CC BY
55
05.14.04
ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ
Амосов Николай Тимофеевич, канд. техн. наук, профессор, СПбПУ Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия Строгонов Константин Владимирович, канд. техн. наук, доцент, НИУ МЭИ, Москва, Россия Федюхин Александр Валерьевич, канд. техн. наук, доцент, НИУ МЭИ, Москва, Россия
Газизов Фарит Насибуллович, технический директор ООО «Невская Энергетика», Санкт-Петербург, Россия. E-mail: gazizov@nevaenergy.ru
Аннотация. В статье проводится сравнение технических показателей применения композитных и металлических трубопроводов, а также изоляции из пенополиуретана (ППУ) и вспененного каучука (ВК) для нужд централизованного теплоснабжения в Российской Федерации. Установлено, что на всем диапазоне условных диаметров значение температуры внешней поверхности неизолированной трубы и теплового потока (тепловых потерь) через изолированную поверхность будет меньше у композитных труб, чем у металлических. Показано, что оптимальная толщина тепловой изоляции для композитных трубопроводов по расчетным данным (согласно СО 153-34.20.523-2003) ниже, чем для металлических труб на 4-5 мм. Рекомендуется применение композитных труб с толщиной тепловой изоляции на 7-10% меньше, чем для аналогичных размеров металлических труб (согласно ГОСТ 30732-2006) на всем диапазоне условных диаметров.
Ключевые слова: тепловые сети, металлические и композитные трубопроводы, тепловые потери, оптимальная толщина тепловой изоляции, пенополиуретан, вспененный каучук.
1. Введение
В настоящее время в Российской Федерации наибольшее распространение для нужд централизованного теплоснабжения получили металлические трубы с изоляцией из минеральной ваты и стекловолокна. При этом срок службы большого количества имеющихся тепловых сетей уже превысил расчетный период в 25 лет [1]. Степень износа объектов коммунальной инфраструктуры по отдельным муниципальным образованиям уже достигла 70-80% при ежегодном нарастании износа в 2-3%. Сегодня при ремонте и прокладке новых теплотрасс чаще всего применяются металлические или полимерные трубы в изоляции из пенополиуретана. Задачей текущей статьи является сравнение различных существующих и перспективных материалов трубопроводов и тепловой изоляции по различным показателям.
Для сооружения тепловых сетей чаще используются металлические трубы из стали марок Ст2, СтЗ, СтЮ, Ст20, Ст102С1, Ст15ГС, Ст16ГС. Выбор труб и арматуры для теплопроводов производится по условным диаметрам (проходам), давлению и температуре рабочей среды теплоносителя. Для трубопроводов наружных тепловых сетей используют стальные бесшовные или электросварные трубы. Фасонные части, устанавливаемые на наружных теплопроводах (отводы, переходы и пр.), должны быть также стальными сварными, гнутыми или штампованными. Преимущественное применение металлических труб для тепловых сетей в Российской Федерации обусловлено высокими механическими и прочностными характеристиками, наличием развитого промышленного сектора производства и обслуживания металлопрокатных изделий, обширного опыта использования данных трубопроводов у эксплуатирующих организаций, а также
отсутствием рынка (за исключением последних 10-15 лет) альтернативных эффективных материалов. В последние годы в ходе реконструкции и для ремонта тепловых сетей стали использоваться высокоэкономичные предизолиро-ванные трубы, изготовленные из термостойких полимерных (чаще сшитого полиэтилена) материалов. Их преимуществами является удобство и простота в монтаже, долгий срок службы, антикоррозийная защита. При этом данный материал чаще применяется для внутренних тепловых контуров при температурах теплоносителя до 95 °С и давлении до 1,6 МПа ввиду ограничений по физико-химическим свойствам материала [2-5].
Кроме того, для изготовления современных высокоэффективных и долговечных труб, в зависимости от назначения, места и способа прокладки могут применяться различные композитные материалы:
• базальтовые, стеклянные или углеродные волокна;
• синтетические волокна из различных материалов;
• резины, резинопласты и фторопласты различных марок;
• связующие материалы на базе различных смол и клеевых композиций.
Высокие удельные показатели прочности и жесткости волокнистых композиционных материалов наряду с химической стойкостью, сравнительно малым весом и другими свойствами, сделали эти материалы привлекательными для изготовления трубопроводов различного назначения. Преимущества применения трубопроводов из композитных материалов заключаются в увеличении расчетного срока службы тепловых сетей в два раза по сравнению с металлическими трубами, уменьшении гидравлических и тепловых потерь за счет физико-химических свойств материала, а также в более низких трудо- и финансовых затратах на строительство
теплотрасс. Сегодня композитные трубы находят применение в сетях теплоснабжения с температурным графиком 130/70 и ниже. Для применения на графике 150/70 требуется их опытная апробация и сертификация на расчетную температуру теплоносителя 150 °С.
2. Определение температуры внешней стенки трубопровода
Ниже представлены исходные данные, необходимые для расчета температуры внешней стенки для стандартных металлических и композитных трубопроводов (табл. 1 и 2).
Таблица 1
Исходные данные для расчета температуры внешней стенки трубопровода
Температурный график 95/70
110/70
130/70
Расчетная температура наружного воздуха, °С -30
Текущая температура грунта, °С 1
Продолжительность работы системы теплоснабжения, ч 6475
Материал трубопровода Сталь нержавеющая Композит
Коэффициент теплопроводности Л, Вт/(м • К) 14,4 + 0,016*t 0,30
Теплоизоляционный материал трубопровода ППУ ВК
Коэффициент теплопроводности Л, Вт/(м • К) 0,05 0,04
Таблица 2
Размеры трубопроводов
Условный диаметр трубопровода, мм 50 65 80 100 150 200 250 300 400 500
Минимальная толщина стенки, мм Металл
3,0 3,0 4,0 4,0 4,5 6,0 7,0 7,0 7,0 7,0
Композит
3,3 4,3 5,3 6,7 7,5 8,3 10,4 12,5 16,7 20,8
Далее выполнено расчетное сравнение оптимальной толщины тепловой изоляции из ППУ для разных металлических и композитных трубопроводов. Расчет проводится согласно СО 153-34.20.523-2003 [6] с тем отличием, что вместо средней температуры теплоносителя за отопительный период в прямом ((Л13'1") и обратном ((осрг) трубопроводах будет использоваться температура на внешней стенки трубы ((псстг), рассчитанная по формуле (например, для подающего трубопровода):
„
-t ср'г) п.ст )
1
1
-+-In—
a,d. 2Xr d.
где - линейная плотность теплового потока, численно равная удельным тепловым потерям подающего цп и обратного цо трубопроводов, Вт/м; а1 - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к внутренней поверхности трубопровода, принимаемый 300 для подающего и 200 для обратного трубопроводов, Вт/(м2 • К); Л. - коэффициент теплопроводности металлической или композитной трубы, Вт/(м • К); С2 -внутренний и внешний диаметры труб соответственно, м.
На рис. 1 представлен график изменения толщины стенки трубы в зависимости от условного диаметра для разных материалов.
S
пГ
5 20
СО
¥ 10
-О -¿I - Комп - Мета озит лл
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Условный диаметр трубопровода, мм
Рис. 1. Зависимость толщины стенки трубопровода от условного диаметра
В табл. 3. представлены результаты расчета температуры внешней стенки трубопровода (на стыке металла/композита и ППУ изоляции) при значениях потерь тепловой энергии в пределах норм, согласно СО 153-34.20.523-2003.
Таким образом, за счет меньшей теплопроводности температура на внешней поверхности композитной трубы ниже на 1,6-1,8 °С температуры металлической поверхности при аналогичном температурном режиме и условном проходе (рис. 2).
Таблица 3
Расчетные температуры внешней поверхности трубопроводов (М - металл; К - композит)
Условный диаметр трубопровода, мм
Температурный график, °С
95/70
ПОД
ОБР
110/70
ПОД
ОБР
130/70
ПОД
ОБР
Среднегодовая температура теплоносителя, °С
65
М
50
М
90
М
50
М
130
М
110
М К
50
М К
50
65
80
100
150
200
250
300
400
500
На рис. 2 представлены графические диаграммы расчетных величин из табл. 3. Для всех рассматриваемых диаметров и температурных графиков температура стенки композитной трубы будет ниже металлической, что обусловлено отличием в теплопроводности материала. Несмотря на то, что основной вклад в снижение тепловых потерь теплосети вносит изоляционный слой, материал самой трубы является дополнительным преимуществом композитного трубопровода в сравнении с металлическим трубопроводом.
130 120 110 100 90 80 70 60 50 40-
^ Композит I I Металл
_п
50
65 90 110
Температура теплоносителя, "С
130
Рис. 2. Расчетная температура внешней стенки трубопровода в зависимости от температуры теплоносителя
3. Расчет оптимальной толщины тепловой изоляции
На основе значений тепловых потоков (СО 153-34.20.5232003) и рассчитанных температур поверхности трубопроводов можно определить минимальную необходимую толщину ППУ изоляции (табл. 4) при продолжительности отопительного периода более 5000 ч в год. Расчет проводится
для подземной бесканальной прокладки на глубине заложения 2 м при расстоянии между трубопроводами 1 м.
На рис. 3 представлено графическое сравнение расчетных толщин изоляции при температуре теплоносителя 110 °С на основе данных, рассчитанных в табл. 4.
¡65
60
• 55
^ Композит I I Металл
" 50
; 45
40-
50 65 80 100 150 200 250 300 40 500 Условный диаметр трубопровода, мм
Рис. 3. Расчетная толщина изоляции при температуре теплоносителя 110 °С
По результатам, представленным в табл. 4 и на рис. 3, следует, что за счет более низкой теплопроводности стенки трубы, композитные трубопроводы требуют меньшей толщины ППУ изоляции на всем диапазоне диаметров и вне зависимости от температурного режима сети. При чем, наибольшее преимущество они имеют в диапазон диаметров 200-400 мм. В этих случаях уменьшение толщины изоляции может достигать 4-5 мм, что соответствует снижению сечения изоляционного покрытия на 7-10%. Поэтому можно рекомендовать применение композитных труб с толщиной тепловой изоляции на 7-10% меньше, чем для аналогичных размеров металлических труб на всем диапазоне условных диаметров.
К
К
К
К
К
Таблица 4
Минимально необходимая расчетная толщина ППУ изоляции, мм (М - металл; К - композит)
Условный диаметр трубопровода, мм Температурный график (°С)
95/70 110/70 130/70
Среднегодовая температура теплоносителя в подающем трубопроводе, °С
65 90 110 130
М К М К М К М К
50 45 43 45 42 44 41 62 59
65 45 41 43 40 47 44 65 61
80 48 47 45 43 48 46 66 64
100 46 46 44 44 49 48 68 68
150 57 57 49 48 58 57 79 79
200 57 53 53 50 58 53 78 74
250 56 53 57 54 59 55 80 76
300 54 52 58 55 64 61 86 83
400 56 55 60 59 62 61 85 83
500 55 53 56 55 62 60 85 83
Таблица 5
Толщины ППУ изоляции и наружный диаметр оболочек по ГОСТ 30732-2006, мм
Условный диаметр трубопровода, мм 50 65 80 100 150 200 250 300 400 500
Параметры Толщина ППУ изоляции, мм
31,5 39,0 42,5 43,0 55,5 62,0 57,0 79,5 92,4 79,0
Наружный диаметр оболочки, мм
125 160 180 200 280 355 400 500 630 710
Толщина полиэтиленовой оболочки, мм
2,50 3,00 3,00 3,20 4,40 5,60 5,60 6,20 7,90 8,90
Толщина стальной оболочки, мм
0,55 0,55 0,60 0,60 0,70 0,70 0,80 0,80 1,00 1,00
Согласно ГОСТ 30732-2006 [7] металлические трубы для теплоснабжения при бесканальной прокладке могут быть выполнены как в полиэтиленовой (2,5-8,9 мм), так и в стальной оцинкованной оболочке (0,55-1,00 мм). Расчетные значения толщины ППУ изоляции для металлических труб, приведенные в упомянутом стандарте, представлены в табл. 5.
Сравнивая расчетные (см. табл. 4) и нормативные (см. табл. 5) значения изоляции для металлических труб, можно сделать вывод о том, что в диапазоне диаметров до 150 мм ГОСТ 30732-2006 несколько занижает требования по толщине ППУ изоляции. Такое расхождение обусловлено тем, что ГОСТ 30732-2006 нормирует тепловые потери только исходя из условного диаметра и региона прокладки трубопровода в отличие от СО 153-34.20.523-2003, где дополнительно рассматривается влияние температуры
теплоносителя. Такой подход в данном случае можно считать обоснованным, т.к. низким диаметрам (до 150 мм), как правило, соответствуют невысокие температуры теплоносителя (до 90 °С) и малые удельные тепловые потери.
На рис. 4 представлено сравнение рекомендуемой толщины ППУ изоляции для композитной трубы и нормируемой толщины ППУ изоляции для металлической. Как уже было отмечено выше, для композитных труб принимается снижение рекомендуемой толщины тепловой изоляции на 7-10% в диапазоне до 150 мм. При диаметрах от 200 мм и выше рекомендуемая толщина ППУ изоляции композитной трубы принимается согласно расчету. Как следует из нормативных документов (ГОСТ 30732-2006), для металлической трубы наблюдается значительный рост толщины рекомендуемой изоляции с увеличением условного диаметра.
95
2
* 85
га
§ 75
о.
с
0
VO
э- 65
О.
н
1 55-
45
35
^ Композит I I Металл (ГОСТ 30732-2006)
25-
50
65 80 100 150 200 250 300 40 500 Условный диаметр трубопровода, мм
Рис. 4. Нормативная толщина изоляции для металлических труб и расчетная - для композитных труб
4. Сравнение характеристик тепловой изоляции из ППУ и ВК
В качестве альтернативы ППУ изоляции может применяться ВК. Согласно справочным данным его теплопроводность составляет 0,04 Вт/(м • К), что на 25% ниже чем у ППУ (табл. 6).
Расчетная толщина тепловой изоляции для ВК будет несколько ниже ППУ при аналогичных параметрах (табл. 6). Для диаметров до 150 мм рекомендуется одинаковая толщина изоляции для каждого материала вне зависимости от температурного графика, т.к., как уже было ранее отмечено, это участки зачастую имеют невысокую температуру теплоносителя малые удельные тепловые потери.
На рис. 5 приведены сравнения минимальных толщин композитных труб в ППУ и ВК изоляции при температуре теплоносителя 110 °С.
Таблица 6
Минимально необходимая расчетная толщина ППУ и ВК изоляции для композитной трубы, мм
Условный диаметр трубопровода, мм Температурный график, °С
95/70 110/70 130/70
Среднегодовая температура теплоносителя в подающем трубопроводе, °С
65 90 110 130
ППУ ВК ППУ ВК ППУ ВК ППУ ВК
50 29 19 29 19 29 19 29 19
65 36 25 36 25 36 25 36 25
80 39 28 39 28 39 28 39 28
100 40 29 40 29 40 29 40 29
150 51 39 51 39 51 39 51 39
200 53 41 50 38 53 41 74 56
250 53 41 54 42 55 42 76 58
300 52 40 55 43 61 47 83 63
400 55 42 59 46 61 47 83 64
500 53 41 55 43 60 46 83 65
65 60
g55
. 50
vo 45
S 40
I 35 §
3 30
nj
i 25 3
I 20
I I ППУ I—I BK
50 65 80 100 150 200 250 300 40 500 Условный диаметр трубопровода, мм
Рис. 5. Расчетная толщина изоляции при температуре теплоносителя 110 °С
В настоящее время трубы для теплоснабжения при подземной бесканальной прокладке чаще всего выпускаются в ППУ изоляции с полимерным (полиэтиленовым) кожухом. Металлический кожух (оцинкованная сталь) рационально использовать для надземной прокладки, т.к. в этом случае трубопровод становится более защищенным от внешнего механического воздействия. Использование металлического кожуха для подземной прокладки по этой причине становится менее актуальным, к тому же повышается риск коррозионного повреждения оболочки в сравнении с полимерным кожухом. В рассматриваемом случае является целесообразным применение композитных труб с ППУ/ВК изоляцией и полиэтиленовым/композитным кожухом. В связи с малыми величинами тепловодности полиэтилена и композита, а также небольшой толщиной оболочки, вопрос подбора подходящего материала не является значимым с точки зрения процесса теплообмена. Поэтому производитель может
оставлять за собой выбор полиэтиленового или композитного кожуха. Оптимальные толщины оболочки в первом приближении могут быть принять согласно ГОСТ 30732-2006.
5. Заключение
По результатам проведенного анализа можно привести следующие выводы:
1. На всем диапазоне условных диаметров значение температуры внешней поверхности неизолированной трубы и теплового потока (тепловых потерь) через изолированную поверхность будет меньше у композитных труб, чем у металлических.
2. Оптимальная толщина тепловой изоляции для композитных трубопроводов по расчетным данным (согласно СО 153-34.20.523-2003) ниже, чем для металлических труб на 4-5 мм. Поэтому следует рекомендовать применение композитных труб с толщиной тепловой изоляции на 7-10% меньше, чем для аналогичных размеров металлических труб (согласно ГОСТ 307322006) на всем диапазоне условных диаметров.
3. С точки зрения уменьшения тепловых потерь является оптимальным использование тепловой изоляции из вспененного каучука.
4. Для подземной бесканальной прокладки сетей теплоснабжения рекомендуется применение композитных труб с ППУ/ВК изоляцией и полиэтиленовым/ композитным кожухом. В связи с малыми величинами тепловодности полиэтилена и композита, а также небольшой толщиной оболочки, вопрос подбора
подходящего материала не является значимым с точки зрения процесса теплообмена. Поэтому производитель может оставлять за собой выбор полиэтиленового или композитного кожуха. Оптимальные толщины оболочки в первом приближении могут быть принять согласно ГОСТ 30732-2006.
Литература
1. СП 60.13330.2012. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха.
2. Зеленцов Д.В. Применение трубопроводов из различных материалов при проектировании и устройстве систем отопления // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Сб. статей. Самара: СГАСУ, 2016. С. 318-322.
3. Алешин А.Н., Зеленцов Д.В., Новопашина Н.А. Разработка технической политики по капитальному ремонту систем отопления и газоснабжения многоквартирных домов в Самарской области // Научное обозрение, 2014. № 9-3. С. 773-777.
4. Зеленцов Д.В. Техническая политика по капитальному ремонту систем отопления в многоквартирных жилых домах в Самарской области // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительные технологии: сб. статей / под ред. М.И. Баль-занникова, К.С. Галицкова, А.К. Стрелкова. Самара: СГАСУ, 2015. С. 318-320.
5. Николаев А.А. Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей.
6. СО 153-34.20.523-2003. Ч. 3. Методические указания по составлению энергетической характеристики для систем транспорта тепловой энергии по показателю «тепловые потери».
7. ГОСТ 30732-2006. Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной оболочкой.
TECHNICAL ESTIMATION OF COMPOSITE AND METALLIC PIPELINES APPLICATION
Amosov Nikolay, candidate of technical Sciences, professor, SPbPU, Saint-Petersburg, Russia Strogonov Konstantin, candidate of technical Sciences, assistant professor, NRU MPEI, Moscow, Russia Fedyukhin Alexander, candidate of technical Sciences, assistant professor, NRU MPEI, Moscow, Russia Gazizov Farit, technical director of LLC «Neva Energy», Saint-Petersburg, Russia
Abstract. The article compares the technical parameters of composite and metal pipelines application, as well as insulation from polyurethane (PU) and foamed rubber (FR) for centralized heat supply in the Russian Federation. It has been determined that over the entire range of diameters, the temperature of the external surface of a non-insulated pipe and the heat flux (heat losses) through an insulated surface will be less for composite pipes than for metallic pipes. It is shown that the optimum thickness of thermal insulation for composite pipelines according to the calculated data (according to ISO 153-34.20.523-2003) is lower than for metal pipes by 4-5 mm. It is recommended the use of composite pipes with a thermal insulation thickness 7-10% less than for similar dimensions of metal pipes (according to GOST 30732-2006) over the entire range of nominal diameters.
Keywords: heat networks, metal and composite pipelines, heat losses, optimal thermal insulation thickness, polyurethane, foamed rubber.
1. Introduction
At present time, in the Russian Federation, metal pipes with insulation from mineral wool and fiberglass have become the most widespread for the needs of centralized heat supply. At the same time the service life of a large number of available heating networks has already exceeded the estimated period of 25 years [1]. The degree of deterioration of communal infrastructure objects by individual municipal entities has already reached 70-80% with an annual increase in wear of 2-3%. Today, during the repair and laying of new heating mains, metal or polymer pipes are most often used in insulation made of polyurethane foam. The task of the current article is to compare the various existing and promising materials of pipelines and thermal insulation by various indicators.
For the construction of heating networks, metal pipes made of steel of St2, St3, StU, St20, St102S1, St15GS, St16GS are more often used. The choice of pipes and fittings for heat pipes is made according to conditional diameters (passages), pressure and temperature of the working medium of the coolant. For pipelines of external heating networks, steel seamless or electric welded pipes are used. Shaped parts installed on external heat pipes (bends, transitions, etc.) must also be welded steel, bent or stamped. The primary use of metal pipes for heating networks in the Russian Federation is due to high mechanical and strength characteristics, the presence of a developed industrial sector of production and maintenance of rolled products, extensive experience in the use of these pipelines from operating organizations, as well as the lack of a market (with the exception of the latter 10-15 years) of alternative effective materials. In recent years, during the reconstruction and repair of heating networks, highend pre-insulated pipes made of heat-resistant polymeric (more often cross-linked polyethylene) materials have been used. Their advantages are convenience and ease of installation, long service life, anti-corrosion protection. At the same time, this material is often used for internal thermal circuits at coolant temperatures up to 95 °C and pressure up to 1.6 MPa due to limitations on the physicochemical properties of the material [2-5].
In addition, for the production of modern high-performance and durable pipes, depending on the purpose, location and method of laying, various composite materials can be used:
• basalt, glass or carbon fibers;
• synthetic fibers from various materials;
• rubbers, rubber plastics and fluoroplastics of various brands;
• binding materials based on various resins and glue compositions.
High specific strength and rigidity of fibrous composite materials in order with chemical resistance, relatively low weight and other properties, made these materials attractive for the manufacture of pipelines for various purposes. The advantages of using pipelines from composite materials are to increase the design life of heating networks by half as compared to metal pipes, to reduce hydraulic and thermal losses due to the physical and chemical properties of the material, and also to lower labor and financial costs for the construction of heating mains. Today, composite pipes are used in heat supply networks with a temperature profile of 130/70 and below. For the application on the graph 150/70, their pilot approbation and certification for the design temperature of the coolant of 150 °C is required.
2. Determination of the pipeline external wall temperature
Below are the initial data needed to calculate the external wall temperature for standard metal and composite pipelines (Tables 1 and 2).
Next, it's calculated comparison of the optimum thickness of thermal insulation from PPU for different metal and composite pipelines is performed. The calculation is carried out according to ISO 153-34.20.523-2003 [6] with the difference that instead of the average temperature of the heat carrier for the heating period in the forward (tncpr) and return (t0cpr) pipelines, the temperature at the outer wall of the pipe (tnccT'r) calculated by the formula (for example for the supply pipeline):
n n(r- Cr)
'= 1 1 ■ d2'
-+-In—
a1d1 2XT d1
where q is the linear heat flux density numerically equal to the specific heat losses of the supply qp and the inverse qo of the pipelines, W/m; aj - coefficient of heat transfer from the heat carrier to the internal surface of the pipeline, accepted 300 for the supply and 200 for the return pipeline, W/(m2 • K); X. is the coefficient of thermal conductivity of a metal or composite pipe, W/(m • K); d±; d2 - internal and external diameters of pipes, respectively, m.
Table 1
Initial data for calculating the pipeline external wall temperature
Temperature graph 95/70
110/70
130/70
Estimated outdoor temperature, °C -30
Current soil temperature, °C 1
Duration of the heating period, h 6475
Pipeline material Metal Composite
The coefficient of thermal conductivity W/(m • K) 14.4 + 0.016*t 0.30
Thermal insulation material of the pipeline PU FR
The coefficient of thermal conductivity W/(m • K) 0.05 0.04
Table 2
Pipeline dimensions
Nominal diameter, mm 50 65 80 100 150 200 250 300 400 500
Minimum wall thickness, mm Metal
3.0 3.0 4.0 4.0 4.5 6.0 7.0 7.0 7.0 7.0
Composite
3.3 4.3 5.3 6.7 7.5 8.3 10.4 12.5 16.7 20.8
Table 3
Calculated temperatures of the pipeline external wall of pipelines (M - metal, C- composite)
Temperature graph (°C)
95/70 110/70 130/70
Nominal diameter, mm Forward Return Forward Return Forward Forward Return
Average annual temperature of water, c
65 50 90 50 130 110 50
M C M C M C M C M C M C M C
50
65
80
100 7 9 8 4
150 .9 6 .5 cñ 6 .9 9. 4 1 4 .8 8 .9 8 .9 4 1 4 9. <N 1 6. <N 1 9. o 1 7. o 1 .9 4 1 cñ 4
200 6 (N cñ 6 ^ 9. 4 CO CO 4 LT) 8 K 8 ^ 4 CO CO 4 ct 12 KO 12 LH 10 10 4 oo co 4
250
300
400
500
In Fig. 1 is a graph of the variation in the thickness of the pi-pe wall, depending on the nominal diameter for different ma-terials.
25
20
15
Ü 5
-o -A - Comf - Meta >osite
130 120 110 100 90 80 70 60 50 40-
^ Composite I I Metal -
50
65 90 110
Water temperature, °C
130
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Nominal diameter, mm
Fig. 1. Dependence of the pipeline wall thickness on the nominal diameter
In Table 3 it's shown the results of calculating the tem-perature of the pipeline external wall (at the joint of the metal / composite and PU insulation) for the values of thermal energy losses within the limits of norms, according to ISO 153-34.20.523-2003.
Thus, due to lower thermal conductivity, the temperature on the outer surface of the composite pipe is lower by 1.6-1.8 °C in the temperature of the metal surface at a similar temperature regime and conditional pass (Fig. 2).
In Fig. 2 shows the graphs of the calculated values from Table. 3. For all the diameters and temperature graphs under consideration, the temperature of the composite pipe wall will be lower than the metallic one, which is due to the difference in the thermal conductivity of the material.
Despite the fact that the main contribution to reducing the heat losses of the heating network is made by the insulating layer, the material of the pipe itself is an additional advantage of the composite pipeline in comparison with the metal pipeline.
Fig. 2. Calculated temperature of the pipeline external wall as a function of the water temperature
3. Calculation of the optimum insulation thickness
Based on the values of the heat fluxes (ISO 153-34.20.5232003) and the calculated surface temperatures of the pipe-lines, it is possible to determine the minimum required thickness of the polyurethane foam insulation (Table 4) with a heating period longer than 5000 hours per year. The calculation is carried out for an underground channel less laying at a depth of 2 meters with a distance between the pipelines of 1 meter.
In Fig. 3 is a graphical comparison of the calculated insulation thicknesses at a heat-carrier temperature of 110 °C based on the data calculated in Table 4.
According to the results presented in Table. 4 and in Fig. 3, it follows that due to the lower thermal conductivity of the pipe wall, the composite pipelines require a smaller thickness of polyurethane foam insulation over the entire range of diameters and regardless of the temperature regime of the network. At what, the greatest advantage they have in the range of diameters of 200-400 mm. In these cases, the reduction in the thickness of the insulation can reach 4-5 mm, which corresponds to a reduction in the section of the insulation coating by 7-10%.
Table 4
Minimum required design thickness of PU insulation, mm (M - metal, C - composite)
Nominal diameter, mm Temperature graph, °C
95/70 110/70 130/70
Average annual temperature of water, °C
65 90 110 130
M C M C M C M C
50 45 43 45 42 44 41 62 59
65 45 41 43 40 47 44 65 61
80 48 47 45 43 48 46 66 64
100 46 46 44 44 49 48 68 68
150 57 57 49 48 58 57 79 79
200 57 53 53 50 58 53 78 74
250 56 53 57 54 59 55 80 76
300 54 52 58 55 64 61 86 83
400 56 55 60 59 62 61 85 83
500 55 53 56 55 62 60 85 83
65
I 60
55
50
g 45
^ Composite I I Metal
40-
50 65
80
100 150 200 250 300 40 Nominal diameter, mm
500
Fig. 3. Calculated insulation thickness at water temperature of 110 °C
Therefore, it is possible to recommend the use of composite pipes with a thermal insulation thickness of 7-10% less than for similar sizes of metal pipes over the entire range of nominal diameters.
According to GOST 30732-2006 [7], metal pipes for heat supply with non-channel gasket can be made both in polyethylene (2,5-8,9 mm) and in galvanized steel sheath (0,55-1,00 mm). The calculated values of the thickness of the PPU insulation for metal pipes, given in the above standard, are presented in Table 5.
Comparing the calculated values (see Table 4) and the normative (see Table 5) values of insulation for metal pipes, it can be concluded that in the range of diameters up to 150 mm GOST 30732-2006 slightly understates the requirements for the thickness of PPU insulation. This discrepancy is caused by the fact that GOST 30732-2006 normalizes thermal losses only on the basis of the nominal diameter and region of pipeline laying, in contrast to ISO 153-34.20.523-2003, where the influence of the coolant temperature is additionally considered. This approach in this case can be considered justified, because low diameters (up to 150 mm), as a rule, low temperatures of the coolant (up to 90 °C) and small specific heat losses correspond.
Table 5
Thickness of PU insulation and outer diameter of shells in accordance with GOST 30732-2006, mm
Nominal diameter, mm 50 65 80 100 150 200 250 300 400 500
Parameters PU insulation thickness, mm
31.5 39.0 42.5 43.0 55.5 62.0 57.0 79.5 92.4 79.0
Shell outer diameter, mm
125 160 180 200 280 355 400 500 630 710
Shell polyethylene thickness, mm
2.50 3.00 3.00 3.20 4.40 5.60 5.60 6.20 7.90 8.90
Shell steel thickness, mm
0.55 0.55 0.60 0.60 0.70 0.70 0.80 0.80 1.00 1.00
95
85
25
^ Composite I I Metal (GOST 30732-2006)
75
65
55
45
35
ül
50
65 80 100 150 200 250 300 40 500 Nominal diameter, mm
Fig. 4. Standard insulation thickness for metal pipes and estimated thickness for composite pipes
Fig. 4 shows a comparison of the recommended thickness of the foam insulation for the composite pipe and the normalized thickness of the foam insulation for metal. As already noted above, for composite pipes, the recommended thickness of thermal insulation is reduced by 7-10% in the range up to 150 mm. With
diameters from 200 mm and higher, the recommended thickness of the composite foil insulation foam is adopted according to the calculation. As follows from the regulatory documents (GOST 30732-2006), for a metal pipe, there is a significant increase in the thickness of the recommended insulation with an increase in the nominal diameter.
4. Comparison of thermal insulation characteristics from pu and fr
As an alternative to PU insulation, FR can be used. According to the reference data, its thermal conductivity is 0.04 W/(m • K), which is 25% lower than that of the PU (Table 6).
The calculated thickness of thermal insulation for the FR will be somewhat lower than the PU for similar parameters (Table 6). For diameters up to 150 mm, the same insulation thickness for each material is recommended, regardless of the temperature profile, as, as has already been noted, these sections often have a low coolant temperature, low specific heat losses. In Fig. 5 shows comparisons of the minimum thickness of composite pipes in PU and FR insulation at a coolant temperature of 110 °C.
At present, pipes for heat supply with underground nonchannel gasket are most often discharged in polyurethane foam
insulation with a polymer (polyethylene) casing. Metal casing (galvanized steel) is rationally used for above-ground laying. in this case the pipeline becomes more protected from external mechanical influence. The use of a metal casing for underground laying is therefore less relevant for this reason, besides, the risk of corrosion damage to the casing is increased in comparison with the polymer casing. In the case under consideration, it is advisable to use composite pipes with PU/FR insulation and a polyethylene / composite casing. In connection with the small values of thermal conductivity of polyethylene and a composite, as well as a small thickness of the shell, the question of selecting the suitable material is not significant from the point of view of the heat exchange process. Therefore, the manufacturer can reserve the choice of a polyethylene or composite casing. Optimal shell thicknesses in the first approximation can be adopted in accordance with GOST 30732-2006.
65 60 55
E
E 50
vT
4/1 üi-
<y 45
•M 40
35 30 25 20 15-
□
50 65
80 100 150 200 250 300 Nominal pipe diameter, mm
40 500
Fig. 5. Calculated insulation thickness at water temperature of 110 °C
Table 6
Minimum required thickness of PPU and FR insulation for composite pipe, mm
Nominal diameter, mm Temperature graph, °C
95/70 110/70 130/70
Average annual temperature of water, °C
65 90 110 130
PU FR PU FR PU FR PU FR
50 29 19 29 19 29 19 29 19
65 36 25 36 25 36 25 36 25
80 39 28 39 28 39 28 39 28
100 40 29 40 29 40 29 40 29
150 51 39 51 39 51 39 51 39
200 53 41 50 38 53 41 74 56
250 53 41 54 42 55 42 76 58
300 52 40 55 43 61 47 83 63
400 55 42 59 46 61 47 83 64
500 53 41 55 43 60 46 83 65
5. Conclusion
Based on the results of the analysis, the following conclusions can be drawn:
1. Over the entire range of conditional diameters, the temperature of the outer surface of the uninsulated pipe and the heat flux (heat losses) through the insulated surface will be less for composite pipes than for metallic pipes.
2. Optimum thickness of thermal insulation for composite pipelines according to the calculated data (according to ISO 153-34.20.523-2003) is lower than for metal pipes by 4-5 mm. Therefore, it is recommended to recommend the use of composite pipes with a thermal insulation thickness of 7-10% less than for similar dimensions
of metal pipes (according to GOST 30732-2006) over the entire range of nominal diameters.
3. In terms of reducing heat losses, it is optimal to use thermal insulation from foamed rubber.
4. For subterranean ductless installation of heat supply networks, it is recommended to use composite pipes with PU/FR insulation and a polyethylene / composite casing. In connection with the small thermal conductivity of polyethylene and a composite, as well as a small thickness of the shell, the choice of suitable material is not significant from the point of view of the heat exchange process. Therefore, the manufacturer can reserve the choice of a polyethylene or composite casing. Optimum thickness of the shell in the first approximation can be taken in accordance with GOST 30732-2006.
References
1. P 60.13330.2012. SNiP 41-01-003. Heating, ventilation and air conditioning.
2. Zelentsov D.V. Application of pipelines from various materials in the design and installation of heating systems // Traditions and innovations in construction and architecture. Digest of articles. Samara: SSSAU, 2016. Pp. 318-322.
3. Aleshin AN, Zelentsov DV, Novopashina N.A. Development of technical policy for the overhaul of heating and gas supply systems for apartment buildings in the Samara Region // Scientific Review, 2014. No. 9-3. Pp. 773-777.
4. Zelentsov D.V. Technical policy on the overhaul of heating systems in multi-apartment dwelling houses in the Samara region // Traditions and innovations in construction and architecture. Construction technology: a collection of articles / eds. M.I. Balzannikova, K.S. Ga-litskova, A.K. Strelkova. Samara: SGAU, 2015. Pp. 318-320.
5. Nikolaev A.A. Handbook of the designer. Designing of heating networks.
6. ISO 153-34.20.523-2003. Part 3. Methodological guidelines for the compilation of energy characteristics for the system of transport of thermal energy in terms of «heat loss».
7. GOST 30732-2006. Pipes and shaped products are steel with thermal insulation of polyurethane foam with a protective coating.
