WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Определение эффективности тонкопленочных теплоизоляционных покрытий применительно к системам теплоснабжения

На правах рукописи

ЛОГИНОВА Наталья Арамовна

Определение эффективности тонкопленочных теплоизоляционных покрытий применительно к системам теплоснабжения

Специальность: 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2010

Работа выполнена на кафедре Промышленных теплоэнергетических систем Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель: Официальные оппоненты: Ведущая организация: Доктор технических наук, профессор Рыженков Вячеслав Алексеевич Доктор технических наук, профессор Созинов Владимир Петрович Кандидат технических наук, доцент Китайцева Елена Халиловна ОАО «Московская объединенная энергетическая компания» Филиал №7 «Юго-Западный»

Защита диссертации состоится «16» декабря 2010 г. в 17:30 в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д.17.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан «___» ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 212.157.10 к.т.н., доцент Степанова Т.А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

В Российской Федерации энергосбережение является важнейшей задачей. Актуальность этой проблемы обусловлена в первую очередь весьма низкой среднегодовой температурой окружающей среды (– 5,5 С), значительной длительностью отопительного сезона (в целом ряде регионов РФ этот показатель превышает 200 дней, а в отдельных регионах отопление зданий и сооружений осуществляется постоянно), а также наличием большого числа морально и физически устаревшего оборудования. Масштабность этой проблемы для нашей страны характеризуется следующими показателями. Длина теплопроводов систем теплоснабжения страны составляет 260 тысяч км. Из них порядка 60 тысяч км находятся в аварийном состоянии. Потери тепла при транспортировке достигают 80 млн. т. у. т. в год при общем расходе на теплоснабжение 400 млн. т. у. т. в год. Ежегодные потери энергоресурсов в нашей стране сравнимы с годовым энергопотреблением промышленно развитых европейских государств.

В значительной мере сверхнормативные потери тепла обусловлены неудовлетворительным техническим состоянием теплоизоляционных конструкций трубопроводов и оборудования. Поэтому задача улучшения теплоизоляции трубопроводов и оборудования систем теплоснабжения является весьма актуальной.

В последнее время на отечественном рынке появились принципиально новые теплоизоляционные материалы, создаваемые с использованием полых микросфер и различного рода связующих. Однако на сегодняшний день теплофизические свойства этих материалов не изучены в полной мере. Опубликованные данные показывают весьма существенную разницу значений коэффициента теплопроводности одних и тех же материалов.

По действующим на сегодняшний день стандартам на территории РФ определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов, предназначенных для трубопроводов систем теплоснабжения, осуществляется тестированием плоских образцов в стационарном изотропном температурном поле при комнатных условиях, что не соответствует реальным эксплуатационным условиям и приводит к существенным ошибкам в оценке коэффициента теплопроводности.

Целью диссертационной работы является определение эффективности тонкопленочных теплоизоляционных покрытий применительно к теплоизоляционным конструкциям трубопроводов и оборудования систем теплоснабжения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

  • разработана методика определения термического сопротивления и коэффициента теплопроводности тонкопленочных теплоизоляционных покрытий (ТТП), сформированных на металлических поверхностях цилиндрической формы;
  • впервые определено влияние:
  • диаметра газонаполненных микросфер на коэффициент теплопроводности однослойного ТТП, сформированного на цилиндрической поверхности;
  • концентрации газонаполненных микросфер на коэффициент теплопроводности однослойного ТТП, сформированного на цилиндрической поверхности;
  • количества слоев покрытия на термическое сопротивление ТТП при использовании газонаполненных и вакуумированных микросфер оптимального диаметра и максимально возможной концентрации;
  • определена доля потерь тепловой энергии, обусловленная лучистой составляющей теплообмена, на трубной теплоизолированной поверхности с экранированным многослойным ТТП;

Достоверность. Достоверность полученных результатов определяется многократной повторяемостью экспериментальных данных, использованием высокоточных современных средств измерений, определением погрешности измерений, использованием современной системы программирования Matlab R2006а.

Практическая ценность работы:



  • созданный экспериментальный стенд позволяет в широком диапазоне режимных параметров эксплуатации трубопроводов систем теплоснабжения определять термическое сопротивление тонкопленочных многослойных теплоизоляционных покрытий;
  • показано, что применительно к системам теплоснабжения в структуре ТТП наиболее целесообразно использование вакуумированных микросфер;
  • на основании результатов исследований разработана структура экранированного многослойного ТТП для теплоизоляции трубопроводов и оборудования систем теплоснабжения, сопоставимого по эффективности с пенополиуретановой теплоизоляцией;
  • разработан алгоритм определения эффективности использования ТТП для теплоизоляции трубопроводов и оборудования в системах теплоснабжения.

Апробация работы. Результаты работы представлены на Всероссийской научно-практическую конференции "Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем" ЭНЕРГО-2010 (г. Москва, 2010 г), на XIV, XV-ой Международных научно-технических конференциях ГОУВПО МЭИ (ТУ) (г. Москва, 2008, 2009 гг.); на Четвертой всероссийской Школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Энергосбережение - теория и практика" (г. Москва, 2008 г.); на заседаниях НТС кафедры «Промышленных теплоэнергетических систем» и научного центра "Повышение износостойкости энергетического оборудования электростанций" МЭИ (ТУ).

Публикации. Результаты исследований и разработок, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения, представлены в 7 публикациях, в том числе в 4 статьях, опубликованных в реферируемых журналах из перечня ВАК.

Автор защищает:

  • методику определения термического сопротивления и коэффициента теплопроводности тонкопленочных теплоизоляционных покрытий, сформированных на металлических поверхностях цилиндрической формы;
  • конструкцию экспериментального стенда, позволяющего в широком диапазоне режимных параметров эксплуатации трубопроводов систем теплоснабжения, исследовать ТТП;
  • результаты экспериментальных исследований по определению влияния:
  • диаметра газонаполненных микросфер на коэффициент теплопроводности однослойного тонкопленочного теплоизоляционного покрытия, сформированного на цилиндрической поверхности;
  • концентрации газонаполненных микросфер на коэффициент теплопроводности однослойного тонкопленочного теплоизоляционного покрытия, сформированного на цилиндрической поверхности;
  • количества слоев покрытия на термическое сопротивление ТТП при использовании газонаполненных и вакуумированных микросфер оптимального диаметра и максимально возможной концентрации;
  • результаты экспериментальных исследований по определению доли потерь тепловой энергии, обусловленной лучистой составляющей теплообмена, на трубной теплоизолированной поверхности с экранированным многослойным ТТП;
  • результаты экспериментальных исследований, показывающие эффективность использования вакуумированных микросфер в ТТП применительно к системам теплоснабжения;
  • структуру экранированного многослойного ТТП для теплоизоляции трубопроводов и оборудования систем теплоснабжения, сопоставимого по эффективности с пенополиуретановой теплоизоляцией;
  • алгоритм определения эффективности использования ТТП для теплоизоляции трубопроводов и оборудования в системах теплоснабжения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка использованной литературы. Работа содержит 133 страницы основного машинописного текста, 47 рисунков, 14 таблиц, библиография содержит 63 наименования.

Содержание работы

Во введении показана актуальность темы диссертации. Поставлена цель, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы. Отражены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ состояния тепловых потерь в процессе производства, транспортировки и потребления тепловой энергии. Выявлено, что в значительной степени высокие сверхнормативные потери тепловой энергии определяются невысокой эффективностью используемой теплоизоляции оборудования систем теплоснабжения или полным ее отсутствием.

Проведен анализ возможных способов прокладки трубопроводов тепловых сетей систем теплоснабжения и используемых традиционных и новых теплоизоляционных материалов в теплоизоляционных конструкциях. Результаты анализа показали, что в последнее время на отечественном рынке появились принципиально новые тонкопленочные теплоизоляционные покрытия (ТТП), создаваемые с использованием микросфер и различного рода связующих, обладающие свойствами лакокрасочных покрытий с теплоизоляционным эффектом.

Однако не удалось обнаружить публикаций, в которых было бы описано влияние свойств и структуры ТТП на его теплофизические свойства. Это обстоятельство позволяет сделать выводы, что на сегодняшний день теплофизические свойства этих материалов не изучены в полной мере.

Представлены результаты анализа свойств теплоизоляционных материалов, используемых в теплоизоляционных конструкциях трубопроводов систем теплоснабжения.





Выявлено, что немногочисленные и несистематизированные опубликованные данные и результаты исследований показывают весьма существенную разницу в оценке значений коэффициента теплопроводности одних и тех же материалов. Так, например, значение коэффициента теплопроводности пенополиуретановой теплоизоляции, находится в диапазоне 0,030 - 0,050 Вт/(м·К), в технических условиях и инструкциях по применению ТТП значение коэффициента теплопроводности колеблется в интервале от 0,001 до 0,450 Вт/(м·К).

Обусловлено это тем, что отсутствуют универсальные методики определения эффективности различных теплоизоляционных покрытий, в частности, применительно к трубопроводам систем теплоснабжения, которые позволили бы корректно сравнить различные типы теплоизоляционных покрытий, в том числе и тонкопленочных, применительно к реальным условиям эксплуатации.

Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов, предназначенных для изоляции трубопроводов систем теплоснабжения, осуществляется посредством создания стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец, направленного к лицевым (наибольшим) граням образца. Измеряются плотность теплового потока, температура противоположных лицевых граней и толщина образца. При этом стандартизированная методика ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме» требует соблюдения условия l/5, где - толщина слоя испытуемого теплоизоляционного материала, l – длина ребра лицевой грани, а в процессе испытаний разность температур лицевых граней образца должна составлять 10 – 30 К.

Коэффициент теплопроводности определяется формулой (1).


где Т1 – температура горячей лицевой грани испытуемого образца, К,

T2 – температура холодной лицевой грани испытуемого образца, К,

q – плотность стационарного теплового потока, Вт/м2.

Зависимость (1) получена на основе вывода уравнения теплопроводности применительно к стационарным условиям и базируется на законе Фурье:

(2),

где n – нормаль к изотермической поверхности, F – площадь поверхности, м2, через которую проходит тепловой поток Q, Вт, – коэффициент теплопроводности, Вт/м2.

Дифференциальное уравнение теплопроводности для одномерного температурного поля:

(3),

r – текущая координата, k = 1, 2, 3 – соответственно для пластины, цилиндра и шара.

Решением дифференциального уравнения (3) для неограниченной плоской стенки является зависимость (1).

Однако необходимо учитывать, что дифференциальное уравнение справедливо для тел, физические свойства которых не зависят от температуры, материал образца однородный и изотропный, тепловой поток направлен перпендикулярно к лицевой грани образца, а сам образец имеет неограниченные размеры (неограниченная плоская стенка).

На практике при использовании устройств для определения коэффициента теплопроводности на плоском образце без горячей охранной зоны на его боковых гранях, значительная часть теплового потока проходит через боковые грани образца, что приводит к существенным ошибкам в определении значения коэффициента теплопроводности.

Зависимость (1) справедлива, когда средняя температура испытуемого образца сопоставима с температурой окружающей среды. На практике температура теплоносителя теплопроводов водяных тепловых сетей составляет 500С – 1800С, а разность между температурой стенки трубопровода и температурой окружающей среды достигает 2000С. Вместе с тем известно, что в слое теплоизоляции на криволинейных поверхностях характер распределения температуры в слое изоляции не является линейным.

На основании проведенного анализа сформулированы основные задачи исследований.

Во второй главе описана методика определения коэффициента теплопроводности и термического сопротивления одно- и многослойного ТТП, предназначенного для трубопроводов систем теплоснабжения, с использованием образцов с цилиндрической поверхностью.

Разработанная методика базируется на минимизации неучитываемых потерь тепла и повышении точности измерения температуры при определении термического сопротивления и коэффициента теплопроводности тестируемого ТТП, а также на возможности определения влияния имеющего место в эксплуатационных условиях перепада температур на эти характеристики.

Использование образца цилиндрической формы для определения коэффициента теплопроводности позволяет создавать большой температурный перепад между средней температурой стенки образца и температурой окружающей среды. Известно, что увеличение этого температурного перепада приводит к повышению точности полученных результатов в оценке эффективной теплопроводности теплоизоляционных материалов и дает возможность смоделировать условия близкие к реальным эксплуатационным условиям трубопроводов систем теплоснабжения.

Потери тепла через боковые грани пластины без использования нагревателя охранной зоны гораздо значительнее, чем на образце цилиндрической формы, и достигают 20%. Поэтому использование образца цилиндрической формы для определения коэффициента теплопроводности тепловой изоляции трубопроводов систем теплоснабжения предпочтительнее, нежели использование плоского образца. Для цилиндрической стенки дифференциальное уравнение (3) записывается в следующем виде:

(4)

Двухкратным интегрированием (4) находится общее решение:

T= С1lnr+С2 (5)

Постоянные С1 и С2 находятся из граничных условий I рода:

; (6),

где r1, r2 – соответственно радиусы на наружной поверхности цилиндрического образца и на наружной поверхности теплоизоляционного слоя.

В результате получается

(7)

Используя закон Фурье, записывается выражение

(8)

Тогда коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала на образце цилиндрической формы определяется формулой (9).

Известно, что толщина теплоизоляционного покрытия и количество его слоев оказывает влияние на его термическое сопротивление. Термическое сопротивление численно равно отношению разности температур двух изотермических поверхностей к плотности теплового потока в какой-либо точке на одной из этих поверхностей и для однослойного ТТП, расположенного на цилиндрической стенки определяется по формуле (10).

(10),

Для n-слойного ТТП:

(11)

Для реализации методики разработан и создан экспериментальный стенд (рисунок 1), позволяющий определять теплопроводность ТТП на цилиндрической поверхности с соблюдением вышеупомянутых условий. Все необходимые измерения осуществлялись с использованием высокочувствительных измерительных средств: тепловизора, пирометра, высокоточного многоканального измерительно-вычислительного комплекса MIC-400М.

В состав экспериментального стенда входят: сменная горизонтально расположенная стальная бесшовная труба (исходный образец) с ТТП, термоэлектрические преобразователи, многоканальный измерительно-вычислительный комплекс MIC-400М, электронный регулятор температуры «Термодат 18Е2», датчик температуры окружающей среды, электрический нагреватель (ТЭН).

По торцам исходного образца установлены заглушки для обеспечения равномерного распределения температурного поля на поверхности исходного образца. На поверхности испытуемого образца с теплоизоляционным покрытием расположены термопары в четырех поперечных сечениях, по пять в каждом сечении. Термопары соединены с многоканальным измерительно-вычислительным комплексом MIC- 400 М.

 Принципиальная схема экспериментального стенда для определения-20

Рисунок 1 - Принципиальная схема экспериментального стенда для определения параметров тонкопленочных теплоизоляционных покрытий применительно к трубопроводам систем теплоснабжения

1 - исходный образец, 2 – ТТП, 3 - заглушка, 4 – электронагреватель (ТЭН), 5 - датчик тока, 6 – датчик напряжения, 7 - блок питания, 8 - электронный регулятор температуры трубы «Термодат 18Е2», 9 - термопары, 10 – измерительно-вычислительный комплекс MIC-400M, 11 – датчик температуры окружающей среды

С использованием экспериментального стенда проводилось тестирование образцов в исходном состоянии. Целью тестирования являлось определение распределения значений температуры на поверхности образцов в зависимости от плотности теплового потока, возникающего в результате прохождения количества теплоты, переданной электрическим нагревателем, через боковую поверхность цилиндрического образца.

С помощью программного регулятора «Термодат-18Е2» задавалась мощность электронагревателя в диапазоне от 90 Вт до 250 Вт. На дисплее прибора отображались значения текущей температуры внутри испытуемого образца. После фиксации прибором «Термодат-18Е2» установившегося температурного режима, используя тепловизор Land Cyclops Ti-814, дополнительно проверялась стационарность теплового режима на поверхности образца. Далее снимались показания термопар, установленных на поверхности образца в зоне равномерного температурного поля.

Многократно проведенные измерения при установившихся температурных режимах показали, что зависимость распределения значений температуры на поверхности образцов в исходном состоянии от плотности теплового потока имеет линейный характер, а значения температуры на металлических внутренней и наружной поверхностях образца одинаковы.

Основные элементы оборудования централизованных систем теплоснабжения контактирующих с сетевой водой, выполнены из обычных углеродистых и низколегированных сталей. Поэтому для проведения исследований по определению коэффициента теплопроводности ТТП были выбраны в качестве исходных образцы из Ст. 3.

С целью исключения влияния на теплопроводность поверхностей теплообмена продуктов коррозии, поверхность образцов в исходном состоянии подвергалась очистке от продуктов коррозии дробеструйным методом до степени Sa2,5. После очистки проводилось обеспыливание поверхности путем обдува сжатым воздухом с последующим обезжириванием трихлорэтиленом стабилизированным.

Формирование слоя ТТП осуществлялось путем нанесения покрытия безвоздушным способом на вращающийся и продольно перемещающийся исходный образец. Многослойное ТТП наносилось на исходный образец с послойной сушкой в течение 1 часа. Отверждение ТТП на исходных образцах осуществлялось путем термической обработки в сушильной камере.

Проведенные исследования по определению термического сопротивления и коэффициента теплопроводности ТТП, в ходе которых определялось распределение значений температур на поверхности ТТП показали достаточно хорошую повторяемость.

В третьей главе описаны исследования по определению влияния основных структурных характеристик (связующего вещества и микросфер) ТТП на его теплоизоляционные свойства.

Были проведены исследования по определению влияния связующего материала ТТП (без микросфер) на теплопроводность одно- и многослойного покрытия. Исследования проводились с использованием двухкомпонентного термостойкого покрытия ОС-51-03 «Теплосеть» и однокомпонентного термостойкого покрытии FEIDAL 1K-Ethylsilikat-Zinkstaub MG10. Распределение значений температур на поверхности покрытий с нулевой концентрацией микросфер одинаково и практически совпадает с распределением значений температур на поверхности образца в исходном состоянии.

Результаты проведенных исследований, свидетельствуют об отсутствии существенного влияния связующих материалов на теплопроводность теплоизолированных образцов при различных количествах слоев этих связующих материалов. Объясняется это обстоятельство наличием цинка и кремния в их составе, которые обладают высокой теплопроводностью, и, как следствие, низким термическим сопротивлением.

Исходя из того, что коэффициент теплопроводности в значительной степени зависит от структуры материала, преобладающее влияние на коэффициент теплопроводности ТТП оказывает собственно используемый для заполнения газ или степень вакуумирования полости микросфер.

На основании исследований были выявлены оптимальный размер микросфер и их концентрация в составе связующего вещества тонкопленочного теплоизоляционного покрытия. Зависимость, характеризующая влияние диаметра микросфер на распределение значений температуры на поверхности однослойного ТТП, приведена на рисунке 2. Влияние концентрации газонаполненных микросфер на распределение значений температуры на поверхности однослойного теплоизоляционного покрытия представлено на рисунке 3.

Очевидно, что наибольшие температурные перепады возникают на слое тонкопленочного теплоизоляционного покрытия с диаметром микросфер 70 мкм и их концентрацией в составе связующего вещества 85%. Концентрация микросфер в составе связующего вещества 85% - максимально возможная концентрация, при которой ТТП обладает необходимой объемной прочностью. Максимальным температурным перепадам соответствует и минимальное значение коэффициента теплопроводности.

Рисунок 2 – Влияние диаметра микросфер на распределение значений температуры на поверхности однослойного ТТП (концентрация газонаполненных микросфер С = 85%, толщина слоя b= 880 мкм) Рисунок 3 – Влияние концентрации микросфер на распределение значений температуры на поверхности однослойного теплоизоляционного покрытия (диаметр газонаполенных микросфер 70 мкм, толщина слоя b= 880 мкм)

В свою очередь теплопроводность теплоизолированных образцов весьма существенно изменяется при наличии в связующем материале газонаполненных или вакуумированных микросфер. Результаты исследований по определению влияния микросфер, заполненных газовой фазой (азот и углекислый газ), а также вакуумированных микросфер представлены на рисунке 4.

 Распределение значений температур на поверхности образцов с ТТП-23 Рисунок 4 – Распределение значений температур на поверхности образцов с ТТП при использовании газонаполненных и вакуумированных микросфер (диаметр газонаполенных микросфер 70 мкм, концентрация микросфер С = 85%) Рисунок 5 - Значения коэффициента теплопроводности однослойного ТТП в зависимости от значений температуры на наружной поверхности исходного образца

Значения коэффициентов теплопроводности однослойного ТТП, рассчитанные по формуле 9 и составляющие при температуре 600С 0,028 Вт/м·К для покрытия с вакуумированными микросферами и 0,140 Вт/м·К для покрытий с газонаполненными микросферами, предполагает более высокую эффективность ТТП при использовании вакуумированных микросфер (рисунок 5).

Известно, что послойные покрытия обладают большей прочностью и жесткостью. С другой стороны толщина покрытия и количество его слоев оказывает влияние на его термическое сопротивление. Результаты проведенных исследований влияния количества слоев на термическое сопротивление ТТП представлены на рисунке 6. Наилучшими теплоизолирующими свойствами обладает трехслойное ТТП с вакуумированными микросферами, имеющее значительно более высокое термическое сопротивление равное 0,09 (м2·К)/Вт. Формирование бльшего количества слоев с суммарной толщиной более 2400 мкм сопряжено со снижением объемной прочности покрытия. Поэтому для обеспечения необходимой прочности ТТП необходимо осуществлять армирование структуры.

Для определения доли потерь энергии, обусловленной лучистой составляющей теплообмена на трубной поверхности, были проведены исследования на образцах, теплоизолированных многослойным ТТП и экранированных алюминиевой технической фольгой. Результаты исследований по определению доли потерь энергии с лучистой составляющей теплообмена показали, что для поддержания одинаковой температуры внутри образца с экранированным многослойным ТТП требуется подвести примерно на 30% меньше количества энергии, чем для аналогичного образца без экранирования.

Рисунок 6 – Влияние температуры на внутренней поверхности образца на термическое сопротивление ТТП при различном количестве слоев Рисунок 7 – Теплоизоляционная конструкция трубопроводов систем теплоснабжения на основе использования многослойных ТТП 1 – трубопровод; 2 – ТТП; 3 – армирующая стеклотканная сетка; 4 – металлическая фольга

Результаты проведенных исследований и выявленные оптимальные с точки зрения термодинамической эффективности параметры позволили структурировать экранированные многослойные ТТП, обеспечивающие нормированную плотность теплового потока с теплоизолированной поверхности трубопроводов и оборудования систем теплоснабжения. Вариант теплоизоляционной конструкции трубопровода систем теплоснабжения представлен на рисунке 7 и включает в себя первый слой - ТТП, содержащий вакуумированные микросферы диаметром 70 мкм и концентрацией – 85%, с суммарной толщиной слоев 2400 мкм ; 2 слой - армирующая стеклотканная сетка; 3 слой – ТТП, идентичное слою 1; 4 слой - армирующая стеклотканная сетка; 5 слой – ТТП, идентичное слою 1; 6 слой – металлическая фольга.

В четвертой главе проведена оценка технико-экономической эффективности использования теплоизоляционных конструкций на основе использования многослойных ТТП.

Технико-экономическая оценка эффективности использования теплоизоляционных конструкций на основе использования многослойных ТТП проведена с учетом нормированной плотности теплового потока через теплоизолированную поверхность трубопровода. Расчеты выполнены для трубопроводов систем теплоснабжения, проложенных в канале и на открытом воздухе применительно к условиям города Москвы, температурный график регулирования 150/70°С, температура окружающей среды принималась равной средней температуре самого холодного месяца – 9,40С. В качестве альтернативных вариантов рассмотрены теплоизоляционные конструкции с минеральной ватой и пенополиуретаном.

Толщина теплоизоляционного слоя к определялась формулой (12):

(12),

где d – наружный диаметр трубопровода, м;

Параметр В определяется зависимостью (13):

(13),

где теплопроводность теплоизоляционного слоя, Вт/(м ·К);

сопротивление теплопередачи на 1 м длины теплоизоляционной конструкции цилиндрических объектов, (м·К)/Вт;

термическое сопротивление стенки трубопровода, (м·К)/Вт;

коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции, Вт/(м2·К);

(14),

где температура теплоносителя, К;

температура окружающей среды, К;

нормированная линейная плотность теплового потока с 1 м длины цилиндрической теплоизоляционной конструкции, принимаемая по обязательным приложениям [6], Вт/м.

(15),

теплопроводность материала стенки трубопровода, Вт/ (м ·°С);

dint – внутренний диаметр материала стенки трубопровода, м.

Капиталоволожения К учитывают все затраты, связанные с обустройством теплоизоляционной конструкции: стоимость материалов и комплектующих Екм, затраты, связанные с доставкой материалов Етрансп., расходы на монтаж и наладку Емонтаж. Было принято допущение, что эксплуатационные затраты одинаковы для всех видов теплоизоляционных покрытий.

Объем теплоизоляционного материала в теплоизоляционной конструкции Ои м3, приходящийся на 1 м длины трубопроводов или оборудования цилиндрической формы, рассчитывался по формуле:

Ои = · (d + к) · к (16)

К=(екм+ етрансп.+ емонтаж)· Ои ·l (17),

где екм, етрансп., емонтаж – удельные затраты, приходящиеся на 1м3 тепловой изоляции, связанные с приобретением материалов и комплектующих, их доставку, монтаж и наладку, руб/м3;

к - толщина теплоизоляционного слоя, м; l – длина трубопровода, м.

Экономия на издержках, связанных со сверхнормативными потерями тепловой энергии в теплоизоляционных конструкциях Э, руб., оценивалась как произведение количества сбереженной тепловой энергии Q, Гкал, и стоимости тепловой энергии Т, руб/Гкал. Стоимость тепловой энергии рассчитывалась, исходя из действующего тарифа на тепловую энергию в 2010 году для города Москвы - 930 руб/Гкал.

Э=Q·Т (18)

Количество сбереженной тепловой энергии оценивалось, как разница потерь тепла на поверхности трубопровода с многослойным ТТП (для альтернативных вариантов на поверхности трубопровода с пенополиуретаном и с минеральной ваттой в сухом состоянии) и на поверхности трубопровода с увлажненной минеральной ватой при объемной влажности 20%.

Оценка экономической эффективности использования ТТП в теплоизоляционных конструкциях трубопроводов тепловых сетей проведена в соответствии с методикой Р НП «АВОК» 5-2006 «Рекомендации по оценке экономической эффективности инвестиционного проекта теплоснабжения» и основывалась на определении показателей с учетом фактора времени: чистого дисконтированного дохода (ЧДД), срока окупаемости (Ток.), индекса доходности (ИД).

(19),

где Е – ставка дисконтирования, определяемая в соответствии с Методическими рекомендациями по подготовки ТЭО участия города Москвы в хозяйственных обществах и приобретения имущества в государственную собственность города Москвы (утверждёно Правительством Москвы 03.07.2007) и составляет 10,5 %.

Тр – срок эксплуатации теплоизоляционной конструкции трубопровода системы теплоснабжения (t лет),

Индекс доходности ИД:

, (20)

Кt – капитальные вложения в год t.

Эксплуатация теплоизоляционного покрытия эффективна, если ИД > 1 и ЧДД > 0.

Рисунок 8 – Изменение значений чистого дисконтированного дохода при эксплуатации теплоизолированных трубопроводов с использованием ТТП в сравнении с минватой и ППУ

На рисунке 8 представлены результаты расчета чистого дисконтированного дохода, выполненного для теплоизоляционных конструкций, эксплуатирующихся в идеализированных условиях, не подвергающихся агрессивному воздействию окружающей среды. Расчет выполнен на срок двадцать лет и соответствует расчетному периоду эксплуатации теплоизоляционных конструкций трубопроводов систем теплоснабжения. Результаты технико-экономической оценки показали, что срок окупаемости теплоизоляционных конструкций на основе использования многослойных ТТП меньше, чем для теплоизоляционных конструкций с пенополиуретаном (рисунок 8), а ЧДД превышает аналогичный показатель, рассчитанный для пенополиуретана и равен 4 млн. рублей.

Однако необходимо учитывать, что в реальных условиях эксплуатации по истечении десятилетнего периода теплоизоляционные конструкции на основе ТТП, как аналога лакокрасочного покрытия, требуют капитального ремонта, теплоизоляционные конструкции с использованием подверженной увлажнению минеральной ваты исчерпывают свой ресурс на 7-8 год эксплуатации, теплоизоляционные конструкции с использованием пенополиуретана зачастую изнашиваются на 3-4 год эксплуатации.

Полный спектр проведенных исследований включает в себя: анализ состава и структуры ТТП, результаты экспериментальные исследований, которые позволяют структурировать многослойное ТТП, способ формирования теплоизоляции на трубной поверхности, технико-экономическое сопоставление теплоизоляционных конструкций на основе использования ТТП с применяемыми аналогами. На базе проведенных исследований предложен алгоритм, позволяющий определять эффективность различного рода ТТП применительно к системам теплоснабжения (рисунок 9).

Рисунок 9 - Алгоритм определения эффективности использования ТТП в теплоизоляционных конструкциях применительно к системам теплоснабжения

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

  • Разработанная методика и созданный экспериментальный стенд позволяют более точно определять термическое сопротивление и коэффициент теплопроводности сформированных на трубных поверхностях многослойных ТТП в диапазоне температур, характерных для эксплуатации систем теплоснабжения.
  • На основе результатов экспериментальных исследований показано, что наибольшая эффективность ТТП достигается при оптимальном диаметре микросфер и максимально возможной их концентрации. Применительно к ТТП с газонаполненными микросферами наиболее целесообразно использование микросфер диаметром, находящемся в диапазоне от 50 до 100 мкм при их концентрации в объеме ТТП 85%.
  • Экспериментально подтверждено, что фольгирование ТТП позволяет снизить долю потерь энергии с лучистой составляющей теплообмена на 27 – 35 % в зависимости от значений температуры на поверхности ТТП.
  • Показано, что применительно к теплоизоляции трубопроводов систем теплоснабжения использование ТТП возможно только в многослойном исполнении с использованием вакуумированных микросфер и связующих веществ, соответствующих требованиям условий эксплуатации.
  • Разработанные на основании результатов исследований экранированные многослойные ТТП применительно к теплоизоляции трубопроводов и оборудования систем теплоснабжения сопоставимы по своей термодинамической эффективности с пенополиуретановой теплоизоляцией.
  • Разработанный на основании исследований и технико-экономических расчетов алгоритм позволяет определять эффективность применения различного рода тонкопленочных теплоизоляционных покрытий в системах теплоснабжения.

Основные публикации по теме диссертации

  1. Рыженков В.А., Прищепов А.Ф., Логинова Н.А. О повышении эффективности систем теплоснабжения на основе улучшения теплоизоляции трубопроводов и оборудования// Труды XIV-ой Международной научно-технической конференции ГОУВПО МЭИ (ТУ) г. Москва, 2008, с. 400-402
  2. Рыженков В.А., Логинова Н.А., Прищепов А.Ф., Парыгин А.Г. Методика расчетной оценки эффективности теплоизоляционных конструкций теплопроводов// Труды XV-ой Международной научно-технической конференции ГОУВПО МЭИ (ТУ) г. Москва, 2009, с.454-455
  3. Логинова Н.А., Прищепов А.Ф. О проблемах выбора оптимального теплоизоляционного покрытия трубопроводов систем теплоснабжения// Труды IV-ой Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов "Энергосбережение - теория и практика" г. Москва, 2008 г., с.78-81
  4. Рыженков В.А., Парыгин А.Г., Прищепов А.Ф., Логинова Н.А. О повышении эффективности теплоизоляции трубопроводов и оборудования отечественных систем теплоснабжения//Энергосбережение и водоподготовка.-2009.-№6- с. 48-49
  5. Рыженков В.А., Прищепов А.Ф., Логинова Н.А., Кондратьев А.П. Определение коэффициента теплопроводности тонкопленочных теплоизоляционных покрытий при различных диаметрах газонаполненных микросфер//Надежность и безопасность энергетики.-2010.-№2(9)- с.60-64
  6. Рыженков В.А., Прищепов А.Ф., Логинова Н.А., Кондратьева А.П. О влиянии структурированного тонкопленочного теплоизоляционного покрытия на термическое сопротивление теплопроводов// Энергосбережение и водоподготовка.-2010.-№5, с.58-59
  7. Рыженков В.А., Прищепов А.Ф., Логинова Н.А., Кондратьева А.П. Влияние характеристик микросфер и связующего вещества на теплопроводность тонкопленочных теплоизоляционных покрытий// Надежность и безопасность энергетики.-2010.-№3 (10) - с.28-30


 





<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.