Отраслевая конференция 
«Теплоснабжение-2019»
РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России
ИЗОПРОФЛЕКС-115А
КПД теплосети на примере трубопроводов в ППУ изоляции

КПД теплосети на примере трубопроводов в ППУ изоляции

Д.т.н. Ф.А. Поливода, с.н.с., ОАО «ЭНИН им. Г.М. Кржижановского», г. Москва

Методика расчета. Примеры

По определению [1] КПД теплосети соотносится как полезная мощность Qо, полученная потребителем, к мощности, отпущенной от источника Qи, кВт.

ηтс =Q0/Qи=(Qи-Ql)/Qи=1-Ql/Qи, (1) где QL - мощность тепловых потерь на тепловой сети, кВт.

Обозначим температуры теплоносителя подающей трубы как t1 и t1′, а обратной - t2 и t2′. Температуры t1 и t2 измеряются непосредственно на источнике теплоты, а t1′ и t2 у потребителя. Длину двухтрубной теплосети обозначим как l; температуру окружающей среды - как tос; расход теплоносителя (без учета утечек в сети) запишем как G. Вэтих обозначениях составляющие QL и Qи можно выразить через известные соотношения [2].

Отпущенная от источника теплота, кВт:

Qи=ср.G.(t1-t2). (2)

Тепловые потери на всей теплосети, кВт:

QL=qL.l.(1+β), (3)

где β=0,2 - нормативный коэффициент, учитывающий неизолированные участки сети, арматуру, и пр. [3]; qL- погонный поток тепловых потерь для изолированного трубопровода, Вт/м. Вдвухтруб-ной сети qL состоит из суммы потоков q1 и q2 для подающей и обратной трубы соответственно:

qL=q1+q2; (4)

q1 = (τ1-tос)/ΣR; q2=(τ2-tос)/ΣR, (5) где τ1 и τ2 - средние температуры подающего и обратного трубопровода теплосети, с учетом естественного остывания, ОС:

τ1 = (t1+t1′)/2;τ2=(t2+t2′)/2. (6)

Для однотрубной сети можно пользоваться выражением для q1.

Термическое сопротивление ΣR (м.ОС/Вт) состоит обычно из суммы элементарных составляющих:

ΣR = Rиз+R1 + R2+R3+...+Ri+...+Rn. U) где R1 - сопротивление трубы; R2 - пристеночное сопротивление внутреннего слоя воды; R3 -сопротивление окружающей среды или грунта и т.д. Все эти сопротивления обычно значительно меньше, чем сопротивление ППУ изоляции:

Rиз=(1/2πλиз).ln(D/d), (8)

где λиз=0,027-0,05 Вт/(м .ОС) - удельная теплопроводность пенополиуретана; D – наружный диаметр изолированной трубы, м; d - внутренний диаметр (ds$), м. Следовательно, можно приближенно положить ΣR = Rиз. Таким образом, для конкретного трубопровода ΣR является константой и зависит только от конструкции трубопровода.

Исходные уравнения (1-3) послужили фундаментальной основой для вывода базового уравнения КПД тепловой сети. Подставляем выражения для Qи и QL, а также qL в формулу КПД теплосети. Имеем:

riTc=1-[(Ti-tocH-(1W((ti-t2)-cp-G-2R)]. (9)

Данное выражение было получено при следующих допущениях:

1. постоянство средней температуры в трубе; на самом деле температура падает экспоненциально до отметки t1′;

2. не учитываются потери по обратному трубопроводу;

3. не учитывается сопротивление грунта, окружающего воздуха и др.

Поскольку ср, ΣR, l, β - константы, а среднечасовой расход G является медленно меняющейся функцией, то значение КПД теплосети можно записать в виде:

ηтс =1-[(τ1-tос)/(t1-t2)].(A/G)=1-A.∆t/G, (10) где А=l.(1+β)/(ср.ΣR) - константа, кг/с, зависящая только от свойств системы, или «системный фактор». Следовательно, скорость изменения значения КПДопределяется вариацией расхода жидкости G, т.к. длина l сети постоянна, а теплоемкость ср изменяется сравнительно слабо.

Величина ∆t=(τ1-tос)/(t1-t2) - «температурный фактор», он зависит только от свойств окружающей среды и температур воды в трубопроводах.

Или

ηтс=f(∆t/G), (11)

если выполняется условие A≈const.

Допущения 1 и 3 дают отрицательную погрешность в формуле для КПД,а допущение 2 -положительную; они взаимно компенсируют друг друга.

Таким образом КПДтеплосети является функцией установленного температурного графика сети, например 130/70 ОC, и расходов G по сети, т.е. зависит от режима теплопотребляю-щих абонентов.

Оценим характер изменения функции ηтс, в зависимости от поведения температур t1, t2 и tос. Заметим, что в расчетном режиме г^»0,9^ и остывание мало. Для начала устремим t 1→∞, и условимся, что A, G≈const. Такая задача имеет место в системах качественного регулирования: ηтс=lim{1-[((t1+0,9t1)/2-tос)/(t1-t2)].(A/G)}. (12)

t1→∞ t1→∞

Раскрывая неопределенность вида ∞/∞ по правилу Лопиталя, имеем:

ηтсmax=1-0,95A/G. (13)

Данная величина является верхней границей КПДтеплосети. Вобщем случае температуру t 1 теплоносителя у абонента можно получить, вычисляя ее по формуле (если температура t1′ у потребителя неизвестна):

t^toc+^-toJ-e-IO+W'AV^)]. (14)

На практике случай, когда t1→∞ невозможен, поскольку максимальное значение температуры прямой воды не более 150 ОС (t1≤1 50 ОС). Поэтому более правильным будет расчет максимального КПДтеплосети по формуле (10), исходя из наивысшей температуры воды в данной системе теплоснабжения.

На разных участках разветвленной сети значения длин участков li и расходов Gi по ним существенно различны. В этом случае уже А≠соnst. Если интересоваться зависимостью КПДна различных участках сети со своими расходами, то КПДнадо отображать в виде трехмерной функции:

ηтс=f(l, G, ∆t). (15)

Зафиксируем какое-либо значение температурного фактора ∆t, например, для г. Москвы при tос=-26 ОC (при расчетном режиме tос=tно -

прим. авт.) и графике теплосети 130/70 ОC, и при остывании теплоносителя в подающей трубе на 10 ОC, величина ∆t составит:

t=[(130+120)/2+26]/(130-70)=2,517. Тогда КПД участка теплосети длиной l можно записать в виде:

ηтс=1-2,517k.l/G, (16)

где k=(1+β)/(cp.ΣR) - константа изоляции; она определена конструкцией теплопровода и количеством неизолированных участков (учтено в b). В расчетном режиме при фиксированном значении температурного фактора ∆t=2,517, все значения КПД можно отобразить в виде двумерной поверхности ηтс=f(l, G) (рисунок). Асимптотами будут являться линии η=1 и нулевая отметка η=0. При увеличении длины участка l КПД линейно падает, а при увеличении расхода G зависимость типа гиперболы ηтс~1-1/G. Очевидно, что существует некоторая предельная длина участка 1 = lпр, при которой КПД теплосети стремится к нулю, т.к. ηтсmin=lim(1-t→∞∆t.k.l/G)→0, из условия неотрицательности КПД. Предельной длине I пр соответствует некоторый расход G. Однако, при увеличении расхода жидкости G→∞ КПД будет уже отличен от нуля, т.к. получаем неопределенность вида ∞/∞. Поэтому целесообразно задать максимальный предельный расход воды Gпр по трубопроводу, исходя из его пропускной способности.

Очевидно также, что и при G→0 КПД теплосети стремится к нулю. Существует фиксированная точка минимального расхода Gmin, в которой ηтс=0. При малой подаче воды по трубе она просто остывает, не успев дойти до потребителя.

Анализируя выражения (10) и (16) приходим к выводу, что КПДсети очень сильно зависит от метода регулирования, и не может полагаться константой, рекомендованной стандартом СНиП, например 0,92. На величину КПДсильное влияние оказывает температурный фактор и соотношение l/G.

Попробуем решить обратную задачу. По заданному уровню КПД, например ηтс=0,92 и пропускной способности Gпр (определяется из соображений гидравлических потерь на трубопроводе) найти максимальную длину участка теплосети lmax, если задан типоразмер трубы.

Имеем:

lmax=(1-ηтс).Gпр/(∆t.k). (17)

Допустим, для трубопровода Ду=250 мм, изолированного ППУ, задано предельное падение напора Ндоп=100 м. Пропускная способность трубопровода согласно эмпирической формуле Е.Я.Соколова [1]:

Gпр=8,62(rл.ρ)°,5.d2,625. (18)

Формула верна при относительной шероховатости трубы 0,5 мм.

Примем линейное падение давления на прямом участке rл=80 Па/м, что соответствует скорости воды в трубе v=1,3 м/с. Температурный режим полагаем известным из предыдущего примера. Параметры воды при средней температуре в подающей трубе 120 ОС равны: ρ=943 кг/м3, ср=4300 кДж/(кг .ОС). Получим пропускную способность:

Gпр=8,62.(80.943)0,5.0,252,625≈59кг/с.

Термическое сопротивление и константа изоляции k при ее толщине δ=0,07 м (70 мм) и λ=0,04 Вт/(м .ОС) равны:

Rиз=(1/2π0,04).ln[(0,25+2.0,02).0,25/d]=1,63 м.ОС/Вт; k=(1+0,2)/(4,3.103.1,63)=0,171.10–3кг/(м.ОС).

Максимальная длина трубопровода:

lmax=(1-0,92).59/(2,517.0,171.10–3)=10966м.

Заметим, что падение давления на трубопроводе не превышает заданной величины, т.к.:

∆р = rл.lmax=80.10966 = 877310 Па, или в единицах напора ∆Н<Ндоп (87,7 м < 100 м).

Если условие не выполняется, то необходимо уменьшить скорость воды в трубе до v<1 м/с (и соответственно линейные потери rл), и вновь произвести расчет.

Реальная длина трубопровода должна быть сокращена в 1,6-1,8 раза, т.к. здесь не учтены

местные сопротивления, возникающие вследствие поворотов, задвижек, арматуры и пр.

В межсезонье при методе количественно-качественного регулирования расход G в трубе существенно снижается. Уменьшается и температура в подающей трубе. Так, при 50% тепловой нагрузке Qо жилого района (при наружной температуре tос=-5 ОС) температуры в прямой и обратной трубе соответственно τ1 = 87 ОС, τ2=49 ОС [1]. Вспомним, что при t ос=-26 ОС изначально они были 130 и 70 ОС! Причем расход теплоносителя G уменьшится на 20%. В нашем примере: G=0,8.59=47,2 кг/с. Значение КПД, определенное непосредственно по формуле (9), составит:

ηтс=1-[(87-(-5))/(87-49)]× ×[10966.(1+0,2)/(4200.47,2.1,63)]=0,9, т.е. КПД сети уменьшилось на 2%; температурный фактор ∆t=2,421.

В конце отопительного периода, при температуре на улице tос=+8 ОС расход теплоносителя уменьшится почти в 5 раз, и составит G=0,2.59=11,8 кг/с. Температуры воды в трубах уменьшатся соответственно до значений τ1=51 ОС; τ2=30 ОС. КПД отопительной системы в конце сезона составит:

ηтс=1-[(51-8)/(51-30)]× ×[10966.(1+0,2)/(4190.1 1,8.1 ,63)]=0,67.

Таким образом КПД сети снизилось на 25%!

В комбинированных системах теплоснабжения имеет место «излом» температурного графика. Это объясняется необходимостью согласно СНиП 2.04.01-85 иметь температуру горячей воды в местах водоразбора +60 ОС при открытой и +50 ОС при закрытой системах теплоснабжения. Иными словами, происходит «перетоп» жилых помещений. Температуру τ1 в подающем трубопроводе весь период этого времени поддерживают равной τ1 = 65 ОС. Температура в обратной трубе τ2=45 ОС. При этом температурный фактор ∆t возрастает до значения:

t=(65-8)/(65-45) = 2,85. КПД комбинированной системы уменьшается: η=1-2,85.10966.(1+0,2)/(4190.1 1,8.1,63)= =1-0,465=0,535.

Следовательно, совмещение горячего водоснабжения и отопления в одной системе обладает очень малым КПД, которое может опускаться почти до 50%.

Выводы

1. Получено базовое уравнение для расчета КПД теплосети. Оно может послужить основой

для инженерных расчетов эффективности конкретной сети.

2. Показано, что величина КПД сильно меняется. В течение отопительного сезона КПД снижается на 40-50% (к концу сезона) по сравнению с расчетным периодом. Даны примеры.

3. Установлено, что изменение КПД зависит от метода регулирования и характера теплопотребляющих абонентов. При недостаточной тепловой нагрузке КПДможет значительно снижаться, что ведет к перерасходу топлива на источнике.

Литература

1. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. - М.: Издательский дом МЭИ, 2000. - 472 с.

2. Теплоэнергетика и теплотехника. Общие вопросы. Справочник / Под ред. А. В. Клименко и В.М. Зорина. -М.: МЭИ, 1999.

3. Стерман Л.С., Лавыгин В.М., Тишин С.Г. Тепловые и атомные электростанции. - М.: Энергоатомиздат, 1995.

Ф.А. Поливода, КПД теплосети на примере трубопроводов в ППУ изоляции

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения" №11 (99), 2008 г., www.ntsn.ru

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Похожие статьи:

Программы Auditor

Отраслевая конференция «Теплоснабжение-2019»

Москва, 22-24 октября 2019 г.
Примите участие!

Подробнее