Главная >  Потенциал энергии 

 

Принципы оптимизации при проекти. Дает ли преимущества метод, при котором подающий и обратный трубопроводы имеют общее изоляционное покрытие?

 

Г-н Бенни Боом, доктор наук, энергетические технологии, отделение инженерной механики, Датский технический университет Г-н Халлдор Кристенсен, консультант, отдел энергетики, Carl Bro A/S

 

Каким образом должны быть размещены рабочие трубопроводы внутри изоляционной оболочки при таком способе изоляции?

 

Ведет ли к повышению температуры обратной воды такой способ совместной изоляции подающих и обратных трубопроводов?

 

Отличаются ли требования к проектированию разводящего трубопровода от требований к проектированию других видов трубопроводов, используемых в системах централизованного теплоснабжения (ЦТ)?

 

Должны ли оба рабочих трубопровода при совместной изоляции иметь одинаковые размеры?

 

Недавно полученная информация об экономии энергии на сдвоенных трубопроводах в сравнении с парой отдельно изолированных труб может поначалу ввести в заблуждение. Классы изоляции этих двух основных типов трубопроводов сравнивать невозможно из-за различий геометрии поперечных сечений изоляционного слоя. Для сравнения тепловых потерь при применении тех и других основных систем трубопроводов следует учитывать затраты и выгоды как втом, и так и в другом случаях. Выигрыш здесь - это экономия от сокращения тепловых потерь, а затраты - это ресурсы, затраченные на производство и установку.

 

Тепловые потери и потребность в ресурсах на традиционных и совместно изолированных трубопроводах.

 

На графике 1 для сравнения представлены две системы одиночных трубопроводов типа РЕХ20 с тремя системами сдвоенных трубопроводов типа РЕХ2 Каждая из пяти систем имеет определенный диапазон диаметров ободочки, все они представлены на графике пятью соответствующими кривыми. Все трубопроводы имеют одинаковую пропускную способность и температуры, соответственно 70/30/8°С (подающий/обратный/грунт).

 

Оценка эффективности в данном случае выполняется на модели, включающей множество переменных величин регрессии материальных ресурсов и трудовых затрат, также как цены и объема инвестиции. Составляя модель применения систем с одиночным или сдвоенным трубопроводами, во внимание принимают различные варианты затрат на стыки и комплектующие в комплексе с геометрией сети.Экономия, получаемая приприменениисдвоенных трубопроводов (рабочие трубы одинаковою размера)

 

Существует другой метод снижения тепловых потерь в подающем трубопроводе. Он заключается в уменьшении размера (диаметра) подающей трубы, но таким образом, что наиболее важный изоляционный слой. ближайший к подающей рабочей трубе, выполняется более толстым. Затраты на производство и прокладку остаются на том же уровне, но количество воды. транспортируемое через эту пару труб, будет меньше. Общую картину сравнения для разных диаметров дает график 2, однако материал данной статьи посвящен разводящим трубопроводам. Обследование начинается с трубопровода РЕХ 20 мм с постепенным снижением диаметров рабочих труб, что дает возможность увидеть получаемый эффект. Результирующие кривые тепловых потерь и пропускной способности труб можно видеть на рисунке График включает три группы двойных трубопроводов: первая группа с рабочими трубами одного диаметра (сдвоенный трубопровод), следующая группа – двойной трубопровод с подающей трубой на один размер меньше обратной трубы, т.е. (подающая/обратная) 18/20, 16/18 мм и т.д.; в то время как в последней группе подающая труба на два размера меньше обратной (16/20, 14/1 .

 

Кривые показывают, что увеличение размера оболочки ведет к снижению потерь теплоты, но ее снижение становится менее значительным по мере увеличения размеров оболочки, в то время как удельные затраты растут по мере увеличения размера оболочки.Таким образом устанавливается предел эффективности возможного увеличения слоя изоляции для каждой системы.Первые две системы одиночных трубопроводов, изображенные в верхней части схемы, включают стандартное изоляционное покрытие на обеих рабочих трубах, в то время как вторая система имеет дополнительный изоляционный слой на прямом трубопроводе. При этом полученная экономия будет больше 10%, что показано соответствующей кривой (направленной вниз)- Однако, одновременно кривая устремляется вправо, что связано с ростом требуемых удельных затрат, ограничивая объем чистой экономии, которая сводитсяк незначительному уровню, как этопоказано на графике, так как обе кривые находятся практически одна поверх другой.Короткая кривая на рисунке показывает серийную сдвоенную рабочую трубу РЕХ20 с размером оболочек 90 и 110 соответственно. В обоих вариантах рабочие трубы расположены с одинаковым зазором, равным 19мм. По практическим соображениям стандартные величины зазоров между рабочими трубами выдерживаются насколько возможно дальше. Более универсальная версия сдвоенного рабочего трубопровода с общим диапазоном диаметров оболочек представлена соответствующей кривой ниже. Здесь величина зазора регулируется с учетом того, что относительный коэффициент тепловых потерь к тепловым потокам очень сильно зависит от того, как размещены рабочие трубы внутри изоляции. В данных системах соответствующая геометрия поперечного сечения поддерживается постоянной при различных диаметрах оболочек и относительной толщине трех слоев изоляции в пределах 35+30+35% (зазор со стороны обратного трубопровода + зазор рабочего трубопровода + зазор состороны подающего трубопровода).Сравнение в вертикальной плоскости кривой сдвоенного трубопровода икривой одиночного трубопровода приводит к выводу, что сдвоенный трубопровод в принципе при грубом приближении дает 40% экономии за счет снижения тепловых потерь (РЕХ 20 мм). Тем не менее, экономия, полученная в результате увеличения диаметров оболочек, похоже, может снизиться более резко в случае применения сдвоенных трубопроводов. чем в случае применения одиночных трубопроводов (это зависит от конструкции поперечного сечения). В промышленных условиях возможны ограничения размеров оболочек, что может снизить экономию до величины весьма незначительной по сравнению с указанной выше. Но такое снижение экономии будет трансформировано в экономию инвестиций.Последняя и самая нижняя кривая представляет сдвоенный трубопровод с асимметрично размещенным изоляционным слоем: более толстый слой изоляции – на горячей подающей трубе; такая компоновка достигается путем размещения рабочих труб внутри оболочки таким образом, чтобы относительная толщина трех слоев изоляции составила 25+20+55% (зазор со стороны обратной трубы + внутренний промежуточный зазор + зазор со стороны подающей трубы). Из графика можно понять, что дополнительная экономия составит около 10%. В целом это почти соответствует классу изоляции (диаметр оболочки). Величина этой экономии относительно не зависит от диаметра изоляции.Еще один аргумент в пользу асимметричной изоляции в сдвоенных трубах заключается в следующем: меньше половины экономии на сдвоенном трубопроводе мы получаем на подающей трубе. В то же время большую часть экономии мы получаем от снижения тепловых потерь на обратной трубе (возможно 80%); экономия на подающей трубе ограниченавеличиной, составляющей около 30%, но даже при этом суммарный объем полученной экономии составит 40%. Вслучае с разводящими трубопроводами температурные потери весьма значительны, часто они составляют 2-3°С. Это еще раз говорит в пользу применил асимметричной изоляции сдвоенных труб.Экономия, получаемая на двойных трубопроводах (различные размеры рабочих труб)

 

В случае с обратным трубопроводом теплвые потери рассчитываются по следующей формуле:

 

Определения Одиночный трубопровод: пара рабочих труб, изолированныхотдельно. Сдвоенный трубопровод: пара рабочих труб одинакового размера, изолированных совместно. Двойной трубопровод: пара рабочих труб разного размера, изолированных совместно. Строенный трубопровод: три рабочих трубы с общей изоляцией: два подающих и один обратный. Асимметричная изоляция: болеемощный изоляционный слой накладывается на подающий рабочий трубопровод, обратный трубопровод имеет облегченную изоляцию. Такой метод применяется для всех вышеупомянутых типов трубопроводов. Сравнительный анализ трех графиков дает нам следующее: принцип использования рабочих труб разного диаметра не дает какой-либо ощутимой экономии, только небольшой процент и в случае использования трубопроводов небольшого диаметра. Однако, график также показывает, что при применении такой комбинации, когда двойные трубопроводы используются совместно со сдвоенными, появляется более благоприятная возможность наладить потоки в трубопроводах, и это может дать экономию в отдельных случаях до 8 или 10%, что в среднем составит4% для большей части разводящих трубопроводов. Такая возможность получить «дешевую» экономию не должна быть упущена.Еще один аргумент в пользу подающих рабочих труб небольших диаметров: в случае их использования, особенно, когда это касается разводящих трубопроводов, экономия за счет сокращения потерь теплоты в подающем трубопроводе ведет также к меньшему снижению температуры. Это значит, комфорт выше, или поток меньше, а на критичны (аварийных) участках сети экономия за счет снижения температурных потерь позволяет транспортировать в подающем трубопроводе от источника теплоты воду с более низкой температурой, что также ведет к снижению тепловых потерь во всей сети.Температурные (тепловые) потери могут быть критичными в таких ситуациях, когда мы имеем неравновесную нагрузку (например, использование горячей воды для бытовых нужд).Теплоты теряется меньше тогда, когда трубы охлаждаются в ночное время в связи со снижением потребления воды;подающий трубопровод меньшего диаметра позволяет горячей сетевой воде быстрее дойти до потребителя (т.е.утром, когда она транспортируется поранее охлажденной разводящей трубе). Тем не менее, это не верно, что малые размеры (диаметры) трубопровода дают возможность снизить потери температуры, благодаря большей скорости воды в статических условиях.Причина в том, что в трубопроводахменьшего диаметра находится меньшееколичество воды, т.е. меньший объем воды охлаждается, эти два геометрических фактора имеют общее происхождение и уравновешивают один другого. Следовательно, экономия на статической температуре при применении трубопроводов меньшего размера возможна только благодаря экономии за счет снижения тепловых потерь.Все вышесказанное подводит к важному выводу, смысл которого заключается в том, что даже, если на первый взгляд двойные трубы не имеют никаких преимуществ перед сдвоенными (рассматривается случай с малыми размерами трубопроводов), значительные улучшения достигаются посредством множества косвенных воздействий. Асимметрично изолированный двойной трубопровод (что подразумевает разны диаметры труб) может рассматриваться как лучший вариант по сравнению с применением симметрично изолированного сдвоенного трубопровода.Однако существует ее один дополнительный тип трубопроводов со значительным энергосберегающим потенциалом – это строенный трубопровод. Схема такого трубопровода представлена на графике 2 одним примером. Строенный трубопровод объединяет в себе преимущество трубопровода большого диаметра, т.е. достаточной пропускной способности, а подающий трубопровод малого размера дает возможность снизить тепловые потери. Оба этих преимущества обеспечивает конфигурация трубопровода, включающего два подающих трубопровода вместо одного. При этом два подающих трубопровода имеют разные диаметры и каждый из них – меньшего размера, чем размер обратного трубопровода. Большую часть времени эксплуатируется только подающий трубопровод меньшего размера )диаметра), а поддающий трубопровод большего размера открывается в случаях коротких периодов пиковой нагрузки. Больший подающий трубопровод также служит в качестве резервного, т.е. он не эксплуатируется; при этом мы как бы не получаем конфигурацию трубопровода с трубами меньшего диаметра, обеспечивающего экономию за счет снижения тепловых потерь. Из графика видно, что строенный трубопровод имеет преимущества над другими конфигурациями. Однако, показанныена графике тепловые потери, когда в работе находится только подающий трубопровод меньшего диаметра, и его работа занимает только 2-4% от всего времени работы всей системы, нельзя принимать как верные. Таким образом, средняя величина тепловых потерь несколько повысится. Более того, необходимо принимать во внимание -эксплуатационный режим в динамике. Сравнительно простые замеры, проведенные на месте на работающем строенном трубопроводе, показали, что может быть получен значительный уровень экономии. Необходимо отметить, что строенные трубопроводы не могут применяться для всех типов потребительских установок. Кроме того, сооружение такого трубопроводаставит определенные требования к принципиальным проектным решениям установки на стороне потребителя.Тепловой обмен между двумя рабочими трубами и влияние температуры обратной воды

 

U]r- тепловой поток от обратного трубопровода (при отсутствии подающего трубопровода), a U, - тепловой поток от подающего трубопровода к обратному обратному.ВеличинаU, зависит от расстояния между двумя рабочими трубопроводами, а также от теплопроводности изоляционного материала.При грубом приближении в качестве значений двух коэффициентов тепловых потерь могут быть представлены следующие величины (рассматривается случай с малыми диаметрами труб):

 

где U]r и U, - коэффициенты тепловых потерь, а Тг Тг и Ти - температуры в подающем трубопроводе, в обратном трубопроводе и в ненарушенном грунте соответственно.

 

• Для сдвоенных труб типа РЕХ: U, / U, = 25%;• Для одиночных изолированных труб:U,/U,=3%.

 

• для медных сдвоенных труб: U, / U,= 45-50%;• для канальной прокладки (ячеистый бетон):U, /U, = 35-50%, в зависимости от содержания влаги;

 

Рисунок 3 показывает величину тепловых потерь в условиях изменения расстояния между рабочими трубами от 0 до 46 мм. В последнем случае рабочие трубы касаются внутренней стороны обсадной трубы (оболочки).Суммарная величина тепловых потерь и тепловые потери от обратного трубопровода увеличиваютсяс увеличением расстояния междурабочими трубами. Если расстояние между рабочими трубами более 10 мм, мы имеем положительную величинутепловых потерь в обратном трубопроводе, это означает, что нет подогрева обратной воды. Суммарная величина тепловых потерь минимизируется посредством минимизации расстояния между рабочими трубопроводами. Но обычно такая задача невыполнима из-за того, что тепловой поток от подающего трубопровода к обратному больше. Это вызывает ненужное падение температуры в подающем трубопроводе и подъем температуры в обратном.Настоящие расчеты сделаны для коэффициента теплопроводности порядка 0.028 Вт/(м К). Сегодня на рынке представлена пенополиуретановая изоляция, обладающая более высокими качествами: она способна снижать все тепловые потоки, включая теплообмен между рабочими трубопроводами.

 

Это значит, что, как можно ожидать, тепловой поток от подающего трубопровода к обратному будет относительно большим в случае со сдвоенными трубопроводами, чем с одиночными. Также большим он будет и в случае со сдвоенными медными трубами в отличие от случая с применением сдвоенных РЕХ труб (традиционно в сдвоенных медных трубах расстояние между рабочими трубами делается короче).Чтобы проиллюстрировать объем теплового потока от подающего трубопровода к обратному рассмотрим пример со сдвоенным трубопроводомтипа РЕХ 20/20/90 (подающий/ обратный/оболочка, мм)

 

ЗаключениеНовые альтернативные методы проектирования разводящих трубопроводов, включая комбинацию совместногоизолирования сасимметриейрасположения труб и применения двух или трех груб разного диаметра, имеют, в отличие от традиционного метода применения пары трубопроводов, значительный энергосберегающий потенциал. Величина экономии при приблизительном подсчете будет составлять до 50%. В целом подогрев воды в обратном трубопроводе - не проблема. Полученные результаты весьма важны в практическом применении в связи с постоянным увеличением тепловых нагрузок и ростом цен на энергоносители; на трубопроводы, обслуживающие одного или нескольких потребителей, приходится половина всех тепловых потерь в сети.Ссылки Bohm,B & Kristjansson H. “Одиночные, сдвоенные и строенные сетевые трубопроводы подземной прокладки: потенциал энергосбережения за счет снижения тепловых потерь и затрат” . Международный журнал энергетических исследований (International Journal of Energy Research) 2005, 29, 1301-1312 Kristjansson H и др.“Fjernvarmeforsyning af lavenergiomrader” («Подача централизованного тепла в районы с низкой тепловой нагрузкой»). EFP 200 106 p. “Carl Bro”A/S, Датский технический университет, 2004, ISBN 87-7475-315-0.Для получения дополнительной информации предоставляем наши контакты:

 

В Дании сдвоенные трубы небольшого диаметра очень часто выполняются с зазором между ними в 19 мм. График 4 показывает изменения тепловых потоков под влиянием изменений температуры воды в обратном трубопроводе при условии, что температура в подающем трубопроводе постоянна. Чистый объем тепловых потерь в обратном трубопроводе равен величине тепловых потерь от обратного трубопровода. График показывает, что если температура обратной воды остается на уровне выше 23 С, тогда «вклад» теплоты от подающего трубопровода ниже, чем величина тепловых потерь от обратного трубопровода в окружающее пространство. Следовательно, повышения обратной температуры не будет.В целом, температура обратной сетевой воды в системах централизованного теплоснабжения держится в диапазоне 30-50 С в зависимости от нагрузки, состава абонентов и т.д. Однако, что касается разводящих трубопроводов, изменения температуры обратной воды могут быть более значительными. При обследовании предприятия Nykobing Falster в рамках проекта, выполняемого при спонсорской поддержке Датскойассоциации централизованного теплоснабжения, были сделаны замеры на разводящих трубопроводах. Результаты проведенной работы показали, что температура обратной вода снижалась до 25-30°С на короткие периоды в связи с разбором горячей воды для бытовых нужд.Следовательно, можно сделать вывод, что сетевая вода в обратном трубопроводе, выполненном в сдвоенном варианте типа РЕХ, в общем случае не подогревается сетевой водой из прямого трубопровода.

 

Энергетические технологии,

 

Датский технический университет

 

Technical University of Denmark

 

Отделение инженерной механики

 

Department of Mechanical Engineering

 

Energy Engineering

 

DK-2800 Kongens Lyngby

 

Att.: M-r Benny Bohm

 

bb@mek.dtu.dk

 

Tel: +45 4525 4024

 

Att.: M-r Halldor Kristjansson

 

Carl Bro A/S,

 

DK-2600 Glostrup

 

Granskoven 8

 

hkn@carlbro.dk

 

Tel.: +45 4348 6060

 



 

Глава_2. 3. Глава_5. 2. 6.

 

Главная >  Потенциал энергии 

0.0037