Підвищення ефективності ізоляції котлів і трубопроводів теплових мереж

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Український державний університет харчових технологій

Автореферат

дисертації на здобуття

вченого ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.14.06. - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Підвищення ефективності ізоляції котлів і трубопроводів теплових мереж

Марценко Володимир Павлович

Київ 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у ДКП “Київжитлотеплокомуненерго”

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Федорів Володимир Гаврилович, кафедра теплотехніки УДУХТ.

Офіційні опоненти заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, старший науковий співробітник Фіалко Наталя Михайлівна, Інститут технічної теплофізики НАНУ, завідувач відділом малої енергетики,

кандидат технічних наук Дюков Володимир Андрійович, науково-технічне підприємство “Укренергоефективність”, директор.

Провідна установа Національний технічний університет “КПІ”.

Захист відбудеться 24 травня 2000 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.058.05. при Українському державному університеті харчових технологій за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 68

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці УДУХТ за адресою: м. Київ, вул. Володимирська, 68

Автореферат розіслано 21 квітня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.М.Філоненко

1. Загальна характеристика роботи

тепловтрата ізоляція трубопровід котел

Актуальність теми. Паливно-енергетична проблема в Україні час від часу набуває кризового характеру. Значну роль у її розв'язанні має відігравати енергозбереження, особливо в системі міських теплових мереж з їх розвиненими зовнішніми поверхнями водогрійних котлів, трубопроводів гарячої води та іншого обладнання. Ізоляція цих поверхонь навіть за допомогою сучасних матеріалів та конструкцій не дає гарантії стабільно низьких тепловтрат: вигоряння вогнетривкого та ізоляційного шарів обмурка котлів дає збільшення коефіцієнта теплопередачі у 5-10% на рік, зволоження пінопластової ізоляції трубопроводів гарячої води із ретельною тепло- та гідроізоляцією дає цю величину порядку 3%.

Оскільки швидка заміна наявних ізоляційних конструкцій новими із поліпшеними теплозахисними якостями не є можливою з-за нестачі потужностей і коштів, актуальною є розробка методів визначення фактичних тепловитрат від котлів та трубопроводів, теплозахисних властивостей ізоляційних матеріалів. Ремонт ізоляції часто треба робити вибірково, тому ці методи повинні бути локальними та експресними. Цим вимогам задовольняє теплометрія - молода галузь теплофізики та метрології, успіхи якої на різноманітних ділянках науки та практики значною мірою створені зусиллями вчених м. Києва.

Ступінь дослідження тематики дисертації. Втрати теплоти від зовнішніх поверхонь водогрійних котлів, що входять важливим компонентом до теплового балансу котла, беруть за даними, одержаними для парових котлів більш як 60 років тому, хоча наш досвід переведення парових котлів на водогрійний режим вказує на значні зміни температури продуктів згоряння та стінок огородження, що не може не впливати на тепловтрати у довкілля.

Нормативні тепловтрати для ізольованих водяних теплопроводів складено на початку п'ятидесятих років нашого сторіччя, одним з їх недоліків є однаковість вимог до ізоляції трубопроводів, що прокладаються у непрохідних каналах та безканальне, незважаючи на різницю тепломасообміну в ізоляції та навколо неї.

Фактичні вимірювання тепловитрат від генеруючого і транспортного обладнання теплових мереж почалися із розвитком теплометрії. Розроблені та впроваджені способи теплометричного дослідження огороджень низькотемпературних сховищ скрапленого природного газу, збірних житлових будинків полегшеного типу, камер холодильного зберігання харчових продуктів тощо. Дисертаційна робота автора є складовою частиною рішення актуальної проблеми "Тепловологометрія ізоляційних конструкцій" і результатом розробки та впровадження теплометричного способу визначення тепловтрат від котлів і трубопроводів теплових мереж з метою енергозбереження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності із науковим напрямком УДУХТ "Розробка нових основ тепломасообмінних процесів харчових виробництв з метою створення нового обладнання, засобів автоматизації та механізації", затвердженим Вченою радою КТІХП 29.01.1993р. прот. № 6, а також із темою "Розробка в інтересах теплозбереження теплометричних засобів безконтактних вимірювань температури та неруйнівного контролю енергетичного обладнання в процесі експлуатації", затвердженою Президією НАН України (шифр 1.7.6.26).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є визначення теплових потоків від генеруючого і транспортного обладнання систем міського теплопостачання та розробка заходів щодо їх зменшення.

Для реалізації цієї мети автор розв'язав задачі:

- проведено аналіз сучасних ізоляційних матеріалів і конструкцій та способів визначення їх теплозахисних властивостей;

- розроблено методики визначення місцевих теплових потоків з основних елементів теплових мереж та їх усереднення;

- розроблено методику визначення сумарних коефіцієнтів тепловіддачі з поверхні ізоляційних конструкцій;

- вдосконалено метод комплексного визначення ефективних теплофізичних характеристик ізоляційних матеріалів;

- визначено тепловтрати від трубопроводів гарячої води за умов безканального та канального прокладання, включно з екстремальними умовами;

- визначено тепловтрати та коефіцієнти тепловіддачі від зовнішніх поверхонь основних типів котлів теплових мереж у різних режимах їх експлуатації;

- експериментальні дані узагальнено та використано під час розробки заходів щодо зменшення тепловтрат.

Методи та об'єкти досліджень. Під час розробки та обгрунтування методик досліджень використовували методи математичної фізики, розв'язок задач метрології та узагальнення дослідних даних проводили за допомогою статистичних методів. Первинну інформацію про густину теплових потоків і температуру одержували давчами, які було ретельно градуйовано, вторинну - прецизійними самописними та цифровими приладами. Об'єктами дослідження були ізоляційні матеріали і конструкції, макети і натуральні ділянки теплотрас, водогрійні котли і парові котли, переведені у водогрійні режими, у районних котельнях ДКП "Київжитлотеплокомуненерго".

Нові наукові результати. В роботі обґрунтовано спосіб безперервного контролю теплових потоків у довкілля від основного генеруючого і транспортного обладнання теплових мереж. У сполученні із температурними вимірювання це дало можливість розробити і впровадити метод безпосереднього визначення сумарного коефіцієнта тепловіддачі від поверхонь ізоляційних конструкцій.

Одержано зв'язок між вологістю ізоляції теплотраси та кількістю циклічних температурних навантажень на неї.

Вперше розроблено і реалізовано метод прямого визначення складової частини теплового балансу водогрійних котлів, що відповідає втратам теплоти.

Практична значущість та реалізація результатів дослідження. Результати роботи можуть бути основою для розробки систем теплового моніторингу обладнання районних котелень теплових мереж, а також теплового устаткування підприємств харчової і переробної промисловості. Нова інформація була використана під час аналізу роботи парових котлів, що переведені на водогрійний режим, під час ремонту та заміни ізоляційних огороджень трубопроводів і котлів. На підставі розроблених методик створено учбову лабораторну установку "Теплопередача, тепловий баланс та ефективність бойлера" для студентів спеціальності "Промислова теплоенергетика та енергозбереження" на території однієї з районних котелень.

Особистий внесок здобувача полягає у:

- розробці методики та апаратури вимірювання теплозахисних характеристик ізоляційних матеріалів і конструкцій;

- визначенні тепловтрат від трубопроводів гарячої води різного прокладання, організації багаторічного моніторингу теплотраси;

- визначенні та узагальненні тепловтрат від котлів різної конструкції та за різних робочих режимів;

- складанні та реалізації рекомендацій із підвищення ефективності ізоляційних огороджень обладнання теплових мереж.

Апробація роботи. Основні положення роботи були предметом доповідей та обговорення на наукових конференціях КТІХП, Всеукраїнській науково - технічній конференції "Розробка та впровадження прогресивних технологій у харчову та переробну промисловість" (Київ, 1995 ).

Публікації. По матеріалах дисертації є десять наукових публікацій, в тому числі три статті у журналах, що входять до відповідного переліку ВАК України.

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, бібліографії та додатків. Основний матеріал викладено на 149 сторінках машинописного тексту, ілюстрованого 61 рисунком. Бібліографія містить 113 найменувань робіт вітчизняних та зарубіжних авторів.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження. Наведено нові наукові результати, показано значущість роботи, результати її впровадження у наукову та промислову практику.

У першому розділі проведено аналіз ізоляційних огороджень обладнання теплових мереж та способів визначення тепловтрат через них, обґрунтовано необхідність розробки та вдосконалення методів теплотермометричного дослідження теплозахисних властивостей матеріалів і конструкцій.

Розглянуто сучасні матеріали огороджень теплогенеруючого устаткування (водогрійні котли, парові котли, що переведені у водогрійний режим, бойлери) та транспортного обладнання (трубопроводи прямої та зворотної подачі гарячої води) теплових мереж та їх поведінку під час експлуатації. Показано, що навіть у матеріалах ізоляції теплотрас із замкненими порами або при наявності доброї гідроізоляції можуть мати місце потоки вологи у рідкому або газоподібному стані, що приводить до поступового зволоження ізоляції та втрати теплозахисних властивостей. Цей аналіз зроблено з використанням моделі тепловологоперенесення Шпайделя-Пахомова, що базується на нелінійній залежності парціального тиску насичення водяної пари від температури повітря у порах.

Проведено аналіз математичних моделей тепломасоперенесення у зволоженій ізоляції, найбільш продуктивною є модель А.Ф.Чудновського у безрозмірній формі, з використовуванням чисел подібності Фур'є, Косовича, Поснова та Ликова. Останнє число подібності Lu має характерні ознаки критерія подібності, за достатньо малих чисел Ьи процеси перенесення теплоти і вологи не залежать одне від одного. Сучасні ізоляційні матеріали відповідають вимозі Lu<<1, тому вказана незалежність була використана у даній роботі.

Зроблено огляд способів визначення нормативних тепловтрат від теплогенеруючого устаткування теплових мереж. Показано, що для парових котлів нормативний розрахунок базується на використанні зворотного теплового балансу. Дослідні дані про складову балансу за рахунок тепловтрат крізь огородження у довкілля одержано кілька десятків років тому на зарубіжних електростанціях. Механічне перенесення цих нормативів на сучасні водогрійні котли є неправомірним, позаяк температурні режими огороджень під час переведення котла на водогрійний режим обов'язково змінюються.

Аналіз таблиць нормативних тепловтрат від мережі трубопроводів гарячої води показує, що із зростанням діаметра труби тепловтрати на погонний метр зростають, а на квадратний метр - зменшуються, доцільно переглянути ці нормативи. Так само, із збільшенням температурного напору норма тепловтрат зростає йому непропорційно. Під час проектних обрахунків ізоляції трубопроводів користуються значенням теплопровідності сухої ізоляції до того ж, середнім для зовнішньої та внутрішньої поверхонь - на підставі лінійної залежності теплопровідності від температури - тут треба враховувати різке збільшення маси ізоляції до периферії труби.

Застосування нових матеріалів для ізоляційних огороджень потребує розробки та вдосконалення методів експериментального визначення теплофізичних характеристик (ТФХ) цих матеріалів та залежності ТФХ від температури і вологості. Для ізоляційних матеріалів одним з найбільш точних та зручних методів є розроблений В.Г.Федоровим спосіб комплексного теплометричного визначення основних ТФХ та їх температурних залежностей, а також реалізація цього способу шляхом встановлення у зразку регулярного теплового режиму другого роду (розробка В.М. Пахомова).

Основним інструментом для одержання дослідних даних про тепловтрати через ізоляційні огородження теплогенеруючого та транспортного обладнання теплових мереж обрано комбінацію малогабаритних малоінерційних тепломірів розробки О.А.Геращенко та В.Г.Федорова, в яких матеріал металевих термоелементів слугує для створення корисного перепаду температур, із звичайною поодинокою або батарейною термопарою. Цей інструмент не вносить теплових та гідравлічних збурень у тепломасообмінні процеси, що протікають у огородженнях і довкіллі, не потребує джерел електричної енергії, є вибухо- та пожежебезпечним, сигнали його вимірювальних перетворювачів (ВП) точно фіксуються за допомогою стандартних вторинних приладів типу цифрових вольтметрів або самописних потенціометрів, дозволяє комутацію великої кількості ВП, моніторинг великих ділянок теплотрас чи віддалених об'єктів, сумісну роботу з ЕОМ.

Другий розділ присвячено математичному обґрунтуванню комплексних методів визначення теплозахисних властивостей ізоляції теплових мереж. Позаяк в огородженнях, крім згаданого регулярного режиму другого роду, можуть мати місце інші монотонні теплові режими, для можливості відтворення цих режимів в лабораторній установці комплексного визначення ТФХ, а також для контролю ТФХ під час експлуатації теплотрас, було розбудовано відповідний математичний аппарат. Розв'язано одномірне диференціальне рівняння теплопровідності із граничними умовами, що відповідають основним монотонним режимам:

1) постійна температура поверхні стінки;

2) постійна температура газу, що її обтікає;

3) лінійне змінення температури газу.

Ці розв'язки доведено до розрахункових формул для основних ТФХ:

теплопровідності , об'ємної теплоємності с за умови, що на обох поверхнях зразку вимірюються густина теплового потоку q1, та q2, а також температури t1 та t2

Ці розрахункові формули виявилось можливим узагальнити для всіх монотонних режимів:

(1)

(2)

де h - товщина зразка, м;

t= t"-t' - змінення середньої температури за досить мале змінення часу досліду =" -'.

Якщо монотонність викликається лінійною зміною температури газу за межами пристінного шару або температури стінки в різних її точках, тоді поправочні коефіцієнти ==1. Для режимів, коли температура газу або поверхні ізоляції підтримується постійною, маємо:

=1; (3)

; (4).

де а - температуропровідність, м2 /с;

т - темп нагрівання зразка, 1/К:

Для останнього випадку виведено розрахункову формулу для температуропровідності:

(5),

оскільки вона є потрібною для визначення коефіцієнта . В інших випадках а та інші похідні ТФХ, наприклад теплову активність b зручніше обчислювати з вихідних рівнянь

i (6).

Мала товщина зразків та малі значення т дозволяють середнью температуру зразка ( температуру віднесення ТФХ ) визначати за простою формулою:

(7).

Процеси перенесення теплоти і вологи у циліндричній ізоляції можуть відбуватися інакше, ніж у плоских зразках. Робити криволінійні ВПГТП для таких дослідів виявилось недоцільним, тому встановлено похибку вимірювання плоским ВПГТП в циліндричному полі потоків та зв'язок між "істинною" густиною потоку q і вимірюваною плоским давачем qвим:

; (8),

де а = R/Н; R - радіус циліндричної стінки, на якому розміщено плоский ВПГТП товщиною Н.

На спеціальній установці вимірювали q та qвим. а kR розраховували як їх відношення. Аналітичні (суцільна лінія) і експериментальні дані досить добре збігалися. Ці результати дали можливість математичного обгрунтуванні ТФХ-приладів із циліндричними зразками та плоскими ВПГТП.

Задачу для монотонних теплових режимів розв'язували методом елементарних теплових балансів, одержано розрахункові формули для ТФХ:

(9)

(10)

де r1 та r2 - внутрішній та зовнішній радіус циліндричного зразка.

Перевірка на стійкість формул (9) та (10) показала, що у дослідах треба додержувати умови Fо 0,5, що легко зробити, оскільки порядок величини а у кроці числа Фур'є

Fо = а / (r2 - r1)2

заздалегідь є відомим, а крок часу можна брати малим.

Якщо у вологій ізоляції відбуваються фазові перетворення (конденсація, заморожування тощо), більш точним для визначення ТФХ стає метод чередування стаціонарних і перехідних режимів у зразку або метод циклів, розроблений В.Г.Федоровим для плоских зразків лабільних матеріалів.

Розповсюдження цього методу на циліндричні зразки показало, що оскільки теплопровідність визначається у стаціонарних режимах, а вони є граничним випадком монотонних режимів, зберігається формула (9). Для об'ємної теплоємності одержано формулу:

(11)

Інтеграл у чисельнику (11) визначається за допомогою відповідної програми ЕОМ, позаяк інформація про q1 та q2 поступає туди безперервно.

Тепловтрати через огородження, особливо теплогенеруючого обладнання, є дуже нерівномірними по поверхні кожного елемента, вони можуть змінюватися також із часом. Тому усереднення густини теплового потоку доводиться робити за формулою:

(12)

де F - повна поверхня елемента огородження. Щоб мати обгрунтований перехід від інтегрування до підсумовування по обох незалежних, довелося вдатися до математичного планування експерименту. Для пошуку оптимального (у нашому випадку максимального) значення функції по поверхні, найбільш доцільним виявилася комбінація градієнтних методів пошуку та методу сканування. Визначення мінімально потрібного часу для кожного заміру було проведено за допомогою оціночного методу поведінки випадкової величини із часом.

У третьому розділі проведено метрологічні розробки із визначення теплозахисних властивостей ізоляції обладнання теплових мереж. Усі потрібні у роботі ВП - температури, різниці температур та густини теплового потоку працюють на термоелектричному принципі. За матеріал термоелектродів обрано мідь і константан, ця уніфікація спрощує експеримент та підвищує точність замірів. Розглянуто основні можливі похибки у визначенні усіх трьох параметрів та шляхи їх запобігання.

Основну увагу приділено вимірювальним перетворювачам густини теплового потоку (ВПГТП). За основу було взято технологію виготовлення ґратчастих тепломірів, розроблену на кафедрі теплотехніки УДУХТ за участю автора. Внесені зміни у цю технологію дозволили одержувати партію ВПГТП, чутливість яких відрізняється не більш як на два відсотки, що є важливим під час дослідження великих поверхонь обмурків котлів, організації моніторингу ізоляції теплотрас та обробки дослідних даних. Збільшено товщину базової стрічки термоелементів вдвічі для збільшення чутливості і інерційності ВПГТП ( щоб згладжувати флуктуації повітря біля обмурку котлів), зроблено відповідно нову оснастку для виготовлення ВПГТП. Діаметр тепломірів також збільшено, крім того розроблено касету, що дозволяє одночасно використовувати три ВПГТП з однаковим притиском кожного до поверхні огородження. Розглянуто можливість вимірювання або врахування усіх компонентів теплового потоку, що мають місце під час експлуатації, відстою чи ремонту: кондуктивного, конвективного, променистого і масообмінного.

Аналіз та перевірка способів експериментального визначення коефіцієнтів тепловіддачі з поверхні огородження у довкілля дали можливість зупинитися на комбінації двох ВП - густини теплового потоку і різниці температур між поверхнею огородження та повітрям за межами пристінного шару. Щоб вирівняти сигнали обох ВП, ми використали замість поодинокої диференціальної термопари батерею із 3-6 термопар.

Розглянуто метрологічні аспекти лабораторної установки для комплексного визначення температурних залежностей основних ТФХ ізоляційних матеріалів, що її було створено за участю автора. Її експлуатація показала незручність використання за умов від'ємних робочих температур ізоляції. Тому було розроблено методику визначення ТФХ, просту у реалізації: в морозильній камері підвішували два однакових плоских зразки, притиснуті один до одного, із закріпленими на їх поверхнях ВПГТП та ВПТ (температури). Скористатися формулами (1) та (2) для розрахунку ТФХ тепер не можна, бо на одній з поверхонь зразка тепловий потік є відсутнім.

Розв'язок диференціального рівняння теплопровідності за таких граничних умов дав можливість запропонувати формули для обчислення основних ТФХ:

(13),

(14),

(15)

де tц, tс, та t0 - температури поверхонь контакту зразків та вільних поверхонь, а також повітря у камері.

Формули (13) та (14) метрологічне є добре обгрунтовані, якщо tц-tс є досить помітною величиною. Показано можливість вибору товщини зразків або коефіцієнту тепловіддачі з їх поверхні, щоб гарантувати досить високу точність визначення ТФХ.

Розроблено та реалізовано ТФХ-прилади з регулюванням та контролем вологості зразків ізоляції плоскої та циліндричної форми. Особливістю цих приладів є спеціальні касети із контрольованими подачею, розподілом вологи по об'єму зразка та зливом решти води. В варіанті приладу із циліндричним зразком, касета разом із зразком розміщується в водяному просторі одного з двох термостатів, що утворюють потрібний температурний перепад на зразку. Теплові режими, що створюються в зразках, дозволяють користуватися формулами (1-2) та (9-10).

Усі ВПГТП проходили градуювання на радіаційному стенді УДУХП, а вибірково - на кондуктивному стенді. Крім того, окремі давачі було передано для градуювання до сторонніх організацій - Інституту технічної теплофізики НАНУ та Сибірського інституту метрології. Із цих ВПГТП відбиралися давачі з найкращими характеристиками, які слугували за еталонні в нашій роботі. Для робочих ВПГТП одержано практичну незалежність чутливості по тепловому потоку від температури в діапазоні мінус 25°С - плюс 80°С.

Для метрологічного забезпечення ТФХ-приладів проводили їх тарування за допомогою еталонних зразків їз добре відомими ТФХ. Одержали розрахункові формули для так званих баластних опорів і теплоємностей ТФХ-приладів з циліндричними зразками, а також дослідні дані для баластів приладів із плоскими і циліндричними зразками.

Результати впровадження розробок із дослідження теплозахисних властивостей огороджень та підвищення їх ефективності наведено у четвертому розділі. На лабораторних ТФХ-установках одержано залежності теплопровідності, об'ємної або масової теплоємності та температуропровідності від температури та вологості для перспективних ізоляційних матеріалів теплових мереж: полістіролфенолформальдегідного пінопласта, прокладного пінопласта та пінополіуретана. Максимальна похибка у визначенні оцінюється у 5%, с та c - 7%, це дає можливість рекомендувати нові результати для проектних та перевірних розрахунків ізоляції теплотрас.

Ці залежності було використано також під час дослідження процесів тепломасообміну в промисловому макеті ділянки теплотраси та на кількох ділянках натурної теплової мережі за умов екстремальної експлуатації ізоляції. Макет розміщували у кліматичній камері і дводобовими циклами плавного змінення температури в ній від мінус 15 до плюс 30°С моделювали сезонну циклічність температурно-вологісних навантажень на ізоляцію. Максимальна та середня вологість ізоляції після 18 циклів для верхньої частини горизонтальної труби виявилися вищими, ніж для нижньої, можливо за рахунок різкого характеру руйнування пор під дією кристалів льоду, що в них утворюється. Встановлено статистичний лінійний зв'язок між кількістю "річних циклів" та середньою вологістю ізоляції.

Випробування натурної промислової ділянки теплотраси безканального прокладання підтвердило нерівномірний розподіл теплопровідності і вологості ізоляції по радіусу та периметру. Знову зволоження відбувалося більше у верхній частині ізоляції. Результати випробувань було використано під час розробки нових технологій закладання трубопроводів у грунт.

Протягом чотирьох років відбувався моніторинг кількох ділянок теплотраси м. Києва, прокладеної у непрохідних каналах (лотках). Після дослідження рівноважної вологості, що перевищує гігроскопічну вологість, теплопровідність і вологість ізоляції із скловатних матів коливалися у незначній мірі. Знизити тепловтрати у таких теплотрасах можна без заміни ізоляції організацією природної або вимушеної конвекції повітря у каналах. Такий моніторинг доцільно проводити на відповідальних або ризикованих ділянках теплотраси з метою контролю та прогнозування теплозахисних властивостей ізоляції.

Під час переведення шести парових котлів ДКВР-10 на водогрійний режим встановлено зниження температурного режиму всіх елементів котла, отже і статей теплового балансу, включно із q5 - втратами через огородження у довкілля. Тому визначення q5 на основі прямих замірів q порівнювали із результатами режимно-наладочних випробувань одного з котлів. Суму теплових втрат усіх зовнішніх елементів огородження з (12) кВт, використовували для обчислення q5:

(16).

Витрати газу В, м3/с, визначали по витратоміру, а перевіряли з теплового балансу:

(17).

Тут - теплота згоряння газу, кДж/м3;

т - продуктивність котла, кг/с;

tп, tо - температура води на вході та на виході з котла;

- ККД котла ( брали по режимній карті котла).

Різниця у величинах В не перевищувала 3%. Характер залежності тепловтрат від відносної продуктивності котла за обома методиками однаковий, але дослідна крива лежить значно нижче, це може бути підставою для створення нових нормативів тепловтрат, а також джерелом збереження палива.

Для визначення тепловтрат від огороджень водогрійних котлів було обрано котли НИИСТУ-5; НИИСТУ-5х2; ТВГ-4; ТВГ-8 та КВГ-6,5. Позаяк фактична теплопродуктивність Q в умовах експлуатації котелень відрізнялась від номінальної Qн, для підрахування q5н користувалися формулою, прийнятою для парових котлів:

(18).

Залежність q5н(Qн) для усіх досліджених котлів лягла на загальну криву, яка може бути основою розробки нормативних тепловтрат для водогрійних котлів різної конструкції та продуктивності, що покращує контроль за витратами палива.

Досліджено ефективність шамотно-волокнистих плит ШПГТ виробництва ВАТ "Северський комбінат" як огороджень водогрійних котлів. Плитами розміром 490х490х100 мм було вкрито замість цегляної кладки передню та бокові стінки котла. Порівняно із котлом КВГ-6,5 із цегляним обмурком середнє значення q5н знизилось на 25% відносних, що може бути джерелом енерго- та ресурсозбереження.

Експлуатація котла КВГ-6,5 із плитами ШПГТ дозволила змінювати його теплопродуктивність при однаковій масовій продуктивності, тому було вирішено перевірити формулу (18) для водогрійних котлів. У логарифмічних координатах дослідні дані лягли практично на пряму лінію, що підтверджує зворотню залежність між величинами Q та q5.

Результати вимірювань локальних теплових потоків по окремих поверхнях огороджень водогрійних котлів було використано для побудови гістограм розподілу тепловтрат. Умовно прийнято ділянки із q до 300 Вт/м2 нормальними, до 450 Вт/м - припустимими, до 750 Вт/м та до 1200 Вт/м -такими, що відповідно вимагають термінового ремонту або повної заміни. Найкращі гістограми має котел ДКВР, переведений на водогрійний режим, за ним ідуть котли ТВГ та КВГ. Використання цих гістограм дасть можливість знижувати тепловтрати, а отже витрати палива без зупинки котлів.

Показано, що під час проектування та ремонту огородження котлів треба розподіляти ізоляцію так, щоб тепловтрати по окремих ділянках огородження були якомога рівномірними, це за умови фіксованої витрати ізоляційного матеріалу на весь котел приведе до найменшого значення q5, - це також є джерелом ресурсозберігання.

Складні умови конвективно-променистого теплообміну між огородженнями котлів та довкіллям (наявність протягів, вплив сусідніх котлів чи стін тощо) не дали можливості узагальнити досліджень сумарного коефіцієнта тепловіддачі більш точними формулами, ніж відомі емпіричні та напівемпіричні залежності.

Висновки та рекомендації

1. Показано, що існуючі методи визначення тепловтрат та їх нормування не можуть виявити істотних джерел їх зменшення, шляхів підвищення ефективності ізоляційних огороджень теплогенеруючого і транспортного обладнання теплових мереж, енерго- та ресурсозбереження.

2. Аналіз літературних даних і власний досвід дозволили обрати раціональний принцип одержання інформації, потрібної для вивчення теплозахисних властивостей обладнання теплових мереж та вироблення заходів із зменшення тепловтрат - пряме вимірювання густини теплового потоку малоінерційними малогабаритними тепломірами.

3. Удосконалено та розширено можливості застосування теплометричного способу комплексного визначення теплофізичних характеристик (ТФХ) вологих ізоляційних матеріалів, одержано температурні і вологісні залежності для нових перспективних пінопластів.

4. Обґрунтовано можливість використання плоских тепломірів під час випробовувань циліндричної ізоляції ї трубопроводів гарячої води, що спростило методики виготовлення та градуювання тепломірів.

5. Використано методи математичного планування експериментів під час вимірювання тепловтрат від великих поверхонь із нерівномірним епюром густини теплового потоку, що дозволило уточнити усереднення локальних даних по поверхні та в часі.

6. Досліджено поведінку ізоляції трубопроводу гарячої води безканального прокладання за екстремальних умов, встановлено емпіричний зв'язок між кількістю річних циклів та середньою вологістю ізоляції.

7. Проведено багаторічний моніторинг поведінки ізоляції теплотраси канального прокладання, який показав доцільність спорудження теплометричних станцій на відповідальних ділянках теплотраси з метою контролю та прогнозування теплозахисних властивостей ізоляції.

8. Показано, що переведення парових котлів на водогрійний режим супроводжується зміненням складових теплового балансу котла, внаслідок чого перенесення нормативних тепловтрат на новий режим є неправомірним.

9. Досліджено тепловтрати водогрійних котлів різної конструкції та теплопродуктивності, одержано базову залежність q5 від номінальної продуктивності, на основі якої можна розробляти нові нормативи тепловтрат. Встановлено, що обернена залежність q5 від фактичної продуктивності має місце як для парових, так і для водогрійних котлів.

10. Побудовані гістограми розподілу тепловтрат по поверхнях огороджень водогрійних котлів дають підстави для конструювання більш ефективних огороджень і для планування заходів з ремонту або заміни обмурків. Під час конструювання треба добиватися рівномірних тепловтрат від усіх поверхонь, це дасть найнижче значення q5 за умови фіксованої витрати матеріалів.

11. Заміна стандартного обмурка водогрійних котлів на огородження з шамотно-волокнистих плит дозволяє зменшити тепловтрати на 40-60% відносних.

Публікація основних положень дисертації

1. Марценко В.П. Несложно и выгодно ( опыт перевода котлов ДКВР на водогрейный режим). - Городское хозяйство Украины, 1983, № 2. - с. 15.

2. Приборы для комплексного определения теплофизических характеристик лабильных материалов / В.Г.Федоров, В.Н.Пахомов, В.П.Марценко. В кн.: Приборы для теплофизических измерений. Каталог. //ред. А.А.Долинский, - К.: Реклама, 1986. - с. 42- 43.

3. Проблеми теплоізоляційного захисту теплотрас. / В.П.Марценко, А.О.Глуздань, В.О.Виноградов-Салтиков, В.М.Пахомов, В.Г.Федорів. В кн.:

Тези доповідей всеукраїнської наукової конференції "Розробка та впровадження прогресивних технологій та обладнання ". - К.: УДУХТ, 1995. - с.438.

4. Федоров В.Г., Виноградов-Салтыков В.А., Марценко В.П. Измерение потерь тепла от наружных поверхностей водогрейных котлов. Экотехнология и ресурсосбережение, 1997, №3. с. 66 - 68.

5. Федорів В.Г., Виноградов-Салтиков В.О., Марценко В.П. Розподіл тепловтрат по огородженнях водогрійних і парових котлів. - К.: УДУХТ. Деп. В ДНТБ України 23.03.98., № 143. - Ук. 98. - 19 с.

6. Марценко В.П., Глуздань А.А., Федоров В.Г. Изменение параметров изоляции теплосетевых труб при замерзании грунта. - Экотехнология. и ресурсосбережение, 2000, №2, с.73-75.

7. Марценко В.П., Глуздань А.А., Федоров В.Г. Промышленные испытания изоляции теплотрассы в экстремальных условиях. - Пром. теплотехника, т.22, 2000, № 1, c.83-85.

8. Влияние сезонной цикличности на энергосбережение в теплотрассах бесканальной прокладки / Марценко В.П., Глуздань А.А., Федоров В.Г. Праці Інституту електродинаміки НАН України "Енергоефективність", - К., 2000. - с.242-246.

9. Марценко В.П., Федоров В.Г. Эффективность изоляционных ограждений водогрейных котлов. - Пром. теплотехника, 2000. т.22, №2 с.58-60.

10. Марценко В.П., Глуздань А.А.,Федоров В.Г. Ухудшение качества изоляции теплотрассы при замерзании грунта. Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики.// IX Межгосударственная конференция. Севастополь, 1999 г, С. 22-25.

Размещено на Allbest.ru

...