ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СНИЖЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ПУТЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

Одним из решений проблемы энергосберегающей транспортировки теплоносителя является усовершенствование тепловой изоляции  трубопроводов при подземной прокладке. Представленная математическая модель процесса интенсификации теплообмена в воздушной прослойке, являющейся теплоизоляцией при канальной прокладке тепловых сетей, путем турбулизации потока окружающей среды, происходящего за счет его перемещения по криволинейным канавкам под воздействием температурного потока между стенкой трубопровода и воздухом. Разработана конструкция, новизна которой защищена патентом РФ.

Резерв экономии тепловой энергии имеет несколько источников, среди которых ведущее место занимает теплоизоляция. Качественная изоляция позволяет снизить потери тепла в тепловых сетях в 3—4 раза. В настоящее время на ТЭЦ находятся в эксплуатации 7,7 млн.м³ теплоизолированных конструкций, предотвращающих потери тепла в окружающую среду до 2×10¹⁰ Вт/ч [2]. В отечественных теплопроводах уровень потерь в 2,5 раза превышает нормативный, при этом 16,5 % вырабатываемой тепловой энергии теряется в тепловых сетях, в результате реальный резерв этого источника энергосбережения можно оценить в 60 млн. т. условного топлива.

Тепловые расчеты изоляционных конструкций проводятся с целью определения тепловых потерь трубопроводов с заданной конструкцией тепловой изоляции при выбранном типе прокладки и определенных изменениях температуры теплоносителя в тепловой сети.

В связи с этим суммарное термическое сопротивление конструкции от теплоносителя к воздуху  будет определяться как

                                   (1)

где  — термическое сопротивление материала трубопровода,

                                                  (2)

 — термическое сопротивление слоев изоляции трубопровода на его наружной поверхности (краска, гидроизоляция, теплоизоляция и т. д.)

                                               (3)

здесь  — коэффициент теплопроводности слоев, нанесенных на наружную поверхность трубопровода; — толщина каждого из слоев; — конечный наружный диаметр трубопровода после нанесения слоев изоляции.

 — термическое сопротивление воздушной прослойки

                                                                  (4)

-коэффициент теплоотдачи от наружного слоя трубопровода () к воздуху.

Тогда тепловые потери определяются как [3]

(5)

Коэффициент теплоотдачи  имеет преимущественное значение перед , так как сопротивление теплопередачи от теплоносителя к внутренней стенке трубопровода незначительно и логично считать, температуру внутренней стенки трубопровода равной температуре теплоносителя.

Низкий коэффициент теплоотдачи () от наружной поверхности, например гидроизоляции трубопровода, к неподвижному воздуху, что практически наблюдается при подземной прокладке тепловых сетей, определяется преобладающим теплообменом за счет свободной конвекции, при которой значения коэффициентов зависят только от температур на поверхности наружного слоя теплопровода () и воздуха () то есть .

Увеличение термического сопротивления воздушной прослойки достигается, как известно, путем турбулизации перемещения в ней воздушного потока [1].

Поэтому авторами рассмотрена возможность создания турбулизирующего движения воздуха в прослойке путем его вращательного движения с разработкой математической модели оптимизации соотношения энергозатрат на создание вращательного перемещения потока и величиной снижения теплопотерь в окружающую среду.

Течение воздуха с закруткой потока характеризуется соизмеримыми величинами осевой и вращательной направляющих составляющих скорости, действием центробежных массовых сил, продольными и поперечными градиентами давления.

Дифференциальное уравнение движения закручиваемого потока в воздушной прослойке запишем в виде [4]

     (6)

и градиент давления

                                                      (7)

где:  и  — радиус воздушной прослойки и ее текущий диаметр;

x, y, φ — цилиндрические координаты воздушной прослойки;

и  — плотность и скорость перемещения воздуха в прослойке;

Средняя скорость потока с воздушной прослойке

                                  (8)

где:  — динамическая вязкость воздушного потока ;

 — длина винтовой линии закрученного потока в воздушной прослойке

Приведем уравнение (8) к виду:

                                                    (9)

и тогда по закону Прандтля

                                    (10)

При вращательном движении воздуха по винтообразной направляющей коэффициент теплоотдачи  воздуха определяем из критериального выражения:

                              (11)

гидродинамический режим перемещения воздуха в прослойке предопределяет значение мощности двигателя вентилятора или воздуходувки, которая определяется по формуле

                                                       (12)

где: G — массовый расход воздуха .

Тогда величина достигнутой интенсификации тепловой защиты определяется удельной мощностью (отнесенное к единице площади (F₀) поверхности теплообмена, то есть

                                                     (13)

Данная математическая модель служит основой создания конструктивного решения теплоизоляционного слоя и снижения теплопотерь при подземной прокладке тепловых сетей, в которой для обеспечения снижения тепловых потерь на элементах конструкции канала выполнены винтовые канавки, обеспечивающие вращательное перемещение воздуха без дополнительных мероприятий на создание движения, то есть отсутствует вентилятор, а только за счет разности температур между поверхностью канавок и воздухом

Выводы

1.       Выполнены условия снижения тепловых потерь трубопроводов при подземной прокладке за счет перевода ламинарного движения воздуха в турбулентное перемещение в виде вращающегося потока в воздушной прослойке.

2.       Разработана математическая модель, описывающая взаимосвязанные гидравлические и теплообменные процессы теплоизолятора в качестве которого используется воздух окружающей среды.

3.       Получены аналитические соотношения стали основой создания конструктивного решения, обеспечивающего энергосберегающий процесс снижения тепловых потерь трубопровода за счет вращательного движения воздушного потока путем перемещения его под воздействием температурного потока по винтообразным канавкам.

Список литературы:

1.            Гидродинамика газожидкостных систем / С.С. Кутателадзе, М.А. Стырикович. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Энергия, 1976. — 296 с.: ил. — Библиогр.: с. 288—296.

2.            Перспективы использования технологии ЦКС при техническом перевооружении ТЭС России / Г.А. Рябов, О.М. Фоломеев, Д.С. Литун, Д.А. Санкин, И.Г. Дмитрюкова // Теплоэнергетика . — 15/01/2009 . — № 1. — С. 28—36.

3.            Теоретические основы и технические расчеты энергосберегающего оборудования систем теплоснабжения и вентиляции / под ред. Емельянова С.Г. // Старый Оскол, 2009. — 423 с.

4.            Теория и практика закрученных потоков / А.А.  Халатов; АН УССР, Ин-т техн. теплофизики, 190, [2] с. ил. 22 см, — Киев. Наукова думка 1989