VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В статье рассматривается повышение эффективности использования природных ресурсов в области теплоэнергетики и снижение потерь теплоты в трубопроводах путём использования тепловой сети типа «труба в трубе».

В докладе министерства энергетики Российской Федерации «Политика Теплоснабжения». М., 2013 отмечается: «Реальные потери в тепловых сетях составляют до 20-30% (за рубежом: 6-8 %) и необходимо увеличивать темпы перекладки сетей минимум до 6% в год от их протяженности».

В данной работе приведено экономическое обоснование теплосети по типу «труба в трубе». Использование данного решения приводит к снижению расхода углеводородного топлива на котельных установках и одновременно происходит снижение тепловых потерь при транспортировке в сравнении с классической тепловой двухтрубной сетью.

Тепловая сеть, функционирующая по типу «труба в трубе», представляет собой тепловую схему, в которой прямая линия с «горячим» теплоносителем поступает к потребителю по внутренней трубе, а обратная по кольцевому сечению и подогревается от прямой линии. Это позволяет получить более высокую температуру в конце обратной линии. (см.рис.1)

Прямая линия сети устанавливается во внешней трубе на специальных распорках, имеющих прямоугольную форму со скругленными концами, угол между которыми составляет 120^◦, что уменьшает гидравлические сопротивления.

τ₂ τ₁

t₁ t₂

Рисунок 1 - Схема тепловой сети типа труба в трубе: а - поперечное сечение теплотрассы; б-сечение вдоль теплотрассы;

Параметры сетевой воды для классической схемы тепловой сети принимаем при температуре наружного воздуха -20^◦C по опытным данным : t₁=101^◦C ; t₂=76^◦C; =58^◦C; =44^◦C; =958; =2 м/с.

Размеры трубы классической тепловой сети: d=0.63 м; l=18 км; δ=0,008 м; δ_из=0,1 м.

, (1)

Вт/м² °С

где t₁ - начальная температура теплоносителя, °С; t₂ – конечная температура теплоносителя, °С; t_гр – температура греющей среды, которую принимаем равной температуре грунта 8^◦C; М – массовый расход теплоносителя; С_р-изобарная теплоемкость теплоносителя, принимается равной 4,187 кДж/кг°С; H – поверхность теплообмена м².

Определяем конечную температуру прямой линии теплотрассы типа «труба в трубе» по уравнению Шухова [1], массовые расходы в тепловых сетях принимаем одинаковыми :

где t_гр – температура грунта, которую мы принимаем равной температуре обратной линии 70^◦C; t₁ – начальная температура теплоносителя, принимается равной начальной температуре теплоносителя для классической схемы теплосетей, °С; k – коэффициент теплопередачи принимается равным коэффициенту теплопередачи для классической схемы теплосети, Вт/м² °С; H – поверхность теплообмена принимается равной поверхности теплообмена классической схемы тепловой сети, так по диаметру внутренняя труба тепловой сети типа «труба в трубе» равна трубе классической теплосети, м²; М – массовый расход горячей воды; С_р – теплоемкость теплоносителя при постоянном давлении, принимается равной 4,187 кДж/кг°С.

Определяем конечную температуру обратной линии тепловой сети типа «труба в трубе» по уравнению теплового баланса, теплоемкости и массовые расходы горячей воды в подающей и обратной линии считаем равными:

, (2)

(3)

°С

где – начальная температура теплоносителя в обратной линии, принимается ниже конечной температуры теплоносителя в прямой линии на 16°С.

Основной проблемой тепловых сетей являются тепловые потери в окружающую среду, то есть полезно не использующееся тепло. Одна из причин этого износ и несовершенство теплоизоляции.

Определим тепловые потери в грунт в подающей линии тепловой сети классической схемы:

кДж (4)

где k – коэффициент теплопередачи, кДж/кг°С; D – наружный диаметр трубы с теплоизоляцией, м; – длина подающего участка тепловой сети, м; t₁ – начальная температура теплоносителя в падающей линии, °С; t₂ – конечная температура теплоносителя в падающей линии, °С; t_гр – температура грунта остается ране принятая 8°С.

Определим тепловые потери в грунт в обратной линии тепловой сети классической схемы по формуле [4]:

кДж

Суммарные потери в грунт по всей длине классической тепловой сети:

кДж

Определим тепловые потери в грунт для тепловой сети типа «труба в трубе» по формуле [4]:

кДж

Расход газа необходимого на догрев воды при использовании классической схемы тепловой сети, коэффициент полезного действия котлоагрегата принимаем 95%:

м³/с (5)

где Q – количество теплоты необходимое на догрев топлива в котельной, кДж; Q^н_р – низшая рабочая теплота сгорания используемого газа, кДж/м³; η – коэффициент полезного действия котлоагрегата.

Расхода газа необходимого на догрев воды при использовании тепловой сети типа «труба в трубе», определяется по формуле [20]:

м³/с

Определим разницу годового расхода денежных средств на топливо:

руб/год (6)

где B_год1 – годовой расход газа при использовании классической тепловой схемы, м³/год; B_год2 – годовой расход газа при использовании тепловой схемы типа «труба в трубе», м³/год; 4,241 – стоимость 1 м³ газа, рубль.

Определим денежную разницу тепловых потерь в окружающую среду:

руб (7)

где Q_гр1 – тепловые потери в окружающую среду классической тепловой сети, кДж; Q_гр2 – тепловые потери в окружающую среду тепловой сети типа «труба в трубе», кДж; 2,39 – переводной коэффициент.

По результатам проведенных расчётов экономической эффективности использования предлагаемой схемы оказывается, что применение данной тепловой сети приводит к уменьшению расхода газа на 67% и к годовой экономии денежных средств в размере 116,5 миллионов рублей, кроме того в этом случае уменьшаются теплопотери на 10% за один циркуляционный цикл горячей воды, что дополнительно приводит к экономии 29,8 миллиона рублей. Вместе с тем оказывается, что конструкция предлагаемой схемы, сложнее из за применения распорок на которых фиксируется подающая линия сети и возрастает перепад давления, что приводит к увеличению мощности на 23% и расходу электроэнергии (542 тысячи рублей).

Вместе с тем данная схема приводит к увеличению затрат вследствие разной цены применяемых труб обратных линий (для новой схемы используется труба большего диаметра и это приводит к дополнительным расходом металла на подпорки в размере 3,82 м³, что приводит к увеличение расходов на 221 миллион рублей и стоимости прокладки на 8 миллионов рублей).

Однако в результате снижения потребления газа и уменьшению тепловых потерь окупаемость тепловая сети функционирующей по принципу «труба в трубе» составляет менее двух лет и оказывается рентабельной.

Библиографический список

1. Лебедев, П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки / П.Д.Лебедев.-М.:Энергия,1972.-250с.

2. Кириллин, В.А. Техническая термодинамика / В.А. Кириллин, В.В. Сычёв, А.Е. Шейндлин.-М. :Энергоиздат,1983.-195с.

3. Теплотехника: учебник для вузов / под ред. В.Н. Луканина.-М.: «Высшая школа», 1999.-197с.

4. СНиП 2.04.07 – 86. Тепловые сети – М.: Госстрой, - 2001. – 48 с.

5. Конышев Е.К. Оценка эффективности теплотрассы типа «труба в трубе» по сравнению с классической теплотрассой/ Сб. материалов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Челябинск (20-22 апреля 2013 г.)

Код для цитирования: Скопировать