ЭЛЕМЕНТ ТЕПЛОТРАССЫ

Полезная модель относится теплоэнергетике, в частности, к теплоизолированным элементам теплотрассы и может быть использована для прокладки подземных теплотрасс, транспортирующих горячий пар и вязкие горючие жидкости в единой комбинированной теплоизоляции.
Из уровня техники известны элементы теплотрассы, содержащие несколько труб в одной изоляции и защитной оболочке (см., например, патент SU 1583703, кл. F16L 59/00, опубл. 07.08.1990), которые транспортируют теплоноситель с температурой до 140°C, идущий к потребителю и в обратной направлении. Недостатком известных конструкций является ограниченность температуры теплоносителя при транспортировке, связанная с эксплуатационными характеристиками теплоизоляционного материала - пенополиуретана (до 140°C).
Известен способ прокладки теплотрасс с использованием стальных трубопроводов с тепловой изоляцией из минеральной ваты или армопенобетона (см., например, патент RU 68092, кл. F16L 59/12, опубл. 10.11.2007). Недостатком этих конструкций является подверженность к корродированию стальной трубы из-за высокой газопроницаемости и отсутствия защитной оболочки, а также высокое водопоглощение (см. И.Л. Майзель, О проведении коррозионных испытаний стальной трубы тепловых сетей с пенополимерминеральной изоляцией. Вестник строительного комплекса, вып. 1 (67), с. 52, 2010 г.). Кроме того, для этих теплоизоляционных материалов с относительно высокой теплопроводностью (0,065-0,085) Вт/м°C (150-200°C), требуется большая толщина слоя изоляции, что ограничивает их применение в связи со значительным увеличением наружного диаметра трубопровода.
Известен элемент надземной теплотрассы, выполненный в виде стального трубопровода, заключенного в комбинированную тепловую изоляцию, состоящую из фольгированной минеральной ваты, на поверхности которой установлены центрирующие кольца, и внешней защитной оболочки, причем внутреннее пространство между оболочкой и минеральной ватой заполнено пенополиуретаном (см. патент RU 2278316, кл. F16L 59/02, опубл. 20.06.2006). Основными недостатками этого устройства являются высокая стоимость, связанная с необходимостью изготовления изделий в отдельной теплогидроизоляции, а также отсутствие возможности использования отдельного трубопровода для нагрева труб, транспортирующих мазут с температурой 70-100°C.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является элемент подземной теплотрассы, в котором транспортировка высоковязкой жидкости (преимущественно мазута) осуществляется с ее подогревом теплоносителями (см. В.М. Агапкин «Трубопроводный транспорт мазута», М., Недра, 1986, стр. 38). Здесь труба с мазутом и труба с теплоносителем размещены внутри единой теплоизоляции. Однако эта конструкция малоэффективна при обслуживании котельных мазутом.
3
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении энергоэффективности элемента теплотрассы. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в элементе теплотрассы, содержащем трубопровод с тепловой изоляцией и внешней защитной оболочкой, трубопровод состоит из трех плотно прилегающих друг к другу и скрепленных между собой стальной лентой стальных труб, предназначенных для подачи по одной из них нагревающего пара и для перекачки по двум другим в прямом и обратном направлениях соответственно вязкой горючей жидкости, при этом тепловая изоляция выполнена комбинированной, состоящей из одностороннефольгированной минеральной ваты, на поверхности которой установлены центрирующие кольца, и слоя пенополиуретана, заполняющего внутреннее пространство между защитной оболочкой и минеральной ватой, причем минеральная вата имеет плотность 90-110 кг/м и армирована стальной сеткой с теплопроводностью 0,046-0,050 Вт/м°C, а защитная оболочка выполнена из сплошного полиэтилена.
На фиг. 1 представлен поперечный разрез предлагаемого элемента теплотрассы;
На фиг. 2 - продольный разрез.
3
Предлагаемый элемент теплотрассы выполнен в виде стального трубопровода, заключенного в комбинированную тепловую изоляцию. Трубопровод состоит из трех плотно прилегающих друг к друг стальных труб 1-3 одного или разных диаметров и фасонных изделий (позицией не обозначены), жестко скрепленных между собой стальной лентой. По трубе 1 подается нагревающий пар, а по трубам 2, 3 перекачиввается вязкая горючая жидкость, например, мазут. Комбинированная тепловая изоляция состоит из слоя 4 одностороннефольгированной минеральной ваты (МВФ) плотностью 90-110 кг/м, армированной стальной сеткой с теплопроводностью 0,046-0,050 Вт/м°C. На поверхности слоя 4 установлены центрирующие кольца 5, а сверху расположена внешняя защитная оболочка 6 из сплошного полиэтилена. Внутреннее пространство между оболочкой 6 и слоем 4 минеральной ватой заполнено пенополиуретаном 7 (ПНУ).
В процессе эксплуатации при подаче горячего пара с температурой до 200°C по трубе 1 (⌀ 133 мм) плотно прилегающая к ней труба 2 (⌀ 89 мм), находясь с трубой 1 в единой тепловой изоляции, нагревается до необходимой температуры (не менее 100°C) для перекачки вязкой горючей жидкости (мазута) из хранилища в котельную. Не использованный при горении мазут возвращается по трубе 3 (089 мм) с температурой 70°C по замкнутому кругу. За счет использования МВФ указанной плотности теплообмен между трубами 1-3 происходит внутри полости слоя 4 наиболее эффективно, при этом стальная сетка с высокой теплопроводностью обеспечивает равномерное распределение градиента температур по всей площади слоя 4. Выполнение оболочки 6 из сплошного полиэтилена обеспечивает надежную гидро-, а также воздушную изоляцию, исключая возможность возникновения конвективных потоков, уносящих тепло из объема теплотрассы. Таким образом, отличительные признаки предлагаемой полезной модели позволяют значительно повысить энергоэффективность элемента теплотрассы, а значит и всей теплотрассы в целом.
Исходные данные для расчета толщины слоев комбинированной теплоизоляции приведены ниже:
- конструкция трубопроводов рассчитана для подземной прокладки теплотрасс длиной 450 м;
- количество бесшовных стальных труб - три; две с наружным диаметром 89 мм, одна - с наружным диаметром 133 мм, толщина стенки 7 мм; трубы плотно прилегают друг к другу со сдвигом в 100 мм, длина труб 8 м;
- температура теплоносителя 200±5°C;
- температура для перекачки мазута в трубе 2 из хранилища в котельную - 100±5°C;
- температура в трубе 3, транспортирующей мазут, не участвующий в процессе горения, - 70±5°C;
- наружный диаметр теплотрассы должен быть не более 400 мм с допуском +3,6 мм.
из
вн
н
вн
вн
н
из
Толщина изоляции (δ) вычисляется из разности внутреннего диаметра защитной оболочки 6 D и наружного диаметра труб 1-3 d. Толщина стенки защитной оболочки 6 при ⌀ 400 мм по ГОСТ 30732 составляет не более 6 мм. Т.е. D=(400-12)=388 мм. D-d=δ;  мм. Расчет толщины каждого из использованных теплоизоляционных материалов (МВФ и ППУ) производится следующим образом.
н
3
3
Для решения поставленной задачи полимерные пеноматериалы, как например ППУ, для прямого контакта со стальным трубопроводом, непригодны из-за относительно низкой теплостойкости (до 140°C). Минеральные волокнистые материалы, а также армопенобетон, по теплостойкости удовлетворяют указанным требованиям (>250°C), однако, из-за достаточно высокой теплопроводности этих материалов (0,046-0,060) Вт/м°C требуется теплоизоляция толщиной в 2 раза больше, что невозможно уложить в оболочку ⌀D=400 мм. Учитывая, что ППУ имеет достаточно низкую теплопроводность λ=(0,027-0,033) Вт/м°C, его можно использовать при температуре на поверхности трубопровода не более 140°C. Т.е. задача сужается так: необходимо с помощью МВФ или других теплоизоляционных теплостойких материалов довести температуру на поверхности до 130-140°C, а затем использовать ШГУ-изоляцию. Опытным путем была подобрана толщина МВФ марки «Rockwool» с λ=0,046 Вт/м°C, армированная стальной проволокой с плотностью 100 кг/м, позволяющая снижение температуры на поверхности изоляции до 135-140°C, при температуре теплоносителя 200°C. При толщине МВФ 40 мм с плотностью 100 кг/м, при нанесении второго слоя теплоизоляции из ППУ с плотностью более 60 кг/м, происходит дополнительное уплотнение МВФ до 115-120 кг/м, при этом возможно сокращение толщины изоляции исходной МВФ от 40 мм до 30-32 мм. Таким образом, для снижения температуры на поверхности изоляции до (200-60)°C=140°C потребуется МВФ исходной толщиной 40 мм, плотностью 100 кг/м, армированная стальной сеткой с односторонне фольгированной поверхностью, после чего возможно использование второго слоя теплоизоляции из ППУ плотностью 60-65 кг/м, толщиной соответствующей требуемым нормам, т.е. 47-50 мм.
При испытаниях теплотрассы, при температуре наружного воздуха 12-14°C, температура на поверхности изоляции ППУ, при температуре теплоносителя (200±5)°C, составила 39-41°C.
По СНиП 41-03-2003, температура на поверхности изоляции в закрытом пространстве не должна превышать +45°C (фактическое значение составляет в среднем +39°C).
Таким образом, общая толщина теплоизоляции составляет 79 мм для двух изоляционных материалов (МВФ+ППУ), из них, в среднем, 30-32 мм составляет МВФ изоляция, а 47-50 мм - ППУ.
Предлагаемое устройство изготавливают следующим образом.
На стальные отводы 90° труб 1-3 (⌀ 133 мм - 1 шт. и ⌀ 89 мм - 2 шт.) и приваренные к ним патрубки (⌀ 133 мм - 2 шт.и ⌀ 89 мм - 4 шт.) после дробеметной обработки поверхностей, наносят грунт, содержащий фосфатирующий преобразователь ржавчины и антикоррозионное покрытие. Сварные трехсекционные загрунтованные отводы в количестве 3 шт. с длинами патрубков:
- патрубок ⌀ 133 мм - 2 шт.;
- патрубок ⌀ 89 мм, L=636 мм;
- патрубок ⌀ 89 мм, L=525 мм;
- патрубок ⌀ 89 мм, L=725 мм;
- патрубок ⌀ 89 мм, L=436 мм,
плотно собирают в единое целое и туго завязывают стальной лентой в трех местах. На собранный стальной трубопровод наматывают слой 4 рулонной МВФ и фиксируют с помощью центрирующих колец 5. Поверх колец 5 надевают защитную оболочку 6. Образующееся пространство между оболочкой 6 и слоем 4 МВФ заполняют ППУ 7.
Пример.
3
3
Было изготовлено 450 Пм элементов теплотрассы (трубы и фасонные изделия), состоящих из плотно прилегающих друг к другу трех стальных труб и фасонных изделий в единой комбинированной изоляции МВФ, толщиной 40 мм, плотностью 100 кг/м, армированной стальной сеткой и ППУ плотностью не менее 60 кг/м, толщиной 47-50 мм в единой гидрозащитной оболочке из сплошного полиэтилена ⌀ 400 мм.
После подачи теплоносителя (пар) по трубе 1 (⌀ 133 мм) с температурой от 155 до 200°C конструкция теплотрассы обеспечила нагрев остальных двух труб 2, 3 (⌀ 89 мм). По трубе 2 перекачивалась вязкая горючая жидкость (мазут) с температурой 100°C, а неиспользованный после горения мазут по трубе 3 с температурой 70°C направлялся обратно для циркуляции.
Для круглогодичной перекачки по трубопроводам жидкостей с высокой вязкостью необходимо поддержание температуры не ниже 70-100°C как в хранилищах, так и в трубопроводах. В предлагаемом устройстве компактное расположение труб с единой комбинированной тепловой изоляцией позволяет, за счет высокой температуры одного теплоносителя (пара) до 200°C, поддерживать в контактирующих трубах комфортную температуру для сохранения горючей жидкости (мазута) в вязкотекучем состоянии.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет повысить температуру теплоносителя, при этом значительно увеличив энергоэффективность теплотрассы (снизить тепловые потери) и сделать ее более компактной и экономичной.