CC BY
87
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК 541.12+ 665.6
А. Ф. Файрушин, В. К. Половняк, Р. Ш. Еналеев
СНИЖЕНИЕ ТЕПЛОПОТЕРЬ В ТРУБОПРОВОДАХ
ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
АРАГОНИТОВОГО ПОКРЫТИЯ НА ВНУТРЕННИХ СТЕНКАХ
Ключевые слова: горячее водоснабжение, теплопотери, арагонитовое покрытие. hot water
supply, losses of heat, aragonite coverings
Снижение теплопотерь достигается за счет осаждения солей жесткости в виде арагонита на внутренней поверхности труб горячего водоснабжения. Составлена программа для расчета уменьшения теплопотерь в перерасчете на микрорайон, в зависимости от толщины покрытия (мм). Показано, что при оптимальной толщине покрытия экономия достигает до 8 млн. руб. в год для одного жилого микрорайона.
Decrease in losses of heat is reached at the expense of sedimentation of salts of rigidity in the form of aragonite on an internal surface of pipes of hot water supply.
The program for reduction calculation in losses of heat in recalculation on microdistrict, depending on thickness coverings (mm) is made. It is shown that at an optimum thickness of a covering the economy reaches to 8 million rbl. a year for one inhabited microdistrict.
Хорошо известно, что в природных горячих источниках, содержащих в больших количествах растворенные соли кальция, в основном карбонаты, происходит образование минерала арагонита с плотной кристаллической упаковкой. Арагонит осаждается на поверхности труб с образованием пленок от белого до светло-коричневого цвета [1]. Это явление нежелательно, т. к. уменьшает просвет трубопроводов и, в конечном счете, их приходится заменять на новые. Минерал арагонит является хорошим строительным материалом также для морских моллюсков, которые строят из него свои раковины. В сочетании с белковой субстанцией внутренняя поверхность раковин покрыта слоем перламутра - минеральным компонентом которого, также является арагонит.
Нами разработан способ защиты от коррозии внутренней поверхности труб горячего водоснабжения с использованием арагонитовых покрытий, формируемых в контролируемых условиях из солей жесткости. Для этого использовалась вода артезианской скважины с определенной жесткостью (6-7 единиц) и осаждение арагонита достигалось за счет специального температурного режима с одновременной деаэрацией питающей воды.[2] При этом образованное арагонитовое покрытие устойчиво к растворению при рабочих режимах горячего водоснабжения. Очевидно, что это внутреннее покрытие на стенках труб обладает дополнительным положительным эффектом, т.к из-за низкой теплопроводности арагонита оно будет уменьшать теплопотери через стенки труб не имеющих внешней теплоизоляции. Именно такой вариант широко представлен в системах разводящих трубопроводов горячего водоснабжения.
Антикоррозионное покрытие (далее -покрытие) кроме основного назначения представляет собой дополнительное тепловое сопротивление для утечек тепла от теплоносителя в окружающее пространство.
При проектировании систем теплоснабжения допускается снижение температуры теплоносителя на 1-2°С на расстоянии 800 м, которое обеспечивается монтажом тепловой изоляции на наружной поверхности трубопроводов.
Предварительный расчет такого подземного участка системы теплоснабжения показал, что экономический эффект от введения теплового сопротивления покрытия является незначительным, и им можно пренебречь.
Однако, на наземном участке системы теплоснабжения , на котором разводка трубопроводов горячей воды проводится без теплоизоляции и падение температуры теплоносителя составляет десятки градусов, тепловое сопротивление покрытия может значительно снизить теплопотери. Поэтому количественная оценка экономического эффекта снижения теплопотерь является важной перспективной задачей.
Физическая и математическая постановка задачи
Имеется многослойная цилиндрическая обечайка длиной ^ помешенная в окружающую воздушную среду с температурой 1о. Во внутреннюю полость обечайки с одного торца подается несжимаемая жидкость с объемной скоростью V и начальной температурой Ъ>^. В результате процесса теплопередачи от жидкости через многослойную стенку в окружающее воздушное пространство температура жидкости понижается до значения ^ на другом конце обечайки (далее-труба). Необходимо рассчитать температурное поле в системе «жидкость-труба-воздух» и определить интегральные тепловые потери в окружающее пространство. Схема процесса теплопередачи представлена на рис. 1.
~т~ ’ ■
ЖЯ? ТЯГР?
И А-Л
т-з
Рис. 1 - Схема теплопередачи (I - схема трубопровода, II - конвективный теплообмен, III - теплопроводность через многослойную стенку): 1 - жидкость; 2 - покрытие; 3 -сталь. L - длина трубы, 62 - внутренний и наружный диаметр покрытия, бз -
наружный диаметр трубы
Модель конвективного переноса
Из опытных данных известно, что скорость жидкости в трубах равна 1-2 м/с. Тогда для турбулентного течения можно принять равномерное распределение температуры по радиусу. Начальная температура воды может изменяться в диапазоне 65-950С. Поэтому принимаем независимость теплофизических свойств элементов системы от температуры. Тогда уравнение энергии для одномерного потока запишется в виде
( д1 д} , д2‘ „
Ср|—+ и~ - К' а(‘ - .о)’ (1)
^ дт дх ) д х2
где с, р, X- теплоемкость, плотность, теплопроводность жидкости, соответственно, к-коэффициент теплопередачи; а=4/с^- отношение поверхности контакта жидкости с покрытием к единице объема жидкости.
Если пренебречь молекулярным переносом (первое слагаемое в правой части (1)) по сравнению с конвективным (второе слагаемое в левой части уравнения (1)), то для стационарного режима можно записать
£ = -^(‘-‘оЬ-р^-‘о> <2)
где ке-линейный коэффициент теплопередачи; ^объемная скорость жидкости.
Модель теплопередачи через трубу в цилиндрической системе координат
Из опытных данных известно, что скорость жидкости в трубах равна 1-2 м/с. Тогда для турбулентного течения можно принять равномерное распределение температуры по радиусу. Начальная температура воды может изменяться в диапазоне 65-950С. Поэтому принимаем независимость теплофизических свойств элементов системы от температуры. Тогда уравнение энергии для одномерного потока запишется в виде
'д.+и ^ ) =
дт дх) д х
ср|^ + и^ | = ^ - к • а(‘ - ‘0), (3)
где с, р, X- теплоемкость, плотность, теплопроводность жидкости, соответственно, к-коэффициент теплопередачи, а=4/с^- отношение поверхности контакта жидкости с покрытием к единице объема жидкости.
Если пренебречь молекулярным переносом (первое слагаемое в правой части (1)) по
сравнению с конвективным (второе слагаемое в левой части уравнения (1)), то для
стационарного режима можно записать
£ = -■■$(*-«“-р^-‘0) (4>
где ке-линейный коэффициент теплопередачи, ^объемная скорость жидкости.
Модель теплопередачи через трубу в цилиндрической системе координат
Уравнение теплопроводности для трубы
срд- = *[£ +1 д.+|21]. (5)
дт
д г2 2 дг д-2
г )
Из-за незначительного перепада температур по длине трубы теплопроводностью в осевом направлении можно пренебречь. Тогда для стационарного режима уравнение (3) примет вид
+1 — = 0. (6)
д г2 2 дг
Решая (2) при граничных условиях для двухслойного цилиндра
Г=Г1, Ы; Г=Г2, Ыь г=гз; Ыз , (7)
получаем выражение для удельного на единицу длины количества тепла, проходящего через цилиндрическую поверхность в единицу времени ортогонально оси цилиндра
г __________________________________, (8)
—— + — |пС + — |пС + —
а,1 С 2 Х1 с11 2 Х2 С2 а2 С2
где Х1, Х2-коэффициенты теплопроводности покрытия и материала трубы; а-|, а2 -коэффициенты теплоотдачи с внутренней и наружной стороны трубы.
Тогда постановка задачи для схемы на рис.1 записывается следующим образом
сх=-рсЛ(‘-‘0)- <9)
1
Ре = —
ке
Ре = — + 1пС + -1- 1пС + —, (10)
а1 с! 2 Х1 С1 2 Х2 С2 а2 Сз
где Re- тепловое сопротивление трубы.
Задача (5-10) решается численным методом Эйлера.
Блок 1. Вводится толщина покрытия.
Блок 2. Вводятся значения объемной скорости теплоносителя, длина трубопровода, теплоемкость, плотность воды, диаметр трубопровода, начальная температура
теплоносителя, число шагов интегрирования, коэффициент теплоотдачи.
Блок 3. Рассчитывается шаг интегрирования, задается начальное значение температуры.
Блок 4. Расчет теплового сопротивления на поверхностях трубопровода за счет теплоотдачи.
Блок 5. Расчет теплового сопротивления теплопроводности.
Блок 6. Расчет общего теплового сопротивления.
Блок 7. Расчет значения производной от температуры по длине трубы.
Блок 8. Формулы Эйлера численного интегрирования уравнения (2).
Блок 9. Печать значений температур по длине трубы.
Блок 10. Проверка условия по границе интегрирования.
Блок 11. Расчет теплопотерь без покрытия.
Блок 12. Расчет экономической эффективности от применения теплоизолирующего покрытия.
Блок 13. Печать значения экономической эффективности.
В блоке 12 рассчитывается эффективность для микрорайона города при покрытии 4 ниток труб для горячей воды и воды для отопления.
Для диаметра трубы 100 мм толщиной 4мм при начальной температуре 700С с покрытием толщиной 1 мм эффективность составляет 600 Квт.
При цене 1 Квт. часа 1 рубль 50 коп. за год экономия составит около 8 миллионов рублей.
Литература
1. Штрюбель, Г. Минералогический словарь / Г. Штрюбель, З.Х. Циммер. - М.: Недра.-1987.-
492с.
2. Патент РФ №2362940 от 27.07.2009г. (приоритет от 20.02.2008г.) Способ защиты внутренней поверхности стальных труб от коррозии /Файрушин А.Ф., Андрейчук Ю.Н.. Половняк В.К., Никитина Е.В.
© А. Ф. Файрушин - соиск. каф. неорганической химии КГТУ; В. К. Половняк - д-р хим. наук, проф. той же кафедры, vkpol@mail.ru; Р. Ш. Еналеев - канд. техн. наук, доц. каф. химической кибернетики КГТУ.
