножению патогенных бактерий в воде. Это обеспечивает не только долговечность системы, но и экологическую эффективность за счет сокращения потерь воды, утечек и аварий, а также минимизации техногенных катастроф.
Важным аргументом является также поддержание высокого качества транспортируемой воды в полимерных сетях, предотвращая вторичное загрязнение воды, что часто происходит в старых и дефективных трубопроводах [4,5].
Заключение.
Таким образом можно сказать, что благодаря внедрению современных материалов при разработке трубопровода, можно добиться улучшения расходования ресурсов. В частности, использование полимерных труб становится ключевым фактором в повышении эффективности и устойчивости инженерных коммуникаций.
Применение полимерных материалов, таких как полиэтилен, стеклопластик и другие, не только увеличивает срок службы трубопроводов, но и способствует существенной экономии энергоресурсов. Эти материалы обладают высокой устойчивостью к коррозии, биологическим отложениям и другим агрессивным воздействиям, что снижает потребность в регулярном обслуживании и ремонта.
Основными преимуществами использования полимерных труб являются продление срока службы коммуникаций до нескольких десятилетий, минимизация потерь энергии и воды, а также уменьшение вредного воздействия на окружающую среду. Такие инновационные подходы не только способствуют современным тенденциям в области энергосбережения, но и открывают новые перспективы для устойчивого развития городской инфраструктуры.
Более того, автоматизированные системы управления, частотно-регулируемые насосы и другие современные технологии позволяют оптимизировать режимы эксплуатации наружных трубопроводных сетей, дополнительно улучшая энергоэффективность. С учетом акцентирования внимания на внедрении передовых технологий, сценарий перехода к современным материалам и методам монтажа трубопроводных систем представляется перспективным и обоснованным шагом в направлении устойчивого и энергоэффективного будущего.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Алабтах Ф. Г., Махди Э., Элиян Ф. Ф. Использование волокнистых полимерных композитов в трубопроводах: обзор //Композитные конструкции. -2021. - Т. 276. - С. 114595;
2. Обеспечение эффекта энергосбережения после реконструкции напорных водопроводных сетей внутренними защитными покрытиями. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.c-o-k.ru/articles/obespechenie-effekta-energosberezheniya-posle-rekonstrukcii-napornyh-vodoprovodnyh-setey-vnutrennimi-zaschitnymi-pokrytiyami.- (дата обращения 13.02.2024);
3. Энергосбережение в водоснабжении и канализации. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://patriot-nrg.com/ru/content/energosberezhenie-v-vodosnabzhenii-i-kanalizacii.- (дата обращения 13.02.2024);
4. Трубопроводные системы будущего .[Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.kommersant.ru/doc/5030061.- (дата обращения 13.02.2024);
5. Особенности и преимущества трубопроводного транспорта - зачем нужны трубопроводы. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://ifsolutions.com/features-benefits-of-pipeline-transportation-why-pipelines-needed/.- (дата обращения 13.02.2024)
Kholodok D.P.
Private Specialist (Minsk, Republic of Belarus)
USE OF POLYMER PIPES AS FACTOR IN IMPROVING EFFICIENCY AND SUSTAINABILITY OF ENGINEERING COMMUNICATIONS
Abstract: study examines the need for energy conservation in the construction sector, in particular, in engineering pipeline systems at the design stage, which are often ignored despite their significant energy consumption. The purpose is to study current energy saving trends in the installation of outdoor pipeline networks. Thanks to a comprehensive analysis including the calculation of energy saving potential and extensive hydraulic experiments on pipelines with various protective coatings, this study highlights the potential energy savings when installing external pipelines. Empirical data from bench hydraulic experiments show the influence of the material and diameter of the pipeline on the coefficient of resistivity, which provides the basis for calculating energy savings. The study highlights the effectiveness of using polymer pipes such as PE-100 SDR 17 for the restoration of dilapidated steel pipelines, showing a significant energy-saving effect and offering a formula for quickly estimating energy savings depending on the diameter of the pipeline. The results obtained support the use of innovative polymer materials in infrastructure to reduce production and operating costs, extend service life and increase environmental efficiency. This work contributes to this area by introducing a new approach to calculating energy savings in pipeline construction, offering significant implications for sustainable construction and utility management.
Keywords: energy saving, construction, installation, pipeline networks, resources.
