Расчет теплопотерь трубопроводов тепловой сети

При выполнении расчета тепловых потерь здания необходимо опираться на нормативные документы, действующие в нашем законодательстве. В этой статье рассмотрим три самых важных:

1. СП 131.13330.2012 «Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*». Этот норматив представляет собой набор обширных таблиц, в которых приведены следующие сведения о климате нашей страны: параметры холодного и теплого периодов года (расчетные температуры, продолжительность отопительного периода, средние температуры, осадки, скорости ветра), сведения об интенсивности солнечной радиации, продолжительность светового дня, и некоторые другие, менее востребованные.

2. СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003». Этот нормативный документ поясняет требования, необходимые для правильного проектирования утепления конструкций зданий. Но для нас в его содержании важными являются методики расчета теплозащитных свойств конструкций.

3. ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях». В этом нормативе определяются оптимальные и допустимые температуры воздуха в различных помещениях жилых здания, а так же: влажность, скорость движения воздуха и другие параметры, влияющие на общий микроклимат в здании.

Также стоит понимать, что доскональное изучение этих нормативных документов не даст Вам полное понимание последовательности проведения расчета тепловых потерь здания — они описывают лишь требования к проектируемым системам. Для ознакомления с последовательностью расчета необходимо изучение дополнительной литературы. Очень хорошей публикацией является книга «Теплопотери здания. Справочное пособие» за авторством Е.Г. Малявиной — там приводится большое количество расчетов с подробными примерами.

НОРМЫ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ
(плотности теплового потока)
водяными теплопроводами, спроектированными в период с 1959 по1990 г. Таблица 1.1
Нормы тепловых потерь изолированными водяными теплопроводами в непроходных каналах
и при бесканальной прокладке с расчётной среднегодовой температурой грунта +5°C
на глубине заложения теплопроводов
Пример. 57С – подача, 46С – обратка, грунт =+3С. Температурный график 95/70 ºС, наружный диаметр трубы 108мм.
По нормативу разность среднегодовых температур воды и грунта равна: ((65+50)/2) – 5 = 52.5 ºС . По Таблице норма потерь qнорм. = 76 ккал/м*ч. Поправочный коэффициент К на реальные условия функционирования будет равен: (57 + 46 — 2*3)/(65 + 50 – 2*5) = 0,9238
Норма потерь = qнорм. * К = 76*0,9238 = 70,2088 ккал/м*ч;

НОРМЫ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ
(плотности теплового потока)
водяными теплопроводами, спроектированными в период с 1959 по1990 г. Таблица 1.2
Нормы тепловых потерь одним изолированным водяным теплопроводом
на надземной прокладке с расчётной среднегодовой температурой наружного воздуха +5°C
Пример. 57С – подача, 46С – обратка,; воздух =-4,93С, наружный диаметр трубы 273мм.
По нормативу разность среднегодовых температур воды и грунта равна:
Подача 57– 5 = 52 ºС . Обратка 46 – 5 = 41 ºС . По Таблице интерполяцией находим нормы потерь по подаче и обратке:
Подача qнорм. = 53 + (70-53)*{(52-45)/(70-45)}=57.76 ккал/м*ч.
Обратка qнорм. = 53 + (70-53)*{(41-45)/(70-45)}=50,28 ккал/м*ч.
Поправочный коэффициент К на реальные условия функционирования будет равен:
Подача (57+4,9)/(57-5) = 1,1904
Обратка (46+4,9)/(46-5) = 1,2415
Норма потерь = qнорм. * К = 57,76*1,1904 = 68,7575 ккал/м*ч;
Норма потерь = qнорм. * К = 50,28*1,2415 = 62,4226 ккал/м*ч;

НОРМЫ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ
(плотности теплового потока)
водяными теплопроводами, спроектированными в период с 1990 по1998 г.

блица 2.1
Нормы плотности теплового потока через изолированную поверхность трубопроводов
двухтрубных водяных тепловых сетей при прокладке в непроходных каналах,
Вт/м [ккал/(м•ч)]
Пример. 57С – подача, 46С – обратка; Температурный график 95/70 ºС, наружный диаметр трубы 108мм, работа в год 5208 часов.
По нормативу для температурного графика 95/70 ºС среднегодовые температуры подачи и обратки равны 65 и 50 ºС соответственно. По Таблице норма потерь для подачи и обратки суммарно будет равна qнорм. = 24+16 = 40 ккал/м*ч. Поправочный коэффициент К на реальные условия функционирования будет равен: (57+46)/(65+50) = 0,8957
Норма потерь = qнорм. * К = 40*0,8957 = 35,828 ккал/м*ч;

НОРМЫ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ
(плотности теплового потока)
водяными теплопроводами, спроектированными в период с 1990 по1998 г. Таблица 2.2
Нормы плотности теплового потока через изолированную поверхность трубопроводов при двухтрубной подземной бесканальной прокладке водяных тепловых сетей,
Вт/м [ккал/(м•ч)]
Пример. 57С – подача, 46С – обратка; Температурный график 95/70 ºС, наружный диаметр трубы 108мм, работа в год 5208 часов.
По нормативу для температурного графика 95/70 ºС среднегодовые температуры подачи и обратки равны 65 и 50 ºС соответственно. По Таблице норма потерь для подачи и обратки суммарно будет равна qнорм. = 42 + 33 = 75 ккал/м*ч. Поправочный коэффициент К на реальные условия функционирования будет равен: (57+46)/(65+50) = 0,8957
Норма потерь = qнорм. * К = 75*0,8957 = 67,1775 ккал/м*ч;

НОРМЫ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ
(плотности теплового потока)
водяными теплопроводами, спроектированными в период с 1990 по1998 г. Таблица 2.3
Нормы плотности теплового потока через изолированную поверхность трубопроводов
при расположении на открытом воздухе,
Вт/м [ккал/(м•ч)]
Пример. 57С – подача, 46С – обратка; работа в год 5300 часов, наружный диаметр трубы 273мм.
По Таблице интерполяцией находим нормы потерь по подаче и обратке:
Подача qнорм. = 44 + (76-44)*{(57-50)/(100-50)}=48,48 ккал/м*ч.
Обратка qнорм. = 44 + (76-44)*{(46-50)/(100-50)}=41,44ккал/м*ч.
Норма потерь находится сразу интерполяцией, никаких поправок не вводится, К=1.

НОРМЫ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ
(плотности теплового потока)
водяными теплопроводами, спроектированными в период с 1998 по 2003 г. Таблица 3.1
Нормы плотности теплового потока через поверхность изоляции трубопроводов двухтрубных водяных тепловых сетей при прокладке в непроходных каналах и подземной бесканальной прокладке,
Вт/м [ккал/(м•ч)]
Пример. 57С – подача, 46С – обратка; Температурный график 95/70 ºС, наружный диаметр трубы 108мм, работа в год 5208 часов.По нормативу для температурного графика 95/70 ºС среднегодовые температуры подачи и обратки равны 65 и 50 ºС соответственно. По Таблице норма потерь для подачи и обратки суммарно будет равна qнорм. = 21 + 14 = 35 ккал/м*ч. Поправочный коэффициент К на реальные условия функционирования будет равен: (57+46)/(65+50) = 0,8957
Норма потерь = qнорм. * К = 35*0,8957 = 31,3495 ккал/м*ч;

НОРМЫ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ
(плотности теплового потока)
водяными теплопроводами, спроектированными в период с 1998 по 2003 г. Таблица 3.2
Нормы плотности теплового потока через поверхность изоляции трубопроводов
на открытом воздухе,
Вт/м [ккал/(м•ч)]
Пример. 57С – подача, 46С – обратка; наружный диаметр трубы 108мм, работа в год 5208 часов.
По Таблице при среднегодовых температурах подачи и обратки 100 и 50 ˚С соответственно, норма потерь для подачи и обратки суммарно будет равна qнорм. = 16 + 30 = 46 ккал/м*ч. Поправочный коэффициент К на реальные условия функционирования будет равен: (57+46)/(100+50) = 0,6867
Норма потерь = qнорм. * К = 46*0,6867 = 31,5882 ккал/м*ч;

НОРМЫ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ
(плотности теплового потока)
водяными теплопроводами, спроектированными с 2004 г. Таблица 4.1
Нормы плотности теплового потока для трубопроводов двухтрубных водяных сетей при подземной бесканальной прокладке и продолжительности работы в год более 5000 ч
Пример. 57С – подача, 46С – обратка; Температурный график 95/70 ºС, наружный диаметр трубы 108мм, работа в год 5208 часов.
По нормативу для температурного графика 95/70 ºС среднегодовые температуры подачи и обратки равны 65 и 50 ºС соответственно. По Таблице норма потерь для подачи и обратки суммарно будет равна qнорм. = 42 ккал/м*ч. Поправочный коэффициент К на реальные условия функционирования будет равен: (57+46)/(65+50) = 0,8957
Норма потерь = qнорм. * К = 42*0,8957 = 37,6194 ккал/м*ч;

Таблица 4.2
Нормы плотности теплового потока для трубопроводов двухтрубных водяных сетей при подземной бесканальной прокладке и продолжительности работы в год 5000 ч и менее
Пример. 57С – подача, 46С – обратка; Температурный график 95/70 ºС, наружный диаметр трубы 108мм, работа в год 4000 часов.
По нормативу для температурного графика 95/70 ºС среднегодовые температуры подачи и обратки равны 65 и 50 ºС соответственно. По Таблице норма потерь для подачи и обратки суммарно будет равна qнорм. = 49 ккал/м*ч. Поправочный коэффициент К на реальные условия функционирования будет равен: (57+46)/(65+50) = 0,8957
Норма потерь = qнорм. * К = 49*0,8957 = 43,8893 ккал/м*ч;

Таблица 4.3
Нормы плотности теплового потока для трубопроводов двухтрубных водяных сетей при подземной канальной прокладке и продолжительности работы в год более 5000 ч
Пример. 57С – подача, 46С – обратка; Температурный график 95/70 ºС, наружный диаметр трубы 108мм, работа в год 5208 часов.
По нормативу для температурного графика 95/70 ºС среднегодовые температуры подачи и обратки равны 65 и 50 ºС соответственно. По Таблице норма потерь для подачи и обратки суммарно будет равна qнорм. = 29 ккал/м*ч. Поправочный коэффициент К на реальные условия функционирования будет равен: (57+46)/(65+50) = 0,8957
Норма потерь = qнорм. * К = 29*0,8957 = 25,9753 ккал/м*ч;

Таблица 4.4
Нормы плотности теплового потока для трубопроводов двухтрубных водяных сетей при подземной канальной прокладке и продолжительности работы в год 5000 ч и менее
Пример. 57С – подача, 46С – обратка; Температурный график 95/70 ºС, наружный диаметр трубы 108мм, работа в год 3500 часов.
По нормативу для температурного графика 95/70 ºС среднегодовые температуры подачи и обратки равны 65 и 50 ºС соответственно. По Таблице норма потерь для подачи и обратки суммарно будет равна qнорм. = 34 ккал/м*ч. Поправочный коэффициент К на реальные условия функционирования будет равен: (57+46)/(65+50) = 0,8957, Норма потерь = qнорм. * К = 34*0,8957 = 30,4538 ккал/м*ч;
Таблица 4.5

Нормы плотности теплового потока для трубопроводов при расположении на
открытом воздухе и числе часов работы более 5000
Пример. 57С – подача, 46С – обратка; работа в год 5300 часов, наружный диаметр трубы 273мм.
По Таблице интерполяцией находим нормы потерь по подаче и обратке:
Подача qнорм. = 28 + (49-28)*{(57-50)/(100-50)}=29,54 ккал/м*ч.
Обратка qнорм. = 28 + (49-28)*{(46-50)/(100-50)}=27,12 ккал/м*ч.
Норма потерь находится сразу интерполяцией, никаких поправок не вводится, К=1.

Таблица 4.6
Нормы плотности теплового потока для трубопроводов при расположении на
открытом воздухе и числе часов работы 5000 и менее
Пример. 57С – подача, 46С – обратка; работа в год 4500 часов, наружный диаметр трубы 273мм.
По Таблице интерполяцией находим нормы потерь по подаче и обратке:
Подача qнорм. = 34 + (58-34)*{(57-50)/(100-50)}=37,36 ккал/м*ч.
Обратка qнорм. = 34 + (58-34)*{(46-50)/(100-50)}=32,08 ккал/м*ч.
Норма потерь находится сразу интерполяцией, никаких поправок не вводится, К=1.

Выбор оптимального теплового режима работы теплопроводов и разработка эффективных теплоизоляционных конструкций проводится на основе теплового расчёта.

В задачу теплового расчета входит ре­шение следующих вопросов:

1) определение тепловых потерь тепло­провода;

2) расчет температурного поля вокруг теплопровода, т.е. определение температур изоляции, воздуха в канале, стен канала, грунта;

3) расчет падения температуры теплоно­сителя вдоль теплопровода;

4) выбор толщины тепловой изоляции теплопровода.

Для определения теплопотерь теплопроводов необходимо рассчитать общее сопротивление теплопередачи от стенки неизолированного трубопровода через слой теплоизоляции к наружному воздуху.

Рассмотрим тепловой расчёт теплопровода теплотрассы, проложенного в непроходном канале.

При наличии воздушной прослойки ме­жду изолированным трубопроводом и стен­кой канала термическое сопротивление теп­лопровода определяется как сумма после­довательно соединенных сопротивлений (рис. 9.2):

R = Rи + Rн + Rп.к + Rк + Rгр,             (9.4)

где  Rи, Rн, Rп.к, Rк, Rгр  – сопротивление со­ответственно слоя изоляции, наружной по­верхности изоляции, внутренней поверхно­сти канала, стенок канала, грунта.

Величины термических сопротивлений определяют в соответствии с основными положениями курса «Тепломасообмен».

Задача теплового расчета многотрубно­го теплопровода в канале сводится в первую очередь к нахождению температуры возду­ха в канале. Зная температуру воздуха в ка­нале, можно определить теплопотерю каж­дого трубопровода по общим правилам теп­лового расчета трубопроводов, окружен­ных воздухом.

Температура воздуха в канале определя­ется по уравнению теплового баланса. При установившемся тепловом состоянии коли­чество теплоты, подводимой от трубопро­водов к воздушной прослойке канала, равно количеству теплоты, отводимой от воздуш­ной прослойки через стенки канала и массив грунта в окружающую среду.

В результате решения уравнения теплового баланса получаем выражение для температуры воздуха в канале:

;    ( 9.5)

здесь и — температуры теплоносителя в подающей и обратной магистралях; — температура грунта.

Удельные тепловые потери, Вт/м, изолированного трубопровода равны:

,                                  (9.6)

где  — коэффициент, учитывающий потери тепла изолированных опор, фланцевых соединений и арматуры.

Рассчитанные по уравнению (9.6) величины теплопотерь сравнивают с нормативными теплопотерями ( прил 8). Если расчетные теплопотери не превышают нормативные, значит, разработанная конструкция теплоизоляции является эффективной.

Снижение температуры теплоносителя вдоль теплопровода определяют из уравнения теплового баланса:

,                                      (9.7)

где  — расход теплоносителя, кг/с; — теплоемкость теплоносителя, ; и — температуры теплоносителя в начале и конце участка, ; — длина трассы, м; — удельные линейные тепловые потери, Вт/м.

Из уравнения (9.7) находим:

.                                      (9.8)

Задание 7. Рассчитать теплопотери двух теплопроводов, проложенных в непроходном канале.

Заданы: диаметры трубопроводов , толщины изоляции  и ,  температуры теплоносителей  и . Внутренние размеры канала: ширина  Н,  высота h, толщина стенок b, основания и перекрытия . Глубина заложения оси трубопроводов ; коэффициент теплоотдачи внутри канала ; коэффициенты теплопроводности: изоляции ;  грунта ; стенок канала ; температура грунта на оси канала ; .

Исходные данные для теплового расчета теплопроводов приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1.

Численные данные к заданию 7

Последняя  цифра шифра	Диаметр тепло-провода	Толщина изоляции, мм		Габариты канала, мм		Предпоследняя цифра шифра	Температура теплоноси-теля,		Заглубление оси тепло-прово-дов , м
1	57 3	80	40	600	450	1	150	70	1,2
2	76 3	80	40	600	450	2	125	70	1,4
3	89 3	90	50	600	450	3	135	70	1,6
4	108 4	90	50	900	450	4	140	70	2,0
5	133 4	100	60	900	450	5	145	70	1,8
6	159 4,5	100	60	900	450	6	130	70	1,3
7	194 5,0	100	60	1200	600	7	135	70	1,5
8	219 6	100	60	1200	600	8	140	70	1,7
9	273 7	100	60	1200	600	9	125	70	1,9
0	325 8	100	60	1500	900	0	130	70	1,4

Пример решения задания 7

Исходные данные. Заданы:    2  изолированных     теплопровода

проложенные в непроходном канале (рис. 9.3).

100 мм; 60 мм; ; ; 700 ; ; ; ; .

Определить:   и .

Рис. 9.3. Схема двухтрубного теплопровода в канале

Порядок расчета

I. Подающий теплопровод

1. Определяем термические сопротивления:

— изоляции

;

— теплоотдачи от поверхности изоляции к воздуху канала:

;

— теплоотдачи от воздуха канала к его стенке:

,

где внутренний эквивалентный диаметр канала равен:

— стенок канала:

где наружный эквивалентный диаметр канала:

— грунта:

,

где эквивалентный диаметр грунта

(здесь коэффициент теплоотдачи от грунта к наружному воздуху).

II. Обратный теплопровод

1. Определяем термические сопротивления:

;

.

III. Находим термические сопротивления теплоотдачи:

— подающего трубопровода

— обратного трубопровода

-канала

IV. Определяем температуру воздуха в канале по формуле (9.5):

.

V. Находим теплопотери трубопроводов по формуле (9.6):

— подающего:

— обратного:

Контрольные вопросы:

1.  Охарактеризуйте основные задачи теплового расчета теплопроводов.

2.  Приведите зависимость термического сопротивления от наружного диаметра теплоизоляционной оболочки теплопровода.

3.  Изложите методику расчета температуры воздуха в непроходном канале теплотрассы с двумя теплопроводами.

4.  В чем состоит метод расчета теплопотерь двухтрубного теплопровода, проложенного в непроходном канале?

10. ПАРОВЫЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Как и водяные паровые системы теплоснабжения бывают однотруб­ными, двухтрубными и многотрубными (рис.10.1).

Наибольшее распространение получили двухтрубные паровые системы с возвратом конденсата к источнику тепла (рис.10.1,б). Конденсат от отдельных местных систем теплопотребления собирается в общий бак, расположенный в тепловом пункте, а затем насосом пе­рекачивается к источнику тепла. Конденсат пара является ценным про­дуктом: он не содержит солей жесткости и растворенных агрессивных газов и позволяет сохранить до 15 % содержащегося в паре тепла. Приготовление новых порций питательной воды для паровых котлов обычно требует значительных затрат, превышающих затраты на воз­врат конденсата. Запрос о целесообразности возврата конденсата к источнику тепла решается в каждом, конкретном случае на основании технико-экономических расчетов.

Многотрубные паровые системы (рис.10.1,в) применяются на про­мышленных площадках при получении пара от ТЭЦ и в случае, если технология производства требует пара разных давлений. Затраты на сооружение отдельных паропроводов для пара разных давлений ока­зываются меньше, чем стоимость перерасхода топлива на ТЭЦ при от­пуске пара только одного, наиболее высокого давления и последующе­го редуцирования его у абонентов, нуждающихся в паре более низкого давления. Возврат конденсата в трехтрубных системах производится по одному общему конденсатопроводу.

На крупных промышленных узлах, объединяющих несколько пред­приятий, сооружаются комплексные водяные и паровые системы с по­дачей пара на технологию и воды на нужды отопления и вентиляции.

На абонентских вводах систем кроме устройств, обеспечивающих передачу тепла в местные системы теплопотребления, большое значе­ние имеет также система сбора конденсата и возврата его к источнику тепла.

Поступающий на абонентский ввод пар обычно попадает в распре­делительную гребенку, откуда непосредственно или через редукцион­ный клапан (автомат давления «после себя») направляется к теплоиспользующим аппаратам.

Схемы сбора конденсата бывают открытыми и закрытыми. Наибо­лее простая открытая схема сбора конденсата представлена на рис.10.2. По этой схеме конденсат от теплоиспользующего аппарата 2 проходит конденсатоотводчик 3, т. е. прибор, пропускающий жид­кость и не пропускающий пара, и попадает в бак сбора конденсата 4, который через особую трубу 1 сообщается с атмосферой. Из бака конденсат насосом 5 перекачивается к источнику тепла или в случае однотрубной системы направляется на использование потребителем.

Недостатками открытой схемы сбора конденсата являются:

а) опасность поглощения конденсатом кислорода воздуха, что вы­зывает коррозию конденсатопроводов;

б) потери в атмосферу пара вторичного вскипания и уходящего с паром тепла.

Рис. 10.2. Открытая схема сбора конденсата

1— паропровод; 2 — теплоиспользующнй аппарат, 3 — кон­денсатоотводчик; 4 — бак сбора конденсата; 5 — насос;                6 — обратный клапан; 7 — атмосферная труба

Наибольшее распространение на практике имеют закрытые схемы сбора конденсата (рис. 10.3).

Конденсат от теплоиспользующего аппарата 2, пройдя конденсатоотводчик 3, попадает в закрытый бак сбора конденсата 5, в котором поддерживается избыточное (по отношению к атмосфере) давление.

При попадании в этот бак высокотемпературного конденсата с t>104°С конден­сат вскипает и образует вторичный пар, который может быть исполь­зован для разных целей, в том числе и для приготовления воды систем горячего водоснабжения. Установленный на подводке к пароводяному теплообменнику автомат давления «до себя» 11 не позволяет давлению в баке становиться меньше заданной величины. Конденсат, из тепло­обменника через петлю вновь возвращается в бак. Для этого теплооб­менник необходимо располагать несколько выше бака.

Поступление конденсата в бак может изменяться в течение отопительного периода и в зависимости от режима работы паропотребляющего оборудования, а, следовательно, может изменяться и поступление вторичного пара в пароводяной теплообменник 13. В связи с этим для обеспечения по­догрева воды в заданном количестве к теплообменнику через регуля­тор температуры 12 подводится дополнительно пар от основного паро­провода. Удаляется конденсат из бака насосом. При быстром опорож­нении бака и образовании в нем вакуума он может быть раздавлен атмосферным давлением. Во избежание этого к баку через редуктор подводится пар от основного паропровода.

Рис. 10.3. Закрытая схема сбора конденсата

1 — паропровод; 2 — теплоиспользующий аппарат; 3 — конденсатоотводчик; 4 — конденсатопровод; 5 — бак сбора конденсата; 6 — водомерное стекло; 7— конденсатный насос; 8 — обратный клапан; 9, 11 — регуляторы давления «до себя»; 10 — трубопровод пара вторичного вскипания; 12 — регулятор температуры; 13 — пароводяной теплообменник; 14 — водопровод; 15 — горячая вода; 16 — гидравлический затвор

При закрытых схемах сбора конденсата последний не поглощает кислорода воздуха; отсутствуют также непроизводительные потери конденсата и содержащегося в нем тепла. Недостатком закрытых схем является их сложность, а также необходимость четкой увязки количества пара, выделяющегося в баке, с конденсационной способ­ностью пароводяного подогревателя и потреблением нагреваемой в нем воды.

Использованные источники

1. zen.yandex.ru/media/teplo/neobhodimye-dlia-rascheta-teplovyh-poter-normativnye-dokumenty-5a6053a97ddde8f64cba22ae
2. forum.abok.ru/index.php?showtopic=36978
3. studopedia.net/12_78654_raschet-teplopoter-truboprovodov-teplovoy-seti.html