КОНТАКТНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ТЕПЛОПРОВОДОВ ДВУХТРУБНОЙ ТЕПЛОВОЙ СЕТИ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Распределительные (например, тепловые) сети (магистральные, районные, внутридомовые и другие).
Уровень техники.
Аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является традиционная двухтрубная тепловая сеть с жидким теплоносителем (вода, растворы солей, этиленгликоля и другие). Тепловая сеть предназначена для транспортировки теплоносителя от источника тепловой энергии к потребителю. Подробное описание аналога предлагаемой полезной модели представлено в [1].
Раскрытие полезной модели.
Контактная конструкция теплопроводов двухтрубной тепловой сети представляет собой два трубопровода, прямой и обратный, совмещенных в один. Сечение каждого канала контактного теплопровода представляет собой полукруг, эквивалентный по площади поперечному сечению прямого или обратного стандартного стального (полимерного, медного или выполненного из иного материала) трубопровода, причем оба канала контактных трубопроводов соединены их плоскими стенками. Для уменьшения теплообмена между прямым и обратным потоками между плоскими стенками прокладывается слой теплоизоляционного материала.
Изменение геометрической формы прямого и обратного теплопровода с соединением их через слой изоляции плоскими стенками приводит к следующим техническим результатам, отличающим предлагаемую полезную модель от аналога:
1) Существенному уменьшению габаритных размеров тепловой сети. Применение предлагаемой модели дает возможность экономии занимаемой тепловой сетью территории, в частности позволяет осуществить прокладку трубопроводов в «узостях».
2) Уменьшение габаритных размеров тепловой сети ведет к существенному сокращению строительных материалов (железобетона), необходимых для прокладки трубопроводов в непроходных (проходных, полупроходных) каналах.
3) Соединение двух теплопроводов плоскими стенками друг к другу ведет к экономии тепловой изоляции, так как разделительная перегородка со слоем тепловой изоляции препятствует тепловым потерям как от одного трубопровода, так и от другого.
4) Уменьшение площади поверхности, контактирующей с внешней средой, нового теплопровода, ведет к значительному сокращению тепловых потерь в окружающую среду от теплопровода.
Краткое описание чертежей.
На фигурах 1-3 представлены поперечные сечения непроходных каналов традиционной и новой конструкции тепловой сети.
Фиг.1. Поперечное сечение непроходного канала традиционной конструкции тепловой сети (аналог).
фиг.2. Поперечное сечение непроходного канала контактной конструкции тепловой сети.
фиг.3. Поперечное сечение непроходного канала контактной конструкции (овального поперечного сечения) с наклонным расположением трубопровода.
1 - плита перекрытия; 2 - стеновой блок; 3 - гидроизоляция; 4 - трубопровод тепловой сети с теплоизоляцией; 5 - плита днища; 6 - скользящая опора трубопровода.
Стальной трубопровод, покрытый слоем изоляции, опирается на скользящие опоры и помещается в железобетонный канал. Расстояния в свету от поверхности теплоизоляционной конструкции трубопроводов до внутренней поверхности канала принимаются по [1]: а - до стенки канала, b - до поверхности теплоизоляционной конструкции смежного трубопровода, с - до перекрытия канала, f - до дна канала. Обозначены также внутренние габаритные размеры канала А - ширина, В - высота.
Осуществление полезной модели. Новая конструкция теплопроводов может быть выполнена:
1. На базе стандартного трубопровода круглого сечения путем врезки двух листовых параллельных перегородок во внутренней части вдоль его центральной оси. Перегородки разделяют трубопровод на две изолированные друг от друга, герметичные, части. Между перегородками предусматривается зазор для закладки тепловой изоляции.
2. На базе двух отдельных трубопроводов полукруглого сечения, контактирующих друг с другом плоскими сторонами через слой тепловой изоляции. Теплопроводы скрепляются между собой обечайками, либо выполняются отдельные независимые опоры на каждый трубопровод. Опоры должны обеспечивать тесное взаимное расположение трубопроводов.
Технические результаты осуществления полезной модели. 1. Изменение расхода металла при выполнении теплопровода новой конструкции для тепловой сети Dy 1200 мм.
y
Площадь сечения трубопровода с новой формой поперечного сечения (фиг.2) и двух трубопроводов D 1200 (фиг.1) должны быть равны:
1200
1200
2
2
6
2
S=2S=2πD /4=2×3,14×l200/4=2,2608×10 мм,
откуда определим диаметр новой трубы:
и «периметр» нового сечения (с учетом 2-х внутренних перегородок), определяющий затраты металла на его изготовления:
P=πD+2D=D(π+2)=1,697(3,14+2)=8,723 м.
у
Суммарный периметр 2-х трубопроводов Д 1200 составит:
1200
1200
P=2πD=2×3,14×1,2=7,536 м.
1200
При таком исполнении тепловой сети перерасход металла на изготовление трубопровода новой конструкции увеличивается в P/P=8,723/7,536=1,1575 раза или на 15,75%.
Перерасход листовой стали толщиной 19 мм и денежных средств на сооружение тепловой сети новой конструкции из расчета на 1 километр при средне взвешенной цене листового проката 24000 руб. за тонну:
м
м
ст
3
ΔV=LΔVδ=1000(8,723-7,536)0,019=22,553 м или 175,913 т
м
м
м
ΔЦ=ЦΔV=24000×175,913=4,222 млн. руб.
2. Изменение расхода изоляции при выполнении теплопровода новой конструкции для тепловой сети Dy 1200 мм.
Для устранения теплообмена между прямым и обратным потоками при температурном графике 150/70 устанавливается слой теплоизоляции между плоскими сторонами трубопровода новой конструкции. Рассчитаем его необходимую толщину.
2
2
Согласно [3], [4] норма плотности теплового потока через теплоизоляционный слой в двухтрубных системах теплоснабжения для условных диаметров трубопроводов более 1400 мм при температурном графике 150/70 составляет 47,7 Вт/м для подающего и 15,5 Вт/м для обратного трубопроводов, тогда толщина плоской изолирующей перегородки для любого диаметра трубопроводов [5] при использовании современного материала (пенополиминеральной изоляции - ППМ) составит:
из
из
в
к
F
н
1
δ =λ((K(t-t)/q)-R)=0,048((1,15(150-70)/47,7)-0,0015)=0,094 м=93 мм
из
в
к
F
н
В этом выражении [5] λ - средняя теплопроводность изолирующего слоя; K - коэффициент дополнительных потерь, учитывающий потери через теплопроводные включения в теплоизоляционных конструкциях, обусловленных наличием в них крепежных деталей и опор; t, t - температура изолируемой и окружающей среды соответственно; q - норма плотности теплового потока через теплоизоляцию, определяется по условному проходу трубопровода; R - термическое сопротивление внешней теплоотдачи к загрязненной стенке, определяется по условному проходу трубопровода.
Расчетный внешний диаметр эквивалентного трубопровода при толщине стенки 19 мм составит:
p
ст
D=D+2×δ=1697+2×19=1735 мм
Тогда толщина внешней изоляции подающего трубопровода составит [4], [5]:
из
в
к
L
L
lnB=2πλ((K(t-t)q)-R)=2×3,14×0,048(1,15(150-30)/250,7-0,02564)=0,1582
В=1,1714
из
p
p
2п
δ =(BD-D)/2=(1,1714×1,735-1,735)/2=0,143 м=148 мм
В этом выражении В - параметр для определения толщины изоляционного слоя по [5].
Толщина внешней изоляции обратного трубопровода составит [5]:
из
в
к
L
L
lnB=2πλ((K(t-t)/q)-R)=2×3,14×0,048(1,15(70-30)/82-0,02677)=0,161
В=1,1747
из
p
p
2o
δ =(BD-D)/2=(1,1747×1,735-1,735)/2=0,147 м=151 мм
Принимаем для дальнейших расчетов большее значение.
Соответственно больший диаметр эллипса поперечного сечения трубопровода составит:
б
p
ст
из
из
1
2п
2o
D=D+2δ+δ +δ +δиз=1735+2×19+93+2×151=2168 мм
Меньший размер трубопровода составит:
м
p
из
2o
D=D+2δ =1735+2×151=2037 мм
Объем тепловой изоляции ППМ трубопроводов новой конструкции тепловой сети из расчета на 1 метр трубопровода:
из
из
из
из
н
в
из
н
п
o
пер
2
2
1
2
2
3
V=V +V +V =π1/4(D -D )+1δ D=3,14×1/4(2,037-1,735)+1×0,093×2,037=1,0837 м/м
из
из
из
н
в
п
o
ип
В этом выражении V  - объем изоляции на подающем теплопроводе; V  - объем изоляции на обратном теплопроводе; V  - объем изоляции изолирующей перегородки между подающим и обратным теплопроводами; D, D - наружный и внутренний диаметры изоляции подающего и обратного трубопроводов.
Традиционная тепловая сеть, для которой характерно наличие двух трубопроводов с наружным расчетным диаметром:
p
ст
1200
D =D+2×δ=1200+2×19=1238 мм
при толщине стенки 19 мм, при прочих равных условиях согласно [4], [5] будет иметь следующую толщину тепловой изоляции.
Для подающего трубопровода:
из
в
к
L
L
lnB=2πλ((K(t-t)/q)-R)=2×3,14×0,048(1,15(150-30)/185-0,0343)=0,2145
В=1,2392
из
p
p
1
1200
1200
δ =(BD -D )/2=(1,2392×1,238-1,238)/2=0,146 м=148 мм
Для обратного трубопровода:
из
в
к
L
L
lnB=2πλ((K(t-t)q)-R)=2×3,14×0,048(1,15(70-30)/64-0,03572)=0,2059
В=1,2286
из
p
p
2
1200
1200
δ =(BD -D )/2=(1,2286×1,238-1,238)/2=0,142 м=142 мм
Принимаем для дальнейших расчетов большее значение.
Объем тепловой изоляции ППМ трубопроводов традиционной конструкции тепловой сети из расчета на 1 метр трубопровода:
из
из
из
н
в
1200
п
o
2
2
2
2
3
V =V +V =2π1/4(D -D )=2×3,14×1×/4(1,534-1,238)=1,2882 м/м
из
из
1200
При использовании предлагаемого варианта конструкции тепловой сети расход тепловой изоляции на изготовление трубопровода уменьшится в V /V=1,2882/1,0837=1,1887 раза или на 18,87%
3
Экономия денежных средств при этом при средневзвешенной цене ППМ изоляции 35000 руб./м при использовании новой конструкции тепловой сети из расчета на 1 километр составит:
из
из
из
1200
3
ΔV=L(V -V)=1000(1,2882-1,0837)=204,5 м
из
из
из
ΔЦ=ЦΔV=35000×204,5=7,158 млн. руб.
3. Сокращение тепловых потерь в окружающую среду при переходе на тепловую сеть новой конструкции для тепловой сети Dy 1200 мм.
Тепловые потери от теплопровода в окружающую среду при прочих равных условиях зависят от площади поверхности трубопровода. Для новой конструкции тепловой сети характерно ее сокращение, поскольку трубопроводы прямой и обратной сетевой воды, соприкасаясь через слой тепловой изоляции, не отдают в окружающую среду теплоту. Сохраненная тепловая энергия циркулирует по контуру тепловой сети. Этот «излишний» нагрев обратной сетевой воды может быть снят в условиях ТЭЦ, например, для нужд водоподготовки. Для трех рассматриваемых условных диаметров трубопроводов сокращение тепловых потерь составит:
Норма тепловых потерь через изолированную стенку прямого и обратного теплопровода новой конструкции в пересчете на 1 метр трубопровода:
L
L
п
o
Q=q /2+q /2=250,7/2+82/2=166,35 Вт/м
Норма теплового потока при перетоке тепла через изолированную стенку от теплопровода прямой сетевой к обратной сетевой воде в пересчете на 1 метр трубопровода:
p
F
Q=q×Dy=47,7×1,697=81 Вт/м
Норма тепловых потерь через изолированную стенку прямого и обратного теплопровода традиционной конструкции в пересчете на 1 метр трубопровода:
1200
п
o
L
L
Q=q +q =185+64=249 Вт/м
1200
При использовании предлагаемого варианта конструкции теплопровода тепловые потери в окружающую среду уменьшится в Q/Q=249/166,35=1,4969 раза или на 49,69%
Величина потока тепловой энергии от прямой сетевой воды - к обратной на один километр:
p
p
ΔQ=LQ=1000×81=0,081 МВт
Экономия тепловой энергии и денежных средств при назначенном сроке эксплуатации 25 лет из расчета на 1 километр составит:
a
1200
a
ΔQ=L(Q-Q)=1000(249-166,35)=0,0827 МВт
тэ
тc
тэ
а
а
ΔЦ =ΔQhТЦ=0,0827×6000×25×0,2174×3600=9,709 млн. руб.
тс
тэ
В этих выражениях h - годовое число часов использования тепловой сети [4]; Ц - средне взвешенная цена отпущенной потребителю тепловой энергии, руб./МДж [6].
4. Изменение расхода бетона при выполнении теплопровода новой конструкции для тепловой сети Dy 1200 мм.
При применении теплопроводов новой конструкции уменьшаются габаритные размеры канала тепловой сети, что влечет за собой сокращение полосы отчуждения городской территории, а также объемов используемого бетона.
При толщине железобетонной стенки канала в 150 мм общая ширина и высота канала с применением [2] составит:
к
б
ст
б
А=D+2а+2δ =2168+2×120+2×150=2708 мм=2,708 м
к
м
cт
б
В=D+с+f+2δ =2037+100+300+2×150=2737 мм=2,737 м
Компоновку трубопровода в канале можно сделать более узкой, применив решение по (фиг.3), когда большая ось его сечения располагается по «диагонали» сечения канала, тогда ширина канала, занятая трубопроводом составит:
Dн=2127 мм
Размер получен построением модели предлагаемого расположения сечения.
При толщине железобетонной стенки канала в 150 мм общая ширина и высота канала при наклонном расположении трубопровода составит:
к
н
ст
н
б
А =D+2а+2δ =2127+2×120+2×150=2667 мм=2,667 м
к
н
ст
н
б
В =D+с+f+2δ =2127+100+300+2×150=2827 мм=2,827 м
Для тепловой сети традиционной конструкции при толщине железобетонной стенки 150 мм общая ширина и высота канала составит [3]:
к
ст
1200
п
о
б
А =D+D+2а+b+2δ =1534+1534+2×120+250+2×150=3858 мм=3,858 м
к
cт
1200
п
б
В =D+с+f+2δ =1534+100+300+2×150=2234 мм=2,234 м
Объем бетона, необходимого для сооружения тепловой сети новой конструкции из расчета на 1 метр трубопровода, составит:
б
к
к
к
ст
к
ст
б
б
3
V=А×В×1-(А-δ )×(В-δ )×1=2,708×2,737×1-(2,708-0,15)×(2,737-0,15)×1=0,7943 м/м
Объем бетона, необходимого для сооружения тепловой сети новой конструкции при наклонном расположении трубопровода из расчета на 1 метр трубопровода, составит:
б
к
к
к
ст
к
ст
н
н
н
н
б
н
б
3
V =А ×В ×1-(А -δ )×(В -δ )×1=2,667×2,827×1-(2,667-0,15)×(2,827-0,15)×1=0,8016 м/м
Объем бетона, необходимого для сооружения тепловой сети традиционной конструкции из расчета на 1 метр трубопровода, составит:
б
к
к
к
ст
к
ст
1200
1200
1200
1200
б
1200
б
3
V =А ×В ×1-(А -δ )×(В -δ )×1=3,858×2,234×1-(3,858-0,15)×(2,234-0,15)×1=0,8913 м/м
б
б
1200
При использовании предлагаемого варианта конструкции тепловой сети расход бетона на изготовление канала под трубопровод уменьшится в V /V=0,8913/0,7943=1,1221 раза или на 12,21%
б
б
1200
н
Экономия бетона при использовании новой конструкции тепловой сети при наклонном расположении трубопровода несколько уменьшится и составит: V /V =0,8913/0,8016=1,1119 раза или на 11,19%
3
Экономия объема бетона и денежных средств при средне взвешенной цене бетона 3500 руб/м при использовании новой конструкции тепловой сети из расчета на 1 километр составит:
б
б
б
1200
3
ΔV=L(V -V)=1000(0,8913-0,7943)=97 м
б
из
б
ΔЦ=ЦΔV=3500×97=0,34 млн. руб.
3
Экономия объема бетона и денежных средств при средне взвешенной цене бетона 3500 руб./м при использовании новой конструкции тепловой сети и наклонного расположения трубопровода из расчета на 1 километр составит:
б
б
б
н
1200
н
3
ΔV =L(V -V )=1000(0,8913-0,8016)=89,7 м
б
из
б
н
н
ΔЦ =ЦΔV =3500×89,7=0,314 млн. руб.
5. Изменение затрат на земельные ресурсы при выполнении теплопровода новой конструкции для тепловой сети Dy 1200 мм.
з
з
к
к
1200
1200
Использование городских земельных ресурсов при использовании новой конструкции тепловой сети из расчета на 1 м протяженности сократится в S /S=1×A /1×A=1×3,858/1×2,708=1,4247 раза или на 42,47%
з
з
к
к
1200
н
1200
н
Занятость городских земельных ресурсов при использовании новой конструкции тепловой сети при наклонном расположении теплопровода из расчета на 1 м протяженности сократится в S /S =1×A /1×A =1×3,858/1×2,667==1,4466 раза или на 44,66%
Экономия земельных ресурсов при использовании новой конструкции тепловой сети из расчета на 1 километр составит:
к
к
1200
2
ΔS=L(А -А)=1000(3,858-2,708)=1150 м=0,115 Га
2
Исходя из средней ориентировочной кадастровой стоимости земли в черте города Москвы [7], находящейся на уровне 25 тыс. руб./м экономия денежных средств составит:
зем
зем
ΔЦ=ЦΔS=25000×1150=28,75 млн. руб.
Экономия земельных ресурсов и денежных средств при использовании новой конструкции тепловой сети и наклонном расположении теплопровода из расчета на 1 километр:
н
1200
н
2
к
к
ΔS=L(А -А )=1000(3,858-2,667)=1191 м=0,1191 Га
зем
зем
н
н
ΔЦ =ЦΔS=25000×1191=29,775 млн. руб.
Библиографические данные.
1. СНиП 41-02-2003 «ТЕПЛОВЫЕ СЕТИ».
2. СНиП 41-03-2003 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».
3. РД 34.09.255-97. Методические указания по определению тепловых потерь в водяных тепловых сетях.
4. СП 41-103-2000 «Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов».
5. Годовой отчет ОАО «Мосэнерго» 2010 год.
Публичная кадастровая карта города Москва. Источник:
http://www.pravinfo.ru/konsultant/kadastr.htm