Оценка влияния температуры теплоносителя на тепловые потери теплопроводов

В настоящее время большинство российских теплоснабжающих систем по ряду причин не в состоянии поддерживать принятые при проектировании высокотемпературные графики теплоснабжения: во многих теплопроводах температура теплоносителя гораздо ниже проектной. Приведение параметров теплоносителя к проектным значениям зачастую является практически невыполнимой задачей, поэтому многие специалисты видят решение связанных с этим проблем в переходе на пониженные графики теплоснабжения. В связи с этим актуальной становится задача исследования особенностей низкотемпературного теплоснабжения.

Проблемы несоответствия фактических температурных параметров проектным в системах теплоснабжения затрагиваются в трудах В.Ф. Гершковича, В. Г. Родионова, С.А. Чистовича, Л.М. Махова, А.П. Шелудько и др. При этом многие исследователи считают, что системы централизованного теплоснабжения с пониженными температурными графиками – это основное русло развития систем теплоснабжения в России на ближайшую перспективу. Так, в статьях В.Ф. Гершковича приводится подробная аргументация того, что традиционный температурный график теплоснабжения сильно завышен и не актуален для современных условий [1]. А.П. Шелудько подчеркивает, что снижение температуры теплоносителя позволило бы сократить перетопы в системах отопления в переходные периоды года [2]. С.А. Чистович утверждает, что максимальная температура теплоносителя в подающем теплопроводе на сегодняшний день не должна превышать 110 °С [3].

На первый взгляд, низкотемпературное теплоснабжение является более комфортным для потребителей благодаря пониженной температуре поверхности отопительных приборов. Кроме того, на производство теплоносителя с более низкой температурой затрачивается меньшее количество дефицитных топливных ресурсов, экономия которых является приоритетной задачей. Однако необходимо выяснить, действительно ли низкотемпературное теплоснабжение приемлемо для нашей страны и каким именно должен быть оптимальный температурный график систем в сложившихся условиях.

Известно, что большинство тепловых потерь происходит при транспортировке теплоносителя. Согласно статистике в сетях теплоснабжения из-за их ненадлежащего состояния теряется до 70 % вырабатываемой теплоты [4], поэтому, очевидно, что проблему энергосбережения необходимо решать в первую очередь на тепловых сетях.

На тепловые потери теплопроводов влияет не только качество тепловой изоляции, наличие утечек и монтаж теплотрасс, но и температура теплоносителя. Известно, что при расчете тепловых потерь теплопроводов при наружной прокладке учи- тываются две составляющие: потери теплоты с излучением и с теплоотдачей [5]. Известно также, что потерю теплоты Q , например, неизолирован- ным теплопроводом удовлетворительно можно оценить с помощью следующей формулы:

Q = F TP ( T n - T o Ж +« Я ) ,              (1)

где F _тр – площадь поверхности теплопровода,

T _п – температура поверхности теплопровода,

То - температура окружающей среды, ак, ал - соответственно коэффициенты конвективной теплоотдачи и теплоотдачи излучением.

Коэффициент теплоотдачи излучением зави- сит от температуры поверхности теплопровода, которая в расчетах принята равной температуре теплоносителя, и от температуры наружного воз- духа и определяется по формуле ал

= е С

° пр о

( Т п - Т о ) , (2)

где е _пр - приведенный коэффициент черноты системы «теплопровод – окружающая среда», в данном случае он равен коэффициенту черноты поверхности теплопровода, С ₀ – постоянная Стефана – Больцмана.

Коэффициент конвективной теплоотдачи зависит от диаметра теплопровода, от температуры окружающей среды и от скорости ветра и вычисляется по формуле [5]

а к = 0,216 р_ф Re^0,6 Хв / 1 тр , (3) где р_ф - поправочный коэффициент, учитывающий направление воздушного потока по отношению к оси теплопровода, Re – критерий Рейнольдса, Х _в - коэффициент теплопроводности воздуха, D _тр – диаметр теплопровода.

По указанным формулам были проведены расчеты тепловых потерь подающим, неизолированным, наружно проложенным теплопроводом длиной 1 м для климатических условий г. Магнитогорска. Температура наружного воздуха была принята равной -34 °С , скорость ветра 3 м/с, общий поток теплоты, т. е. тепловая мощность, доставляемая теплопроводом, 23,8 МВт . Температура теплоносителя в подающем теплопроводе изменялась в диапазоне от 90 до 150 ° С . Диамет- ры теплопроводов при одинаковом количестве переносимой теплоты, но при разной температуре теплоносителя и вследствие этого при разном его расходе определялись согласно условию, что удельные потери давления остаются прежними и равными во всех рассмотренных случаях 80 Па/м , что соответствует нормативным требованиям [6]. Найденное таким образом соотношение для расходов теплоносителя и диаметров теплопроводов имеет вид

_{G 1} 2 _{D 1} 5,25

G2 = Dp’

где G1, G2 – расходы теплоносителя соответственно для диаметров теплопровода D1, D2. При этом подчеркнем, что во всех случаях считалось, что доставляемый за единицу времени теплопроводом поток теплоты один и тот же и равен сGmT, где c – удельная теплоемкость теплоносителя, Gm и T – соответственно его массовый расход и температура. Вычисленные по формуле (4) значения диаметров для чистоты исследования не округлялись до стандартных размеров.

На рис. 1 приведены кривые, показывающие, как изменялись коэффициенты теплоотдачи а _к и а _л в вышеуказанных условиях в зависимости от температуры теплоносителя.

Температура теплоносителя, °С

Рис. 1. Изменение коэффициентов теплоотдачи а к и а л в зависимости от температуры теплоносителя

Инженерное оборудование зданий и сооружений

Из рис. 1 видно, что коэффициенты теплоотдачи а к и а л увеличиваются с увеличением температуры теплоносителя и соответственно температуры поверхности теплопроводов. Поэтому уменьшение данных составляющих с уменьшением температуры теплоносителя, как это следует из формулы (1), будет приводить при прочих равных условиях и к уменьшению тепловых потерь. Вследствие этого может возникнуть предположение, что и в целом при более низкой температуре теплоносителя будут достигаться и более низкие удельные потери теплоты. Однако согласно формуле (1) общие тепловые потери теплопровода зависят еще и от площади его поверхности, и от разности температур поверхности теплопровода и окружающей среды. Площадь поверхности теплопроводов растет с увеличением их диаметров, что и требуется из-за снижения температуры теплоносителя, приводящего к увеличению его расхода при неизменном значении теплового потока.

Изменение второй составляющей формулы (1) FTp (Тп - То) - произведения площади поверх- ности теплопровода и разности температур поверхности теплопровода и окружающей среды в зависимости от температуры теплоносителя показано на рис. 2.

Как видно из рис. 2, произведение F_mp ( Т _п - Т о ) на большей части графика заметно растет с уменьшением температуры теплоносителя, несмотря на то, что при этом разность температур ( Т _п - Т о ) снижается, следовательно, эта составляющая формулы (1) - произведение F _tp ( Т _п - Т о ) будет «работать» в целом на увеличение тепловых потерь из-за превалирующего влияния увеличения площади поверхности теплообмена. Из рис. 2 также видно, что представленная кривая F _tp ( Т _п - Т о ) = f ( Т ) имеет слабо выраженный минимум в правой части графика.

Изменение потерь теплоты в зависимости от температуры теплоносителя отдельно за счет излучения и за счет конвективного теплообмена показано на рис. 3.

Рис. 2. Кривая изменения произведения F_Tp ( Т п - Т о ) в зависимости от температуры теплоносителя

Температура теплоносителя, °С

Теплопередача конвекцией

Теплопередача излучением

Рис. 3. Изменение потерь теплоты в зависимости от температуры теплоносителя

Температура теплоносителя, °С

Рис. 4. Суммарные тепловые потери теплопровода в зависимости от температуры теплоносителя

На рис. 4 показано изменение потерь теплоты в зависимости от температуры теплоносителя в сумме как за счет излучения, так и за счет конвективного теплообмена.

Как видно из рис. 3 и 4, кривые потерь теплоты теплопроводом имеют достаточно отчетливо выраженный минимум, т. е. существует оптимальная температура теплоносителя, при которой потери теплоты теплопроводом будут наименьшими. В частности, для рассмотренных условий самые низкие тепловые потери теплопроводов достигаются при температуре теплоносителя 100 ° С. Данный результат дает основание для предпочтительного выбора расчетной температуры теплоносителя в системах теплоснабжения из решения задачи оптимизации. Из рис. 4 также видно, что при температурах теплоносителя свыше 100 ° С наблюдается довольно интенсивный рост тепловых потерь, следовательно, с данной точки зрения высокотемпературное теплоснабжение не является выгодным, что вообще-то является достаточно неожиданным результатом для специалистов по теплоснабжению, так как в литературе обычно утверждается, что «…экономически может быть оправдано повышение максимальной температуры сетевой воды в подающем трубопроводе до 170 ^ 190 ° С » [7, с. 90], что «...повышение параметров теплоносителя приводит к… снижению расходов по перекачке» теплоносителя [7, с. 113].

Общеизвестно, что при наличии тепловой изоляции на магистральных теплопроводах расчет потерь теплоты с достаточной точностью может быть проведен по следующей формуле:

Q = Ftp (Т - То) к, (5) где к = 1/(1/(ал + ак) + 8Д) - коэффициент теплопередачи, 5 - толщина тепловой изоляции, а X -ее коэффициент теплопроводности. Поэтому, как это следует из сравнения формул (1) и (5), наличие тепловой изоляции качественно не поменяет найденного результата: с точки зрения минимизации тепловых потерь существует оптимальная температура теплоносителя, причем эта температура, как правило, совсем не соответствует общеизвестным значениям в 150 или 130 °С [6]. В частности, во всех наших расчетах, проведенных и для других значений количества переносимой теплоты и других значений удельных потерь давления, оптимальная температура теплоносителя в подающем теплопроводе была равной 100 °С . Поэтому рекомендуется оптимальное значение расчетной температуры теплоносителя в тепловых сетях выбирать из решения следующей задачи оптимизации:

п ( Т — Т о )

qL = —-— ^ min, (6) RL T где qL – линейная плотность теплового потока, RL – линейное термическое сопротивление теплопередаче теплопровода.

Выводы

Исследованы особенности процесса теплоснабжения, обусловленные снижением температуры теплоносителя в подающих теплопроводах. Установлено, что в области пониженных температур существует оптимальная температура теплоносителя, при которой тепловые потери теплотранспортных систем будут минимальными. Поэтому рекомендуется при проектировании и реализации систем низкотемпературного теплоснабжения расчетную температуру теплоносителя выбирать из решения задачи оптимизации.