Мероприятия по энергосбережению при распределении и транспорте энергоносителей имеют не­сколько направлений: снижение прямых утечек пара и воды, снижение тепловых потерь теплопрово­дов за счет их изоляции, оптимизация гидравлического сопротивления при транспорте энергоносите­лей и т. д.

В данном издании рассматриваются, в основном, примеры и задачи, относящиеся к оценке нера­циональных затрат энергии при наличии утечек и неизолированных участков теплопроводов.

Напомним читателю некоторые расчетные соотношения, которые используют при оценке нера­циональных затрат энергии в системах транспорта энергоносителей (пара, горячей воды).

Количество тепла (Вт; ккал/ч), передаваемое в окружающую среду нагретой поверхностью трубо­провода, определяется:

Qtp = nxdxax(tHap — te)xL, (3.1)

Где tHap, te — средняя температура наружной поверхности и окружающего воздуха, °С d, L — диаметр и длина трубопровода, м

А- суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К (ккал/м3хчх0С) Для нагретых плоских поверхностей:

Qn = ах(нар — te)xH, (3.2)

2

Где H — площадь поверхности, м.

Суммарный коэффициент теплоотдачи учитывает теплоотдачу конвекцией ак и излучением ал. Для расчета первого из них используют зависимости вида Nu=f(Re, …) или Nu=f(Gr, Pr).

Приближенно для объектов, находящихся вне помещений на открытом воздухе, ак (Вт/м2хК) мож­но оценить:

Ак = 10 + 6 л/W, Вт/м2хК, (3.3)

Где w — скорость ветра, м/с

Для трубопроводов диаметром до 2 м., находящихся в помещениях:

Ак = 8,1 + 0,045 х(нар — te),

Лучистый теплообмен между поверхностью технологического оборудования и окружающим про­странством определяется уравнением:

‘t Л4

Нар

(3.4)

ЄПСо

Ал

V100 у

T -1

‘ л 4 V100 У

Нар в

Где єП — приведенная степень черноты системы;

С0 — коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, с0= 5,7 Вт/м2хК4;

Tнар и tB — абсолютные температуры стенок оборудования и окружающих стен. Потери тепла (Вт/м(ккал/мхч)) неизолированной трубой в грунте определяются по формуле:

Q = 2n(tнар — tгp ) хЛр

УН ln(2a / r) ,

Где А — коэффициент теплопроводности грунта, Вт/мх0С;

Гр

Для влажных грунтов можно принимать Агр =1,5; для грунтов средней влажности Агр =1,5 и для сухих грунтов =0,5.

Ср

4р — температура грунта, 0С;

R — радиус поверхности трубы, соприкасающейся с грунтом, м;

A — глубина заложения оси теплопровода от поверхности земли, м.

Известно, что непрерывно увлажняемая за счет адсорбирования парообразной влаги из окру­жающей среды изоляция теряет в 3^4 раза больше энергии, чем сухая, имеющая влагоизолирующий слой (приложение 2).

Изоляция типа минваты непрерывно увлажняемая потоками воды теряет в окружающее про­странство энергии больше, чем полностью неизолированная поверхность, если температура поверх­ности трубы более 1000С.

При расчете общей длины неизолированных труб для определения потерь тепла важно вклю­чить в расчет все фланцы и запорную арматуру. По тепловым потерям фланец эквивалентен 0,8 м трубы, а вентиль или задвижка эквивалентны 1 м трубы.

Можно считать (приложение 3, 4), что неизолированный фланец эквивалентен по величине по­терь 8 метрам, а вентиль или задвижка — 10 метрам изолированной трубы.

Поскольку экономия тепловой энергии приводит к уменьшению финансовых затрат, а изоляци­онные работы к увеличению последних, то следует для конкретных условий вычислять оптимальную величину изоляции трубопроводов.

Для этого рассчитывают приведенные затраты, руб./м2

(T -1 )z х 24mC A x 10 6

TOC o "1-3" h z v в от пер от пер т

П = С +——————————————————- (36)

Е ЯпрЕ

0 н

Се — единовременные затраты; Zom пер — продолжительность отопительного периода, сутки; m — 1,05 коэффициент, учитывающий инфляцию; Ст — стоимость тепловой энергии; А = 3,6, если руб./ГДж и А = 0,86, если руб./ГКал

Единовременные затраты

Се = 1,25 [(Ц +Т)к + См] (3.7)

Ц — оптовая цена конструкций, руб./м2; Т — стоимость погрузочно-разгрузочных работ; к — 1,02 коэффициент, учитывающий складские расходы; См — стоимость монтажа; Р0пр — приведенное терми­ческое сопротивление.

Для оценки экономии тепловой энергии в паропроводах и тепловых сетях за счет снижения утечек о деляют количество теряемого пара и его энтальпию.

Количество пара, попадающего в окружающую среду через неплотности из паропроводов Gn,( кг/ч) определяют:

Gn = 2,3 Sр-spP, (3.8)

2

Где S — площадь отверстия, мм ; р — коэффициент расхода пара через неплотности, можно в среднем принимать р = 0,62; р- плотность пара, кг/м3; P — абсолютное давление пара в паропроводе, Мн/м2 ; (10 ата = 1,1 Мн/м2)

Расход пара (кг/ч) через полное сечение трубопровода в атмосферу Gn, определяют:

Gn = 3600 • Smp• W р, (3.9)

Где Smp — площадь поперечного сечения трубы, м2; W- средняя скорость пара, м/с; (обычно принима­ют для перегретого пара W=50 м/с, для насыщенного W=40 м/с)

Примеры решения задач

Пример 3.1

Условие

Определите экономию тепловой энергии при нанесении изоляции на паропровод Ду 108×4 длиной 10 м, работающий непрерывно в течение года. Температура теплоносителя 150°С. Паропро­вод проложен в помещении, в котором температура +25°С и скорость потока воздуха w = 2 м/с. Тол­щина изоляции обеспечивает температуру на ее поверхности 35 0С.

Решение

Для вычислить потерь теплоты неизолированным трубопроводом находим суммарный коэф­фициент теплоотдачи от трубопровода к наружному воздуху:

А = 10 + 6x^/W = 10 + 6 х^2 = 18,5 Вт/м2хК Тогда теплопотери неизолированным теплопроводом составят:

QTP = nda(tнар — te)L =3,14×0,108×18,5 x(150 — 25)x10 = 7842 Вт Аналогично для изолированного паропровода

Q’tp = nda(tНар — tB)L =3,14×0,108×18,5 <35 — 25)x10 = 627 Вт Тогда экономия тепла за год составит:

AQ = (QTP —Q’Tp)xr= (7842 — 627) x 8760 = 63,2 x 103 кВтxч

Пример 3.2

Условие

Сравните среднегодовое снижение температуры пара в конце паропроводов, проложенных в цехе и вне его на эстакаде и не имеющих внешнего влагоизолирующего слоя изоляции, при следую­щих исходных данных:

1. Параметры перегретого пара на входе в паропровод P1 — давление

T1 — температура

H1 — энтальпия

И1 — удельный объем

Ts1 — температура насыщения

Cp — удельная теплоемкость

2. Скорость пара wn

3. Длина паропровода

L1- длина паропровода, проложенного в цехе

/2- длина паропровода, проложенного вне цеха на эстакаде

4. Диаметр паропровода D

5. Среднегодовое количество осадков Иос, мм Среднегодовая скорость ветра Wu

6. Среднегодовые температуры: tm — внутри цеха

^ар<0 °С — вне цеха

7. Термическое сопротивление изоляции Риз

В приближенных расчетах можно принимать температуру стенки внутри паропровода, равную температуре пара, а коэффициенты конвективной теплоотдачи рассчитывать:

Для цилиндрических поверхностей диаметром до 2 м внутри помещения:

Ан = 8,1 + 0,045(tcmH -1в) где te-™ — температура наружной поверхности изоляции

Для цилиндрических поверхностей диаметром до 2 м вне помещения

Q =

Ан =10 + 6л[к

Решение

1. Рассматриваем паропровод, проложенный в цехе 1.1 Определим удельный тепловой поток с поверхности паропровода q1 Пренебрегаем термическим сопротивлением металлической стенки паропровода.

(t -1 )

~ V 1 стн /

Q = R

Из

(t1 -1 )

У 1 вн ‘

R + ±

Из

A

АН = 8,1 + 0,045(t -1 )

7 7 V стн вн /

Решая совместно приведенные выше уравнения, определяем q1 — удельный тепловой поток с 1 м2 паропровода.

1.2 Определим температуру пара в конце паропровода

Qi = qi ■ F

F1 = n ■ D ■ /1

F1 — площадь поверхности паропровода

G 1 Tf D2 G = — w ••

З " 4 G — расход пара в паропроводе

QI = G ■ Cp ■ (t — ^)

Решая совместно последние четыре уравнения, определяем tBblx — температура пара на выхо­де из паропровода

Полученное значение t! JUx сравниваем с температурой насыщения пара ts1 и делаем вывод о возможной конденсации пара.

2. Рассматриваем паропровод, проложенный вне цеха Так как паропровод проложен вне цеха и не имеет влагоизолирующего слоя изоляции, то на его поверхность будут попадать и испаряться осадки.

2.1 Определим количество осадков, попадающих на поверхность паропровода Считаем, что осадки попадают только на верхнюю половину паропровода, следовательно, площадь, на которой происходит осаждение, равна:

F д = D ■ /2

Осад 2

Объем осадков, попавших на паропровод:

V д = F д ■ H

Осад осад ос 2

U осад

Среднегодовая удельная скорость (на 1 м ) выпадения осадков:

Vосад Р’вод

N ■ 3600 ■ Focad

Где Рвод — плотность воды

N — число часов работы паропровода в году

2.2. Определим удельный тепловой поток с поверхности паропровода q2 При среднегодовой температуре вне цеха ^ар<0°С осадки будут в виде снега. Тепловой поток с поверхности паропровода будет складываться из теплового потока за счет конвекции и сублимации.

(А — ^нар ) Т Т

Q 2 = i + U осад ‘ Гсубл,

RU3 + —

Ан

Где Гсубл — теплота сублимации льда при температуре ^ар (из справочника)

АН = 10 + 6jwB

Решая совместно последние два уравнения, определяем q2 — удельный тепловой поток с 1 м паропровода.

2. 3 Определим температуру пара в конце паропровода

Q2 = 42 ^ F2

F2 = п D ■ /2

F2 — площадь поверхности паропровода

G

■w,„

З

ND2 4

G — расход пара в паропроводе

А = G-Cp • ft — )

Решая совместно последние четыре уравнения, определяем ^ых — температура пара на выхо­де из паропровода

Полученное значение ^ых сравниваем с температурой насыщения пара ts1 и делаем вывод о возможной конденсации пара.

Пример 3.3

Условие

Оцените часовой расход насыщенного водяного пара через неплотности в паропроводе при давлении Р1=1,7 ата, если суммарная площадь отверстий S=15 мм2.

Решение

Утечки пара за 1 час составляют: Gn = 2,3xSxpx![pP

При давлении насыщенного водяного пара P = 1,7 ата, — V = 1,07 м3/кг (по таблицам насы­щенного водяного пара).

1,7 • 1,1 2

Давление пара в паропроводе, P = —^— = 0,187 Мн/м2.

1

Тогда плотность пара р = v,

Следовательно, Gn = 2,3x15x0,67^^ 107 •0,187 = 9,66 кг/ч. Непроизводительные потери энергии за год составят:

AQ=Gnxhnxx= 9,66×644,5×8760=54,5×106

Потери пара даже через небольшие неплотности в течение года приводят к значительным по­терям тепловой энергии. Например, утечки пара через отверстие диаметром 1 мм составляют: Абсолютное давление в кгс/см2 2 5 7 10 15 Утечки пара, кг/час 0,6 1,4 1,9 2,7 4,1 Утечки пара, т/год 5 12,2 17 24 35,5 Утечки воды, кг/час 4,5 7,1 8,4 10 12

Задачи

Задача 3.1

Определите тепловые потери с 10 м2 неизолированной плоской стенки длиной 20 м и с 10 м2 неизолированной трубы диаметром 100 мм, если температура теплоносителя 170°С, температура воздуха +20°С и скорость ветра w = 3 м/с (пластина и труба омываются воздухом в продольном на­правлении). Степень черноты поверхности стенки и трубы принять равной 0,8.

Задача 3.2

Сравните годовые потери тепла при отсутствии тепловой изоляции парового коллектора диа­метром 340 мм и длиной 3 м, если он находится а) в помещении с температурой воздуха +23°С ; б) на открытом воздухе при наружной температуре +23°С и скорости ветра w = 1 м/с. Температура пара 190°С. Число часов работы 8500.

Задача 3.3

Определите часовую утечку пара через отверстия в диапазоне d=0,3^5,0 мм при давлении в паропроводах Р=1,5^5,0 кгс/см2.

Задача 3.4

Определите годовую экономию тепловой энергии от изоляции сборника конденсата. Темпера­тура конденсата ^=950С. Температура на поверхности изоляции tиз=330С. Допустимые потери тепла qn=65 ккал/м^час. Поверхность изоляции Н=32 м2. Материал изоляции — маты минеральноватные на фенольной связке. Температура окружающего воздуха 4=+250С. Число часов работы т=7200.

Задача 3.5

Определите годовую экономию тепловой энергии от изоляции сборника конденсата. Темпера­тура конденсата? к=95°С. Температура на поверхности изоляции їиз=330С. Допустимые потери тепла qn=65 ккал/м2хчас. Поверхность изоляции Н=32 м2. Материал изоляции — маты минеральноватные на фенольной связке. Температура окружающего воздуха 4=+25°С. Число часов работы т=7200.

Задача 3.6

Определите годовые потери тепла теплопроводом диаметром 250 мм и длиной 100 м, если на нем расположены пять единиц неизолированной арматуры и 15 м с уплотнением основного слоя изо­ляции на 75% (приложение 2). Среднегодовые температуры внутри теплопровода 4000С, поверхности изоляции 400С, а окружающей среды +60С. Среднегодовая скорость ветра 3 м/с.

Задача 3.7

Оцените годовые непроизводительные затраты тепла на 50 м теплопровода наружной про­кладки диаметром 800 мм, не имеющего влагоизолирующего слоя и полностью поглощающего атмо­сферные осадки в виде дождя и снега, если известно время работы 8500 час, температура среды внутри теплопровода постоянна и равна 151,10С, поверхности изоляции 350С, окружающей среды 00С, годовая норма осадков h=150 мм, а средняя скорость ветра 3,0 м/с. Степень черноты изоляции при­нять равной 0,8.

Оцените доли потерь тепла за счет конвекции, излучения и испарения влаги.

Задача 3.8

Для условий задачи 3.6 определите толщину слоя изоляции из менераловатных прошивных изделий марки 200, оптимальную и критическую толщину изоляции, выбрав самостоятельно значение необходимых для расчета величин.

Задача 3.9

Определите кривые потерь тепла неизолированной трубой, проложенной в сухом и влажном грунте в зависимости от диаметра трубы и глубины ее заложения.

Задача 3.10

В помещении, температура стен которого 4т=20°С, проложено 12 м неизолированного паро­провода, наружный диаметр которого 350 мм, а температура поверхности їнар=20°С, степень черноты металла є=0,8. Найти годовые тепловые потери за счет излучения и конвекции.

Задача 3.11

Определите потери тепла от участка горизонтально расположенной трубы и темперу тру воды в конце участка, если известно: расход воды Gs=0,4 кг/с, наружный диаметра трубы d=0,15 м, толщина стенки Зст=1 мм, длина участка L=80 м, коэффициент теплопроводности стенки Лст=56 Вт/мхК, толщи­на слоя изоляции 4з=20, коэффициент теплопроводности изоляции Аиз=0,046 Вт/мхК, мм. Температу­ра воды в начале участка 4=90 С, а температура окружающей среды 4^=10^