CC BY
8Т Е Х Н И Ч Е С К И Е
НАУКИ
УДК 62
И.Н. Авдеев
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА
Рассмотрены системы теплоснабжения в России, в том числе проанализированы преимущества и недостатки централизованных и децентрализованных систем. Проведен обзор перспектив развития различных схем децентрализованного теплоснабжения. Выполнен сравнительный анализ различных конструкций теплообменного оборудования, используемого для тепловых пунктов. Предложено использование конструкции теплообменного аппарата с межканальной транспирацией теплоносителя через высокотеплопроводный пористый металл для увеличения эффективности и надежности теплообменного оборудования коммунального хозяйства, а также предложена методика термопрочностного расчета данной конструкции.
Ключевые слова: теплообменные аппараты, пористые материалы, термопрочностной расчет.
Теплоснабжение в России имеет большое экономическое и социальное значение, любые сбои в обеспечении населения и других потребителей тепловой энергией негативным образом воздействуют на экономику страны и усиливают социальную напряженность. Следовательно, повышение его надежности, качества и экономичности является важнейшей задачей.
В настоящее время состояние систем теплоснабжения в России является критическим. Число аварий на сетях теплоснабжения возросло в пять раз по сравнению с 1991 г. (2 аварии на 1 км тепловых сетей). Из 136 тысяч км тепловых сетей 29 тысяч км находятся в аварийном состоянии. Потери теплоты при транспортировании теплоносителя достигают 65% [1]. В этой ситуации необходимо решить важнейшую задачу по экономии и рациональному использованию топливно- энергетических ресурсов (ТЭР), т.к. запасы их ограничены и по мере их уменьшения стоимость топлива будет неуклонно расти.
© Авдеев И.Н., 2020.
Научный руководитель: Шеногин Михаил Викторович - кандидат технических наук, доцент, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
Примерно 40% топлива, добываемого в стране, идет в электро- и теплоэнергетику. Оно используется на электростанциях, вырабатывающих только электро-энергию - ТЭС, на электростанциях, традиционно называемых ТЭЦ, вырабатывающих электроэнергию и тепло, и на котельных, дающих только тепло. 98% энергетических установок в России - это паротурбинное оборудование, имеющее коэффициент использования топлива в среднем 30%, в то время как парогазовое оборудование позволяет поднять коэффициент использования топлива до 60%. Почти 40% топлива, использующегося в тепло- и электроэнергетике, идет только на выработку тепла, причем на ТЭЦ вырабатывается порядка 20%, 40% - вырабатывается на котельных. Из них 40-45% работают на газе. При этом большое количество котельных были переведены с угля на газ с минимальными затратами финансов и времени, что обеспечило использование менее 50% энергии сгоравшего газа. Таким образом, объем неэффективно сгорающего газа очень велик, а его рациональное использование позволило бы решить значительную часть энергетических проблем [2].
В странах Северной и Западной Европы аналогичная проблема экономии и рационального использования ТЭР возникла в 70-х гг. XX в. В результате были экономически просчитаны и изменены основные принципы работы систем централизованного теплоснабжения (ЦТ), имевшие большое сходство с российскими. Основными принципами новой системы теплоснабжения стали: максимально возможное использование в качестве источников тепла теплоэлектростанций (ТЭЦ); только двухтрубная система распределения тепла через стальные предизолированные трубы, включая внутриквартальные вводы в дома; индивидуальные тепловые пункты (ИТП) с узлом учета у каждого абонента. Так, например, владельцы Берлинской энергосистемы создали дочернюю компанию, которая занялась строительством локальных ТЭЦ в удаленных от старых ТЭЦ районах [3], а в Италии индивидуальным отоплением обеспечено около 20 млн. жилищ, в том числе около 14 млн. квартир [4].В коммунальном хозяйстве системы теплоснабжения (рисунок 1) разделяют на: системы централизованного теплоснабжения (ЦТ) от котельных, тепловых и атомных электростанций (ТЭЦ, ТЭС, АЭС); системы децентрализованного теплоснабжения (ДЦТ) от автономных источников теплоты (АИТ), крышных котельных, квартирных теплогенераторов [5]. Выбор оптимальной схемы теплоснабжения производят на основе сравнения технико-экономических показателей.
Экономическое сравнение различных вариантов схем теплоснабжения многоквартирного здания на примере микрорайона Куркино г. Москвы показало, что наиболее дорогостоящим вариантом теплоснабжения является ЦТ, при этом большая часть затрат приходится на тепловые сети (63,8% от общей стоимости системы в целом, из них на прокладку только тепловых сетей приходится 84,5%). Схемы на основе квартирных теплогенераторов (КТ) всего на 4,2% дешевле схемы ЦТ, при этом большую часть затрат составляют теплогенераторы - 62,1%, увеличиваются затраты на прокладку газовых сетей. Принципиальная новизна данной системы заключается в том, что источник тепла установлен непосредственно у потребителя - жильца многоэтажного жилого дома, что позволяет значительно снизить потери тепла при его производстве и избежать их при транспортировке от удаленного источника. Наиболее выгодным, с экономической точки зрения, является ДЦТ от АИТ. В данном варианте большая часть затрат приходится на тепловые сети - 67,3%. Из них на сами тепловые сети приходится 20,3%, остальные 79,7% - на индивидуальные тепловые пункты (ИТП) [1]. Затраты на прокладку труб системы теплоснабжения зависят от протяженности тепловых сетей [3]. Следовательно, приближение источника теплоты, работающего на газе, к потребителю путем устройства пристроенных, встроенных, крышных и индивидуальных теплогенераторов значительно снижает затраты на систему. Кроме этого, статистика говорит о том, что большая часть отказов системы ЦТ приходится на тепловые сети, а значит, сокращение протяженности тепловых сетей повлечет за собой повышение надежности системы теплоснабжения в целом [6].
В 2003 г. в Карачевском районе Брянской области на отопление от КТ были переведены 20,2% от общего количества жилья, что обеспечило комфортные условия в результате оптимального температурного режима, создаваемого и регулируемого самими жильцами, которым также предоставлено право самостоятельного принятия решения о начале отопительного сезона.
Наличие в каждой квартире приборов учета потребления топлива повысило дисциплину и ответственность квартиросъемщиков перед поставщиками энергоресурсов, что, в конечном итоге, привело к экономии денежных средств, расход газа сократился в 2,4 раза, а электроэнергии - в 822 раза. Вследствие отсутствия конфликтных ситуаций и жалоб на неудовлетворительное теплоснабжение была снята и социальная напряженность [4].
Перевод муниципального жилого фонда на индивидуальное теплоснабжение позволяет в значительной мере снизить бюджетные затраты на его содержание и способствует экономии ТЭР.
Объёмы капитальных затрат только на основное оборудование при разработке системы теплоснабжения на базе различных источников теплоты, полученные по укрупнённым показателям и на основании проектных материалов, с использованием в качестве энергоносителя природного газа, позволяют сформулировать некоторое представление о стоимости инженерной системы с использованием современного оборудования (таблица 1) [5].
Рис. 1. Принципиальные схемы теплоснабжения:
1) централизованное теплоснабжение от котельных; 2) централизованное теплоснабжение от автономных источников теплоты; 3) децентрализованное теплоснабжение от крышных котельных; 4) поквартирное теплоснабжение [1 ]
Таблица 1
Капитальные затраты на теплоснабжение коммунального хозяйства_
Тип основного оборудования, элемент системы теплоснабжения Затраты, у.е./кВт
Котельные мощностью до 100 МВт (без тепловых сетей и местных систем) 45-60
Мини ТЭЦ, в расчете на суммарную мощность (электрическая+тепловая), без стоимости тепловых сетей и местных систем* 200/450
Тепловые сети, двухтрубные (с учетом стоимости ИТП) 40-50
АИТ: крышные, пристроенные, встроенные и блочные (без стоимости местных систем отопления и горячего водоснабжения, системы дымоудаления и здания котельной)* 35-45/60-70
Системы КТ многоэтажных зданий с учетом стоимости оборудования узлов учета расхода теплоты и газа (без стоимости системы дымоудаления)* 30/65
* - в числителе: при использовании отечественного оборудования; - в знаменателе: при использовании импортного оборудования.
Таким образом, децентрализация, как и любое техническое решение, имеет свои положительные стороны. Однако простой переход на типовое проектирование, являющееся базой для ЦТ, без учета специфики децентрализации, лишает системы ДЦТ инженерного содержания и практических преимуществ, а стихийное внедрение АИТ может нанести значительный ущерб сложившейся инфраструктуре и экологической обстановке в крупных городах.
Технический уровень современного энергосберегающего оборудования по выработке, технологии транспорта и распределения теплоты позволяет создавать эффективные и рациональные инженерные системы [5], уровень централизации которых должен иметь соответствующее обоснование.
Сравнительный анализ нормативного и фактического теплопотребления выборки жилых объектов, на примере г. Кунгур, показывает, что перерасход тепла наблюдается более чем у 60% абонентов теплосетей [7], поэтому энергосберегающие технологии необходимо внедрять не только у производителей, но и у потребителей тепла. Однако переход к новой системе ЦТ дорог и занимает продолжительное время, что делает системы автономного теплоснабжения более привлекательными.
Надежная и эффективная работа систем теплоснабжения коммунального хозяйства в значительной степени зависит от теплотехнических и эксплуатационных характеристик теплогенератора (АИТ, КТ) и теплообменного аппарата (ТА), обеспечивающих тепловой энергией системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. В качестве первичного энергоносителя в коммунальном хозяйстве используется химическая энергия ископаемого топлива (газообразное углеводородное топливо: природный газ и про-панбутановые смеси) [5]. Эффективность и экологическая безопасность теплогенератора систем теплоснабжения коммунального хозяйства определяется полнотой преобразования химической энергии топлива в тепловую. Основным параметром этого процесса является теоретическая температура горения топлива.
Разбавление продуктов сгорания избыточным воздухом приводит к снижению теоретической температуры горения топлива и, следовательно, к снижению интенсивности теплообмена в топке, а также к увеличению объема продуктов сгорания и росту потерь теплоты с уходящими газами. Поэтому вполне оправданным является стремление работать с минимальными значениями коэффициента избытка воздуха. Однако эффективность работы конкретного теплогенератора определяется не только значением эксплуатационного коэффициента избытка воздуха, но и полнотой сжигания горючих компонентов газа. Продукты неполного сгорания в дымовых газах: оксид углерода (СО), метан (СН4), водород (Н2) - не только загрязняют окружающую среду, но являются также прямыми потерями химической энергии топлива.
Отводимый газ содержит и С02 и Н20, являющиеся неизбежным результатом процесса горения. Энергию, связанную с этими компонентами, называют неустранимыми потерями энергии. По данным экспериментальных исследований [9], полезная энергия, производимая при сжигании топлива, составляет всего 40...52%, а устранимые потери весьма велики и достигают 40.45%, в то время как неустранимые потери обычно не превышают 12% от полного потока энергии выделяющегося в ходе химической реакции горения. Очевидно, что разработка мер по исключению устранимых потерь энергии является обязательным мероприятием при оптимизации технологических процессов, сопровождаемых сжиганием топлив.
При повышении давления в теплогенераторе системы теплоснабжения жилого помещения уменьшается количество продуктов неполного сгорания топлива, что снижает потери на неполное сгорание и количество вредных выбросов. Кроме того, полнота сгорания может быть увеличена применением более совершенных смесительных устройств [10]. Для обеспечения удовлетворительного теплового состояния теплогенератора необходимо использование жаропрочных и жаростойких материалов и систем тепловой защиты стенок теплогенератора.
Таким образом, проблема обеспечения надежности, экологической безопасности, рационального использования ТЭР в технологическом оборудовании коммунального хозяйства непосред-ственно связана с проблемой повышения эффективности ТА, элементы конструкции которых при работе находятся в сложно-напряженном состоянии, обусловленном как механическим, так и термическим воздействием.
Современные ТА для коммунального хозяйства являются объектами техники, впитавшими последние достижения научной мысли в своей области знаний, в них учитываются и применяются тонкие механизмы воздействия на рабочие среды, используются самые разнообразные высоколегированные, дорогие и остродефицитные металлы (нержавеющие стали, титановые сплавы и т.д.), в конструкции их узлов закладываются технические решения, призванные обеспечить надежную работу при воздействии факторов, могущих возникнуть в процессе нормальной эксплуатации. При этом существенные изменения претерпела не только конструкция, но и технология изготовления современных теплообменников. Современные ТА для ДЦТ - это высокотехнологичные изделия, при изготовлении которых в своей массе используют новые техпроцессы, разработанные специально для обеспечения выпуска техники такого уровня, на их производство расходуется огромное количество легированных и цветных металлов. В коммунальном хозяйстве в основном применяются пластинчатые и кожухотрубные ТА [6].
Для сравнения относительной эффективности проектируемого теплообменного тракта применяется критериальное выражение, связывающее приращение коэффициента теплоотдачи и соответствующее увеличение гидравлических потерь Ъ проектируемого тракта в сравнении с гладким каналом [7]
Как следует из формулы (1), один из основных показателей совершенства теплообменного аппарата - коэффициент теплоотдачи. Сопоставительный анализ этого показателя для современных пластинчатых аппаратов и современных кожухотрубных аппаратов (фирмы САТЭКС, теплообменники, разработанные ЦКТИ) показывает, что у пластинчатых теплообменных аппаратов коэффициент теплоотдачи обычно выше, но уступает тонкостенным интенсифицированным теплообменным аппаратам ТТАИ, однако пластинчатые ТА обладают большим гидравлическим сопротивлением.
Одним из способов повышения коэффициента теплоотдачи и срока службы в современных рекуперативных теплообменных аппаратах является снижение толщины теплопередающей стенки, которая достигает 0,5 мм и даже, в пределе, 0,4 мм. При достаточно высоких давлениях рабочих сред (на уровне 1,6 МПа) толщина пластин превышает толщину трубок, что негативно сказывается на коэффициенте теплоотдачи, массе и металлоемкости. Это связано с тем, что цилиндрическая оболочка выдерживает большее избыточное давление, чем пластина.
На основе сравнения характеристик современных кожухотрубных и пластинчатых теплообменных аппаратов, можно сделать вывод, что для локальных систем теплоснабжения и горячего водоснабжения
(1)
применение пластинчатых теплообменных аппаратов не рекомендовано, т.к. по основным наиболее важным показателям надежной эксплуатации они уступают кожухотрубным подогревателям.
Вывод о нецелесообразности применения аппаратов пластинчатого типа в системах индивидуального теплоснабжения подтверждают технико-экономические оценки ряда отечественных и зарубежных организаций, показывающие, что стоимость и эксплуатационные затраты пластинчатых ТА значительно превышают аналогичные статьи расходов для кожухотрубных ТА той же тепловой мощности.
Данное состояние вопроса выдвигает задачу уменьшения массы и габаритов ТА. Наиболее перспективный путь решения этой проблемы - интенсификация теплообмена.
В современных ТА используются теплообменные тракты с развитой поверхностью теплообмена, обеспечивающие интенсификацию теплообменных процессов в 1,5^3 раза по сравнению с гладким каналом. Опыт создания и эксплуатации различных теплообменных устройств показал, что разработанные к настоящему времени методы интенсификации теплообмена обеспечивают снижение габаритов и металлоемкости (массы) этих устройств в 1,5^2 раза и более по сравнению с аналогичными серийно выпускаемыми устройствами при одинаковой тепловой мощности и мощности на прокачку теплоносителей [8].
Широкими возможностями по повышению эффективности теплоотдачи наружной поверхности теплообменных труб обладают способы, основанные на сборке ребер с теплообменной трубой. В настоящее время используется метод накатки ребер роликами. Однако для этого метода существует ряд ограничений: в России нет технологий накатки, позволяющей оребрять медно-никелевые трубы, трубы из титана или сталей; для меди максимально достижимое увеличение площади наружной теплообменной поверхности не превышает 2.5^3.5 раза.
К настоящему времени в таких трактах уже достигнут предел интенсификации теплообмена, что подтверждается большим количеством экспериментальных и теоретических исследований. Дальнейшее увеличение скорости теплоносителя приводит к опережающему росту потерь давления, т. е. к снижению эффективности теплообменного тракта, в соответствии с формулой (1).
Для дальнейшего увеличения эффективности технологического оборудования коммунального хозяйства необходимо увеличение коэффициента теплоотдачи, при умеренном росте потерь давления в тракте, что может быть достигнуто переходом к новым типам теплообменных трактов.
В наиболее энергоемких отраслях машиностроения (тепловой защиты авиационных и ракетных двигателей, системах охлаждения лазеров и атомной энергетике) задача увеличения коэффициента теплоотдачи решается применением пористых материалов.
Суть использования пористых материалов для создания ТА заключается в интенсификации тепло-обменных процессов в проточной части теплообменного тракта путем заполнения его высокотеплопроводным пористым металлом (ПМ), консолидированным с непроницаемыми стенками. Интенсификация теплообмена обеспечивается развитой внутренней поверхностью поровых каналов в объеме ПМ [9].
Резкое падение гидравлического сопротивления наблюдается при переходе от одномерного продольного течения теплоносителя к двумерному продольно-поперечному течению. Экспериментальные исследования показывают, что эффективность теплообмена в таких трактах может быть на два порядка выше, чем в трактах с гладким каналом [10]. Принципиальная конструкция теплообменного аппарата с межканальной транспирацией представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Тракт КТА с пористой вставкой
рж.вх - давление жидкости в подводящем канале; рж.вых - давление жидкости в отводящем канале; рг - внутреннее давление; 1 -внутренняя стенка; 2 - пористая вставка; 3 - наружная оболочка.
В настоящее время данные о методиках термопрочностного расчета ТА с МКТТ отсутствуют. На основе равенства работ внешних сил и энергии формоизменения, уравнений теории упругопластических деформаций составлена система уравнений, связывающая внешние и внутренние силовые факторы, действующие на конструкцию теплообменного аппарата с пористыми вставками.
где рг - внутреннее давление ТА; рж - давление со стороны жидкости в пористом материале; Я -радиус внутренней стенки; dф - угол поворота рассматриваемого сечения; 5Г - деформация в радиальном направлении; - деформация в окружном направлении; Пу, Пх - коэф-фициенты загромождения канала в окружном и осевом направлениях; И" - толщина пористой вставки; Анеш - работа внешних сил давления; dz - осевая длина элемента; q - распределенная нагрузка от осевой силы Q, равномерно распределенная по площади сечения.
Коэффициент загромождения канала позволяет использовать предлагаемую методику для расчета оребренных трактов, трактов с пористыми наполнителями или сплошной оболочки. При расчете пористого наполнителя коэффициент загромождения канала в обоих направлениях равны пористости материала П. Для продольных каналов значения коэффициентов Пу = 1, Пх = 0.
PlR-px-h\\-Yly) = <r'yh' + v'yh' + a»h\ q ■ (// + h" + А") - рж ■ h"(1 - П,) = tr[ti + ff'h' + О
(2)
(3)
(4)
1пК •(/?' + /?" + /Г)
Для цилиндрической трехслойной оболочки напряжения в каждой из оболочек в окружном и осевом направлении определяются из системы уравнений упругопластических деформаций:
<У, , = ■
j гг, 4 а^ 3 £,
(5)
где интенсивность деформированного состояния гх-, для каждой из оболочек- определяется по формуле (6)
У,)
х.) Y.J
Интенсивность напряженного состояния о— для каждой из оболочек определяется из известной зависимости оц=/(ех-), например, диаграммы растяжения-сжатия.
Расчетная система уравнений дополняется условиями совместности деформаций оболочек и уравнениями упруго-пластических деформаций:
Решение системы прямым способом не возможно, поэтому используется метод варьирования переменной - по заданной окружной деформации оболочки определяем давление внутри ТА, для заданной окружной деформации. Результат решения системы уравнений представлены на рисунке 3.
Р, а, МПа
/ . L и
/ ~ — У
----- F/l
/ 1/
D
_а' \ -----
■ffв
_ / а"у , А /
/ а' I _ -
- -
---- "V -----
Рис 3. Графическое представление результатов расчета термопрочностных характеристик конструкции ТА
Методика расчета общей несущей способности заключается в определении максимального внутреннего давления рг. Для заданного значения окружной деформации еуП определяют из системы уравнений (7) значения температурных и силовых деформаций в окружном направлении еу. Далее задают значение ехП таким образом, чтобы уравнение (3) сохранения энергии в осевом направлении вырождалось в тождество. Из уравнения (2) сохранения энергии в окружном направлении определяют давление, соответствующее заданному значению егп. Получив ряд значений давления, для каждого из значений окружной деформации строят график, аналогичный графику на рисунке 3. Предельное давление рг,пр,в, при котором происходит разрушение конструкции ТА, определяется как предельное давление на участке ОН, т.е. такая точка, в которой тангенс угла наклона касательной к графику равен половине от его наибольшего значения на участке ОН. При известном рабочем давлении рг и вычисленном предельном давлении рг,пр,в можно определить запас прочности конструкции.
Рг „ _ Рг
П, = ■
п. =-
р,,
Р,щ
(8)
Для рабочих условий, в соответствии с рекомендациями, допустимый коэффициент запаса по пределу текучести пТ>1,5, а коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению пВ>2,4.
Выводы
1.Широкое использование индивидуального отопления в системах теплоснабжения России позволит в значительной мере снизить бюджетные затраты на содержание коммунального хозяйства.
2.На современных предприятиях коммунального хозяйства и сервиса используются, преимущественно, рекуперативные теплообменные аппараты, исключающие смешение теплоносителей.
3.Эффективность используемого теплообменбного оборудования определяется теплоотдачей тепло-обменного тракта и величины потерь давления или мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносителя в теплообменном тракте по сравнению с гладким теплообменным трактом.
4.Возможности дальнейшего увеличения эффективности распространенных типов ТА исчерпаны, однако качественное увеличение теплоотдачи обеспечивается пористыми материалами.
5.Использование предлагаемой методики термопрочностного расчета позволяет создать компактный теплообменный аппарат на основе высокотеплопроводных пористых металлов, обладающий большей тепловой эффективностью по сравнению с используемыми типами ТА, и способствует снижению вредных выбросов и экономии ТЭР.
Библиографический список
1.Жила В.А., Маркевич Ю.Г. Обоснование основных показателей при выборе оптимальной схемы теплоснабжения // Полимергаз. 2006. №2(40). С. 38-40.
2.Фаворский О. Н. В каком направлении нам двигаться? // Энергонадзор и энергобезопасность. 2006. №3. С.
41-43.
3.Семенов В. Г., Разоренов Р.Н. Экспресс-анализ зависимости эффективности транспорта тепла от удаленности потребителей // Новости теплоснабжения. 2006. №6 (70). С. 36-39.
4.Балабанов М.Ф. Переход на поквартирное отопление как альтернатива решения одной из проблем коммунальной реформы // Новости теплоснабжения. 2006. № 3 (67). С. 41-43.
5.Хаванов П. А. Атмосферные газовые горелки автономных теплогенераторов // Гл. энергетик. 2007. №2. С.
33-37.
6.. Теплообменные аппараты для коммунального хозяйства / С.Е. Исаев, О.Г. Сорокин, П.И. Бажан, А.Н. Назин, А.Ф. Чернов // Новости теплоснабжения. 2007. №4(80). С. 50-54.
7.Пелевин Ф.В. Теплообменный кольцевой тракт с компланарными каналами. М.: Издательство МГТУ, 1994.
16 с.
8. Дрейцер Г. А. О некоторых проблемах создания высокоэффективных трубчатых теплообменных аппаратов // Материалы V Минского международного форума по тепло- и массообмену. Минск, 2004. Т. 2. С. 288-289.
9.Мелихов А.М. Разработки технологий и экспериментальные исследования транспирационного охлаждения в камерах сгорания ЖРД // Полёт. 2009. №10. С. 112-120.
10. Пелевин Ф.В. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в пористых сетчатых материалах // Труды 2-й российской конференции по теплообмену. М., 1998. Т. 5.
АВДЕЕВ ИГОРЬ НИКОЛАЕВИЧ - магистрант, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
