Особенности расчета тепловой изоляции обогреваемых трубопроводов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

строительная теплофизика и энергосбережение

Особенности расчета тепловой изоляции обогреваемых трубопроводов

Н.Н. Хренков

ООО Специальные системы и технологии

Отсутствуют нормативные документы, регламентирующие порядок расчета характеристик и выбора тепловой изоляции обогреваемых трубопроводов. Существующий СНиП 41-03-2003 содержит рекомендации по выбору тепловой изоляции трубопроводов, не имеющих обогреваемых элементов. И только введенный в 2005 году ГОСТ Р МЭК 62086 содержит расчетные формулы для ряда типовых случаев и некоторые рекомендации. Но в нем нет рекомендаций по правилам расчетов с учетом климатических характеристик, размеров трубопроводов и свойств материалов, из которых они выполнены.

Наша организация уже более 12 лет профессионально занимается проектированием, изготовлением и монтажом электрических систем обогрева трубопроводов.

Основные задачи, решаемые с помощью систем обогрева, представлены в таблице 1. Кратко

Реализуемая задача Достигаемый эффект Мощность, Вт/м

Полная или частичная компенсация тепловых потерь с целью Система обеспечивает поддержание той температуры, с которой жидкость 15 - 80

обеспечения стабильности технологического процесса поступает в трубу

Поддержание минимально допустимой температуры при остановке процесса Система не допускает охлаждения ниже минимального уровня в случае длительной остановки 10 - 60

Разогрев трубы при холодном пуске объекта Обеспечивается разогрев до нужной температуры после длительной или аварийной остановки объекта 15 - 80

Разогрев движущейся в трубе жидкости с целью подъема температуры Может быть реализован в отдельных случаях; требует больших линейных мощностей или большой длины трубопровода 100 - 500

они формулируются так: обеспечение безопасности функционирования трубопроводов и стабильности технологических процессов.

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 подье-ма температуры жидкости в процессе ее движения по трубе при одновременной компенсации тепловых потерь, имеющих место при этом процессе.

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.

Величина тепловых потерь определяется из общеизвестных соображений, но для расчетов необходимо знать поддерживаемую температуру, минимальную температуру окружающей среды и суммарное термическое сопротивление тепловой изоляции

Т -Т

О, =-^-, (1)

ЯВН + ^ +

1=1

Таблица 1. Основные задачи, решаемые с помощью систем обогрева.

где Тв — температура жидкости или температура внутренней стенки трубы, °С; Тн — температура окружающей среды, °С; Я ' — термическое сопротивление теплопередаче от жидкости к трубе,

п

м-°С/Вт; ^Г^К/ — сумма термических сопротив-

1=1

лений самого трубопровода, теплоизоляционных и защитных слоев, м • °С/Вт; Я 1 — термическое со-

строительная теплофизика и энергосбережение

противление теплопередаче от кожуха трубопровода к окружающей среде, м • °С/Вт.

В свою очередь термические сопротивления также определяются по известным зависимостям:

^вн -

я! -

1

^вн ■ а вн

1

-

2 ■ П ■ X/ 1

\п—

Л

(2)

П ■ ^ ■ а н

где авн — коэффициент теплопередачи от жидкости к стенке трубы, Вт/м2-°С; ан — коэффициент теплопередачи от поверхности кожуха к окружающей среде, Вт/м2-°С; X. — коэффициент теплопроводности / - го слоя теплоизоляции, Вт/м • °С; ^вн, ^ вн — диаметр трубопровода или / - го слоя, м; йн , й 'н наружный диаметр кожуха трубопровода или . - 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.

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.

В то же время в указанном СНиП имеется противоречивое указание о том, что для расчетов следует принимать среднюю температуру по году.

Нами проведено исследование тепловой устойчивости обогреваемых трубопроводов в связи с их размерами и климатическими особенностями наиболее характерных регионов России.

Анализ данных СНиП «Строительная климатология» показал, что по разнице значений «температуры самой холодной пятидневки» и «температуры самых холодных суток» регионы различаются достаточно сильно. Общая тенденция такова: чем ниже средняя температура холодного периода, тем эта

370

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.

В ходе исследований предполагалось, что самые холодные сутки и абсолютная минимальная температура имеют место на фоне самой холодной пятидневки. Получен ожидавшийся результат о том, что тепловая устойчивость трубопроводов малого диаметра невелика, но главная ценность -выработаны обоснованные рекомендации по выбору минимальной температуры при расчете тепловых потерь.

Сформулированы следующие рекомендации:

1. Расчет номинальной мощности систем обогрева по температуре самой холодной пятидневки рекомендуется выполнять:

• для трубопроводов диаметром 100 мм и более;

• для трубопроводов любых размеров, в случае протекания жидкостей, для которых допустимая степень охлаждения равна или превосходит разность между абсолютной минимальной температурой и температурой самой холодной пятидневки;

• при условии задания такого значения поддерживаемой температуры, чтобы разность между поддерживаемой и минимально допустимой для данной жидкости температурой была бы равна или превосходила разность между абсолютной минимальной и температурой самой холодной пятидневки.

2. Если ни одно из условий пункта 1 не выполняется, систему обогрева следует рассчитывать по абсолютной минимальной температуре.

Мощность систем обогрева подземных трубопроводов

Расчет потерь от трубопроводов, проложенных в грунте, осложняется тем, что надо учитывать характеристики грунта. В СП 41-103-2000 есть указание, что при расстоянии от поверхности грунта до оболочки трубопровода менее 0,7 м за расчетную температуру рекомендуется принимать температуру самой холодной пятидневки. Такой подход дает завышенные значения тепловых потерь, так как не учитывается термическое сопротивление грунта и термическая инерционность системы грунт-трубопровод.

2009

5

строительная теплофизика и энергосбережение

В то же время для подземных трубопроводов, расположенных на большей, чем 0,7 м, глубине, за расчетную температуру окружающей среды рекомендуется принимать среднюю за год температуру грунта на глубине заложения трубопровода. Однако эта рекомендация также представляется спорной, поскольку минимальная температура грунта в зимнее время на глубине заложения трубопровода заметно ниже средней за год температуры. Опыт общения со специалистами проектных организаций показал, что под средней температурой грунта они зачастую понимают стабильную температуру грунта, которая имеет место на глубине 10 м. Такие расчеты дают заниженную величину тепловых потерь.

Мы провели анализ ежегодных тепловых процессов в грунте, рассмотрели несколько вариантов методов расчета потерь от подземных обогреваемых трубопроводов и предлагаем методику упрощенных расчетов.

Особый интерес представляет расчет тепловых потерь от подземных трубопроводов, проложенных в зоне вечной мерзлоты. По методикам, изложенным в СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах», рассмотрены процессы промерзания и оттаивания грунта на типичных глубинах прокладки трубопроводов (около 1 м). Было показано, что температуры, близкие к минимальным, держатся достаточно стабильно не менее 2 месяцев. Именно они и должны браться в расчет при определении тепловых потерь от трубопроводов, проложенных в вечной мерзлоте. Эти температуры значительно ниже стабильной температуры вечной мерзлоты, измеряемой на глубине 10 м, а также среднегодовой температуры грунта, определяемой согласно [4].

Общая схема расчетов предполагает, что термическое сопротивление грунта складывается с термическим сопротивлением тепловой изоляции. Расчеты по этой схеме не представляют сложности, а коэффициент теплопроводности грунта может быть определен по справочникам, тем более, что его влияние незначительно.

Один из наиболее простых способов определения термического сопротивления грунта — использование формулы Форгеймера:

Rp 2пХг

-in

2h

D

об

' 2h ^2

V °об

-1

(3)

где йоб — диаметр оболочки трубопровода; И — расстояние от оси трубопровода до поверхности земли; Хгр — коэффициент теплопроводности грунта.

Основной вопрос при этих расчетах — какую температуру принимать за температуру воздуха над поверхностью грунта. Расчеты свойств вечномерз-лых грунтов показали, что они обладают большой тепловой инерционностью и минимальный отрезок времени, который реально влияет на свойства грунтов, не может быть меньше месяца.

Общий итог проведенных исследований

1. Рассмотрено три методики расчета тепловых потерь от обогреваемых трубопроводов, проложенных в вечномерзлом грунте: в соответствии с рекомендациями СНиП 2.02.04-88, с использованием формулы Форгеймера и при помощи программного комплекса моделирования двумерных полей

ЕЮиТ.

2. Показано, что наиболее быструю (и немного завышенную) оценку величины потерь можно получить при использовании формулы Форгеймера, но при этом за температуру воздуха над поверхностью грунта следует принимать среднюю температуру периода от начала отрицательных температур до момента наиболее низких температур в грунте (обычно это середина марта).

3. При расчете тепловых потерь от трубопроводов, проложенных в вечномерзлом грунте, недопустимо использовать стабильную температуру, наблюдаемую на больших глубинах, поскольку это приводит к занижению величины тепловых потерь примерно на 30%.

Список литературы

1. СНиП 41-03-2003 Тепловая изоляция оборудова-

ния и трубопроводов.

2. СП 41-103-2000 Проектирование тепловой изоля-

ции оборудования и трубопроводов.

3. СНиП 23-01-99 Строительная климатология.

4. СНиП 2.02.04-88 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах.

5. М.Л. Струпинский, Н.Н. Хренков. Расчет мощ-

ности систем обогрева трубопроводов. Территория нефтегаз 2008, №4, с. 58-65.

6. Н.Н. Хренков. Тепловые параметры трубопро-

водов, проложенных в вечномерзлом грунте. «Трубопроводный транспорт (теория и практика)» 2007, №1, с. 062-067.

+