Теплоизолирующий слой для теплотрассы

Полезная модель относится к устройствам теплоизоляции, преимущественно трубопроводов тепловых сетей, выполненных прокладкой в каналах, либо заложенных непосредственно в грунте как уже выполненных и действующих, так и проектируемых и изготовляемых. При канальном или бесканальном обычном (без дополнительного слоя) способе прокладке даже при наиболее совершенных изолирующих материалах и при тщательном выполнении монтажа изоляции не может быть исключена естественная конвекция в свободном потоке канального воздуха. Возможно развитие сквозных движений этого воздуха вдоль каналов и потери весомого количества теплоты, т.е. неизбежны естественные теплопотери этой конвекцией.
При бесканальной прокладке конвекция исключается, но теплопотери с теплопроводностью через грунт, который, как правило, имеет повышенное влагосодержание и весьма теплопроводен, оказываются особенно весомыми.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату к заявляемому техническому решению является листовой теплоизолирующий материал, взятый за аналог, состоящий из соединенных между собой изолирующих продолговатых элементов прямоугольной формы, представляющих собой набор, где последовательно чередуются участки элементов из деформируемого и недеформируемого при монтажных нагрузках материалов с низкой теплопроводностью (патент №39673, кл. F16L 59/02 опубл. в 2004 г.). Существенные признаки аналога «теплоизоляционный материал» совпадают с существенными признаками заявляемой полезной модели.
Другим аналогом заявляемой полезной модели является теплоизоляционное изделие, содержащее изолирующие элементы удлиненной формы из упругодеформируемого волокнистого материала, соединенные между собой и заключенные в оболочку (патент №53751, кл. F16L 59/02 опубл. в 2006 г.). Существенные признаки аналога «изолирующие элементы удлиненной формы» совпадают с существенными признаками заявляемой полезной модели.
Прототипом заявляемой полезной модели является тепловая изоляция секции трубопровода, содержащая теплоизоляционный слой и выполненный из изношенных автопокрышек защитный слой, при этом защитный слой снабжен промежуточными и опорными диафрагмами, (патент №2016347, кл. F16L 59/00 опубл. в 1994 г.). Существенный признак прототипа «теплоизоляционный слой» совпадает с существенным признаком заявляемой полезной модели.
Недостатками прототипа и аналогов являются:
- достаточная высокая сложность выполнения, как самих элементов покрытия так и монтажных элементов, например, диафрагм, соединяющих изолирующие шины у прототипа, а также принципиальные неисключения при канальной прокладке трубопроводов конвективной теплоотдачи от поверхности теплоизоляции к канальному воздуху, т.е. теплопотери с конвекцией;
- имеет место сложность установки диафрагм, при монтаже которых в некоторых вариантах требуется фиксация их сваркой;
- отсутствие аналитических выражений (формул), по которым можно определить минимальную толщину обычного теплоизолирующего слоя или другой определяющий геометрический параметр, ограничивающий температуру на его внешней поверхности и исключающий вредное воздействие повышенной температуры на материал покрышек.
Необходимо отметить, что у прототипа и заявляемого теплоизолирующего слоя имеется общевыраженный характер применения теплоизолирующих элементов удлиненной формы, состоящий из утилизированных предметов и элементов, т.е. обеспечено существенное снижение стоимости выполнения теплоизоляции с помощью таких элементов. Для преодоления указанных недостатков и повышения рентабельности укладки дополнительного наружного теплоизолирующего заявляемого устройства предлагается дополнительный теплоизолирующий слой для труб теплотрасс.
Техническая проблема полезной модели является общее снижение теплопотерь теплосетью вертикально к наружной поверхности почвы.
Техническим результатом полезной модели является общее снижение теплопотерь теплосетью, как в грунт, так и вертикально к наружной поверхности и определение рациональной с точки зрения утилизации теплоизолирующих элементов продолговатой формы, например, пластиковых бутылок, установки их, обеспечивающих значительное по величине термическое сопротивление, и определение минимальной ширины такого слоя, как наиболее важного технического параметра.
Технический результат полезной модели достигается тем, что теплоизолирующий слой для теплотрассы, состоит из продолговатых заполненных изнутри воздухом теплоизолирующих элементов, утилизированных пластмассовых бутылок, установленных вертикально, днищами вниз, которые соединены связующим материалом, например, нефтебитумной мастикой до верхнего уровня пробок, в составе которой предусмотрено наличие мелкодисперсной битой стеклянной крошки размером фракций от 3 до 5 мм. Через каждые 3 теплоизолирующих элемента, внутри каждого из них, установлены деревянные штыревые проставки круглой формы, диаметром равным диаметру горла теплоизолирующего элемента при условии свободного входа, высотой равной высоте теплоизолирующего элемента. Расположение, оснащенных штыревыми проставками бутылок в плане, выполнено в форме квадрата 3 на 3 элемента. Постановка таких штырей обеспечивает жесткость конструкции и засыпку слоем грунта не ограниченной толщины, а минимальная ширина теплоизолирующего слоя, определяется по выражению
гр
где λ - коэффициент теплопроводности грунта, Вт/м⋅°C,
Δt - разность температур теплоносителя и окружающей среды наружного воздуха °C;
2
S - удельная площадь теплоотдающей поверхности на единицу длины теплотрассы, м; для трассы проложенной в грунте S определяется непосредственно по поверхности труб в случае бесканальной прокладки, по поверхности короба - в случае канальной прокладки;
q - удельные на единицу длины магистрали нормируемые теплопотери, Вт/м;
h - среднегеометрическая глубина заложения теплотрассы, м. Межпробковые объемы заполнены до верхнего уровня пробок связующим материалом
Процессом, управляющим переносом теплоты является пространственное изменение температурного поля грунта. Такое поле выглядит в виде набора изотермических поверхностей в грунте, которое может быть отслежено либо натурными испытаниями, либо получены с помощью специальных расчетных методик, либо, например, номограммой [Моисеев Б.В. Расчет талой зоны фунта вокруг канала теплопроводов / Б.В. Моисеев, Ю.Д. Земенков, Н.В. Налобин // Успехи современного естествознания. - Тюмень: ФГБОУ ВО Тюменский индустриальный университет, 2016. - №8. - С. 188-194.]
На фиг. 1 представлено осредненное температурное поле грунта вокруг канала теплопровода для бесканальной прокладки; на фиг. 2 - для канальной прокладки теплотрассы. На фиг. 1 представлена прокладка теплотрассы 1, в которой размещены трубчатые теплопроводы прямой 2 и обратной 3 магистралей, создающие температурное поле в виде изотерм 10 и имеющая ограниченные теплопотери, благодаря наличию штатной теплоизоляции. Теплотрасса засыпана слоем грунта 4. Верхняя часть теплотрассы имеет дополнительный теплоизолирующий слой, набранный из удлиненных теплоизолирующих элементов 5, наполненных внутри воздухом 6. Компоновка теплотрассы по такой схеме обеспечена слоями уплотненного грунта 7 под и над теплоизолирующим слоем. Через каждые 3 теплоизолирующих элемента, внутри каждого элемента, установлены деревянные штыревые проставки 8 круглой формы, диаметром равным диаметру горла теплоизолирующего элемента при условии свободного входа, высотой равной высоте теплоизолирующего элемента. Теплоизолирующие элементы соединены связующим материалом 9, например, нефтебитумной мастикой до верхнего уровня пробок. На фиг. 2 представлены особенности теплотрассы по канальной схеме, обеспеченные коробом 11.
На фиг. 1 и 2 просматриваются концентрации изотерм в верхней части непосредственно труб или каналов, где температурный градиент наибольший. Искривление изотерм ближе к поверхности грунта, откуда следует необходимость установления некоторой определенной ширины теплоизолирующего слоя.
Минимальная ширина такого слоя в первую очередь зависит от самого источника процесса теплопередачи, т.е. от разности температур, которая в подавляющем большинстве случаев наиболее существенно зависит от средней температуры горячего и обратного теплоносителей и средней температуры внешней среды (наружного воздуха). Другими интенсивно влияющими параметрами является коэффициент теплопроводности грунта, зависящий от влажности и плотности (рыхлости), его почвенной природы (чернозем, суглинок), а также геометрических параметров, а именно площади теплоотводящей поверхности (труб, короба) и глубины заложения трубопровода.
Минимальная ширина теплоизолирующего слоя, состоящего из теплоизолирующих элементов определяется по выражению
гр
где λ - коэффициент теплопроводности грунта, Вт/м⋅°C,
Δt - разность температур теплоносителя и окружающей среды наружного воздуха °C;
2
S - удельная площадь теплоотдающей поверхности на единицу длины теплотрассы, м;
q - удельные на единицу длины магистрали нормируемые теплопотери, Вт/м;
h - среднегеометрическая глубина заложения теплотрассы, м; в случае прокладки магистрали в каналах
При любом теплотехническом исполнении теплотрассы номинальные нормируемые теплопотери неизбежны. Их обеспечение также входит в задачу определения минимальной ширины теплоизолирующего слоя.
Снижение теплопотерь обеспечивается предлагаемым наружным теплоизолирующим слоем, имеющим снаружи прослойку из плотно приложенных и связанных сверху вязким материалом теплоизолирующих элементов продолговатой формы, пластмассовых утилизированных бутылок, и засыпанных сверху слоем грунта. Теплоизолирующие элементы продолговатой формы имеют вертикальное расположения, установлены днищами вниз и межпробковые объемы заполнены до верхнего уровня пробок связующим материалом, например, мастикой и смолосодержащим композитом. При значительной продольной нагрузке деформации при вертикальной компоновке теплоизолирующих элементов меньше, чем при горизонтальном их расположении.
Эффективность предлагаемого теплоизолирующего слоя покажем на основании определения и сравнения термических сопротивлений не теплоизолирующего и теплоизолирующего слоя, сравниваем теплопотери в вертикальном направлении, как наиболее существенные.
Термическое сопротивление грунта без теплоизолирующего слоя (без утепления) определяется по выражению
гр
гр
где δ - минимальная глубина закладки теплотрассы δ=0,5 м;
гр
гр
⋅
λ - коэффициент теплопроводности грунта, λ=2 Вт/м⋅°C; R=0,25 м°C/Вт.
Термическое сопротивление грунта с теплоизолирующим слоем (утеплением)
в
в
в
в
где δ, λ - толщина, коэффициент теплопроводности воздуха; δ=0,25 м; λ=0,045 Вт/м⋅С;
смолы
смолы
- толщина, коэффициент теплопроводности стенок теплоизолирующего элементы (бутылок);  λ - толщина, коэффициент теплопроводности связующего материала, например, смолосодержащего композита;  λ=0,27 Вт/м⋅С, тогда
Эффективность определяется по выражению
применение предлагаемого дополнительного наружного теплоизолирующего слоя снижает теплопотери теплотрассы в 30 раз.
Определим минимальную ширину теплоизолирующего слоя, состоящего из теплоизолирующих элементов для бесканальной прокладки по выражению
2
тр
изол
тр
тр
Для трассы проложенной непосредственно в грунте удельная площадь теплоотдающей поверхности на единицу длины теплотрассы (S, м) определяется по поверхности труб в случае безканальной прокладке, по поверхности короба в случае канальной прокладке S=2π(d+2δ), где d - диаметр трубы, d=0,186 м;
изол
изол
2
δ - толщина изоляции δ=0,093 м, S=2π(0,186+2⋅0,093)=2,33 м.
теплонос.
наруж. возд.
теплонос
п
o6p
теплонос
п
oбp)
наруж. возд
теплонос.
наруж. возд.
Разность температур теплоносителя и окружающей среды наружного воздуха °C (Δt) определяется по выражению Δt=t-t, при этом температура теплоносителя (t) равна полсуммы температур падающей (t) и обратной магистралей (t) t=(t+t/2=(150+40)/2=95°C. Принимаем t=(-20)°C, тогда Δt=t-t=95-(-20)=115°C.
Удельные, на единицу длины магистрали, нормируемые теплопотери, (q, Вт/м) определяются по СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов», актуализированная редакция СНиП 41-03-2003, табл. №2, с. 62, принимаем q=80 Вт/м.
По СНиП 41-03-2003 среднегеометрическая глубина заложения теплотрассы равна, h=0,5 м; тогда минимальная ширина теплоизолирующего слоя, состоящих из теплоизолирующих элементов для бесканальной прокладки определяется
2
Для канальной прокладки принимаем размеры канала ширина 1,2 м, высота 0,6 м, удельная площадь теплоотдающей поверхности на единицу длины теплотрассы S=(0,6⋅2)⋅0,3=3,6 м, тогда минимальная ширина теплоизолирующего слоя
п
обр
При температуре падающей магистрали t=100°C и обратной магистралей t=30°C температура теплоносителя равна
теплонос
п
обр)
наруж. возд
t=(t+t/2=(100+30)/2=65°C, t=(-20)°C, тогда
теплонос.
наруж. возд.
Δt=t-t=65-(-20)=85°C.
При этом минимальная ширина теплоизолирующего слоя, состоящего из теплоизолирующих элементов для бесканальной прокладки
для канальной прокладки
Устройство работает следующим образом. Техническое исполнение предлагаемого теплоизолирующего слоя для теплотрассы обеспечено установкой удлиненных теплоизолирующих элементов вертикально вплотную один к одному с фиксацией межэлементного пространства связующим материалом (нефтебитумная мастика, смола и т.д.). В верхней части удлиненные теплоизолирующие элементы засыпаны битым стеклом. В случае использования пластмассовых бутылок в качестве утилизированных элементов, связующий материал заливается вровень с горловиной отверстий входа. Затем слой теплоизолирующих элементов покрывается либо рубероидом и в последующем засыпается грунтом. Внутри каждого третьего теплоизолирующего элемента установлены деревянные штыревые проставки круглой формы, диаметром равным диаметру горла теплоизолирующего элемента при условии свободного входа. Высота проставки равна высоте теплоизолирующего элемента. Постановка таких штырей, как показывают конкретные опыты, обеспечивает жесткость конструкции и засыпку слоем грунта не ограниченной толщины. При необходимости иметь более высокую несущую способность теплоизолирующего слоя грунт прикатывается.