Сравнительный анализ полезного распределения тепла систем электрообогрева технологических трубопроводов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ШЕСТОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УКЛАД: МЕХАНИЗМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

13-14 ноября 2015 г.

УДК 001

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПОЛЕЗНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛА СИСТЕМ ЭЛЕКТРООБОГРЕВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

В. В. Смирнов, С. А. Сихвордт

К 2015 году электрообогрев технологических трубопроводов применяется повсеместно и является неотъемлемой частью обеспечения технологического процесса в зимний период, а в некоторых случаях круглогодично. Развитие технологий электрообогрева в настоящее время позволяет использовать самые разнообразные решения: от обогрева отдельных элементов трубопроводной арматуры термокожухами, до обогрева многокилометровых участков трубопроводов с помощью трубок теплоспутников. Изобилие возможных технических решений ставит вопрос о критериях, использование которых обеспечит правильный выбор технического решения.

Рассмотрим один из вариантов критериев с расположением их в последовательности применения: безопасность, функциональность, экономическая целесообразность, эстетическая ценность. Такая последовательность критериев возможна в том случае, если однозначно принято, что система электрообогрева является обязательной, неотъемлемой частью обеспечения технологического процесса. При выборе конкретного решения, как правило, создаются несколько вариантов, которые удовлетворяют минимальным или повышенным требованиям по первым двум критериям, после чего окончательное решение принимается на основе экономической целесообразности. Эстетическая ценность, как правило, во внимание не принимается. Экономическая целесообразность наиболее часто понимается, как совокупность капитальных затрат на комплектующие материалы.

Очевидно, что в каждом конкретном случае реальная экономическая целесообразность определяется кроме указанных затрат, также сроком эксплуатации, затратами на монтажные работы, на обслуживание, на потребляемую электроэнергию. Таким образом, дать объективную оценку какому-либо решению является трудоемкой задачей для специалиста. В рамках работы над методикой экономической оценки, которая позволила бы достоверно указать вклад указанных характеристик системы электрообогрева в экономический результат компанией ОАО «НТЦ «Энергосбережение» подготовлен обзор распределения тепловых полей с различными нагревательными элементами, который позволяет оценить коэффициент полезного действия системы, определяемый по тепловому эффекту. Это один из параметров, по которым будет характеризоваться полная КПД системы электрообогрева, что в свою очередь даст возможность оценки экономической целесообразности.

Существование теплового КПД обусловлено следующими причинами. В системах электрообогрева технологических трубопроводов, практически всегда нагревательный элемент располагается на поверхности трубопровода в слое теплоизоляции. Нагревательный элемент в этом случае играет роль радиатора - повышает тепловую отдачу от трубопровода. При нормальной работе системы нагревательный элемент имеет температуру выше трубопровода, следовательно увеличиваются тепловые потери за счет увеличения разницы температур между элементом и окружающей средой. Нагревательный элемент смещен относительно центра тепловой системы, что приводит к неравномерному распределению тепла в поперечном сечении трубопровода.

Согласно СП 61.13330.2012 «Свод правил. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» [1] тепловые потери рассчитываются в соответствии с формулой:

_ _^ в __/1 \

пЬ 1_иЬ 1_иЬ I рЬ V ^

квн+кст+киз+кн

где 1:в - температура среды внутри изолируемого объекта, °С;

1:н - температура окружающей среды, °С;

qL - линейная плотностьтепловогопотока через цилиндрическую теплоизоляционную конструкцию, Вт/м;

^Вн - линейное термическое сопротивление теплоотдаче внутренней стенки изолируемого объекта, м°С/Вт;

- линейное термическое сопротивление теплоотдаче наружнойизоляции объекта, м°С/Вт;

- линейное термическое сопротивление цилиндрической стенки изолируемого объекта, м°С/Вт;

- линейное термическое сопротивление цилиндрического слояизоляции объекта, м°С/Вт.

Системы электрообогрева защиты от замерзания и поддержания технологической температуры рассчитываются на случай остановки продукта. Так как в этом случае источник тепла - нагревательный элемент, расположен на внешней поверхности трубы, токомпенсируются потери с поверхности трубопровода и из формулы (1) следует исключить термические сопротивления теплоотдаче от продукта к внутренней стенке и линейное термическое сопротивление стенки трубопровода йст-

Термические сопротивления , определяются формулами (2) и (3) соответственно:

= —1—. (2)

и и н ^н

из 2^Яиз ^нт'

где ан - коэффициент теплоотдачи наружной поверхностиизоляции, Вт/(м2°С);

Аиз - коэффициент теплопроводности однослойнойизоляции, Вт/(м°С);

- наружный диаметр стенки изолируемого объекта, м;

С - наружный диаметризоляции, м.

С учетом вышесказанного формула (1) примет вид (4):

Чь = 1 1 ,-lW, (4)

--\---1п——

пйИзан 2пХИз

Как мы можем видеть, данное уравнение никак не учитывает тепловые потери, возникающие в результате появления дополнительных элементов в теплоизоляции. Тепловые потери, определенные по уравнению (4) предлагается использовать в расчетах в качестве выражения для полезно затрачиваемой энергииQп, а тепловые потери с учетом работающей системы электрообогрева выступают в качестве реально затрачиваемой энергииQз, тогда тепловой КПД определиться формулой (5):

Пт =|. (5)

Наиболее наглядно продемонстрировать существование теплового КПД можно на примере сравнения систем электрообогрева стальных труб теплоизолированных пенополиуретаном с трубками теплоспутниками и с кабельным обогревом. Расчет произведен в лицензионной версии программы Е1сШ; 6.0.2.1550, для температуры окружающей среды минус 60°Сс допущением постоянного значения коэффициента теплоотдачи а=35 Вт/м К и коэффициента теплопроводности теплоизоляции Х=0,033 Вт/мК. Вид расчетных моделей представлен на рис. 1 и 2. Расчет проводился для труб внешним диаметром 325 мм диаметром по изоляции 560 мм и труб диаметром 530 ммдиаметром по изоляции 800 мм в стационарном режиме, когда жидкость не перемещается. Размеры труб и теплоизоляции, а также коэффициент теплопроводности выбраны в соответствии с номенклатурным каталогом продукции ЗАО «Сиб-промкомплект»[2]по ТУ 5768-004-01297858-03. В качестве греющих кабелей выбраны кабе-

ли ОАО «НТЦ «Энергосбережение» типа КнМНбФэ-6,0-1000-260 по ТУ 3558-001-36253509-2011[3].

Первым шагом в решении был расчет тепловых потерь трубопровода без нагревательных элементов и с их наличием. Результаты представлены на рис. 3 и 4.Изменение тепловых потерь при расчете с греющим кабелем в качестве нагревательного элемента дают изменения менее0,92% и поэтому не приводятся на графиках.

29.5

20.5

11.6 2.7 -6.1 -15.0 -23.9 32.£ ■41.7 50.6 59.6

■ 23.2

14.9

6.6

-1.6 3 о

-18.2

-26 4

-34.7

-43.0

— -51.3

■ -59.6

а) б) в)

Рис. 1. Вид расчетных моделей с обогревом трубками-теплоспутниками а) с одним теплоспутником; б) с двумя теплоспутниками; в) с четырьмя теплоспутниками.

а) б) в)

Рис. 2. Вид расчетных моделей с обогревом греющими кабелями а) с одним кабелем; б) с двумя кабелями; в) с четырьмя кабелями.

Ч, Вт

60,0 55,0 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0

20 40 60

Тепловые потери по формуле (4) тепловые потери с 1-й трубкой Д25х3,2 тепловые потери с 2-я трубками Д25х3,2 тепловые потери с 4-я трубками Д25х3,2

Шо^ержания^С

Рис.3. График зависимости тепловых потерь трубы диаметром 325 мм с различным количеством

трубок теплоспутников

0

Ч, Вт

80,0

75,0

_

70,0

65,0

60,0

55,0

50,0

45,0

40,0

35,0

30,0

0 20 40 60 80 поддержания,°С ♦ Тепловые потери по формуле (4) тепловые потери с 1-й трубкой Д25х3,2 ж тепловые потери с 2-я трубками Д25х3,2 —•—тепловые потери с 4-я трубками Д25х3,2

Рис.4. График зависимости тепловых потерь трубы диаметром 530 мм с различным количеством

трубок теплоспутников.

Далее рассчитывалась мощность, которую необходимо выделить на нагревательном элементе для того, чтобы в наиболее удаленной точке поперечного сечения трубы достигалась установленная температура поддержания. В данном случае задана температура 20°С. В ре-зультатеприменения принятых допущений, зависимость тепловой мощности от температуры поддержания является линейной. После расчета мощности теплового потока через окожушку теплоизоляции для двух разных температур строится график зависимости и по нему определяется мощность нагревательного элемента, обеспечивающая заданную температуру поддержания. Далее, установкой данной мощности в расчетной модели в виде объемного тепловыделения на нагревательном элементе производится проверка полученного решения. Результаты приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Результаты расчетов тепловых потерь для обогрева трубками теплоспутниками

1 2 3 4 5 6

Наименование объекта Тепловые потери по формуле (4), Вт Тепловые потери без нагрева, Вт Соотношение столбцов 3/2, % Тепловые потери с нагревом, Вт Соотношение столбцов 5/2, %

1 трубка-теплоспутник 0 25 мм

труба 0 325 мм 30,3 30,98 102,3 31,85 105,1

труба 0 530 мм 40,1 40,61 101,3 42,43 105,8

2 трубки-теплоспутника 0 25 мм

труба 0 325 мм 30,3 31,47 103,9 31,79 104,9

труба 0 530 мм 40,1 40,97 102,1 41,52 103,5

4 трубки-теплоспутника 0 25 мм

труба 0 325 мм 30,3 32,45 107,1 32,57 107,5

труба 0 530 мм 40,1 41,62 103,8 41,84 104,3

Таблица 2

Результаты расчетов тепловых потерь для обогрева резистивным кабелем типа

КнМНбФэ

1 2 3 4 5 6

Наименование объекта Тепловые потери по формуле (4), Вт Тепловые потери без нагрева, Вт Соотношение столбцов 3/2, % Тепловые потери с нагревом, Вт Соотношение столбцов 5/2, %

1 нитка греющего кабеля типа КнМНбФэ 6-1000-260

труба 0 325 мм 30,3 30,54 100,8 31,58 104,2

2 нитки греющего кабеля типа КнМНбФэ 6-1000-260

труба 0 325 мм 30,3 30,58 100,9 31,56 104,2

труба 0 530 мм 40,1 40,32 100,5 42,13 105,1

4 нитки греющего кабеля типа КнМНбФэ 6-1000-260

труба 0 325 мм 30,3 30,66 101,2 31,39 103,6

труба 0 530 мм 40,1 40,34 101,2 40,93 102,1

Проанализируем полученные результаты. Наиболее распространенными системами электрообогрева для указанных диаметров являются системы с одной и двумя трубками, с двумя или четырьмя греющими кабелями. При использовании обогрева трубками тепло-спутниками наблюдается повышение тепловых потерь на 3,5-5,8 %. Являются ли эти цифры критическими или угрожающими для системы подержания температуры? При проектировании теплоизоляции трубопроводов согласно СП 61.13330.2012[1] вводиться коэффициент дополнительных потерь, учитывающий теплопотери через теплопроводные включения в теплоизоляционных конструкциях, обусловленных наличием в них крепежных деталей и опор и для выбранных трубопроводов составляет 1,15. Однако, судя по материалам представленным в таблице определяющей выбор коэффициента, этот коэффициент учитывает именно влияние опор на тепловые потери. Согласно ГОСТ 1ЕС 60079-30-2-2011Электрооборудование для взрывоопасных газовых сред. Нагреватели сетевые электрические резистивные. Часть 2. Требования по проектированию, установке и обслуживанию при расчете нагревателей[4] вводиться коэффициент безопасности при расчете потерь тепла, данный коэффициент составляет от 10% до 25% от расчетных значений тепловых потерь. Однако этот ГОСТ не распространяется на расчет нагревательных систем с трубками тепло-спутниками с использованием поверхностного эффекта или индукционного нагрева. Коэффициенты безопасности используются для учета следующих факторов: разрушение теплоизоляции; колебания напряжения питания; падение напряжения в разветвлениях проводки; падение напряжения в электронагревателе; повышенное излучение и конвекция в высокотемпературных применениях; качество монтажа теплоизоляции. Таким образом, указанные потери не учитываются коэффициентами, приведенными в стандартах. Однако влияние выявленных дополнительных тепловых потерь будут фиксироваться при критических температурах, для которых производился расчет трубопроводов: абсолютного минимума, самых холодных суток, наиболее холодной пятидневки. С учетом ограниченного времени действия этих температур перемерзание трубопровода из-за неучета дополнительных теплопотерь крайне маловероятно, но возможно снижение температуры продукта относительно заданной температуры поддержания. В тоже время с экономической точки зрения затраты электроэнергии при эксплуатации системы будут выше на процент указанный в таблице 1.

Результаты расчета теплового КПД по формуле (5) для рассмотренных систем электрообогрева приведен в таблицах 3. В проведенных расчетах не учитывались коэффициенты запаса описанные выше.

Таблица 3

Результаты расчетов тепловых КПД рассмотренных систем во включенном состоянии

без учета коэффициентов запаса

1 2 3

Диаметр трубопровода 0 325 мм 0 530 мм

Наименование обогреваемого объекта Тепловой КПД системы

1 трубка-теплоспутник 0 25 мм 0,951 0,945

2 трубки-теплоспутника 0 25 мм 0,953 0,966

4 трубки-теплоспутника 0 25 мм 0,93 0,958

1 греющий кабель 0,959 -

2 греющих кабеля 0,96 0,952

4 греющих кабеля 0,965 0,98

В таблице 4 приведены расчеты теплового КПД для систем электрообогрева с кабелем КнМНбфэ при различных толщинах теплоизоляционного слоя.

Таблица 4

Результаты расчетов тепловых потерь для обогрева трубы 0325 мм резистивным кабелем типа КнМНбФэ в зависимости от толщины слоя теплоизоляции

1 Наименование объекта труба 0 325 мм

2 Толщина теплоизоляции, мм 117,5 97,5 77,5 57,5

3 Наружный диаметр теплоизоляционного модуля, мм 560 520 480 440

4 Тепловые потери по формуле (4), Вт 30,3 35,02 42,11 53,99

5 Тепловые потери без нагрева, Вт 30,58 35,42 42,72 55,06

6 Соотношение строк 5/4, % 100,9 101,1 101,4 102

7 Тепловые потери с нагревом, Вт 31,56 36,74 44,66 58,33

8 Соотношение строк 7/4, % 104,2 104,9 106,1 108

9 Тепловой КПД системы 0,96 0,953 0,943 0,926

Выводы:

1. Выбор технического решения по экономической целесообразности требует учета различных параметров;

2. КПД системы электрообогрева является одним из параметров определяющих экономическую целесообразность в относительных единицах и определяет дополнительные затраты системы связанные с особенностями ее конфигурации;

3. КПД системы электрообогрева включает тепловой КПД, КПД системы управления, КПД системы электропитания;

4. Тепловой КПД системы объясняется наличием нагревательного элемента в качестве теплопроводной вставки, что оказывает влияние постоянно, в независимости от работы системы, и наличием источника тепла в нагревательном элементе с повышенной температурой относительно трубопровода в период работы системы;

5. Учет выявленных дополнительных теплопотерь системы электрообогрева в известных нормативных документах не прослеживается.

ЛИТЕРАТУРА

1. СП 61.13330.2012 «Свод правил. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» [Электронный ресурс] / Электронная программа. - ИСС «Техэксперт», доступ 23.10.2015.

2. Номенклатурный каталог продукции ЗАО «Сибпромкомплект» 2011. Седьмая редакция, дополненная и переработанная. - Тюмень, ЗАО «Сибпромкомплект», 2011. - 130 с.

3. ТУ 3558-001-36253509-2011. Кабели нагревательные. Технические условия. - Введ. 25.05.2011.-Тюмень.2011.

4. ГОСТ 1ЕС 60079-30-2-2011 Взрывоопасные среды. Электронагреватель резистивный распределенный. Часть 30-2. Руководство по проектированию, установке и техническому обслуживанию [Электронный ресурс] / Электронная программа. - ИСС «Техэксперт», доступ 23.10.2015.