Контактная конструкция теплопроводов двухтрубной тепловой сети

Контактная конструкция теплопроводов двухтрубной тепловой сети применяется для распределительных и магистральных тепловых сетей. Полезная модель заключается в использовании для транспортировки теплоносителя от источника тепловой энергии к потребителю теплопроводом новой конструкции. Контактная конструкция теплопровода двухтрубной тепловой сети представляет собой два трубопровода оригинального поперечного сечения, прямой и обратный, совмещенных в один. Сечение каждого канала контактного теплопровода представляет собой полукруг, эквивалентный по площади поперечному сечению прямого или обратного стандартного стального трубопровода, причем оба канала контактного трубопровода 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 уменьшению габаритных размеров тепловой сети; сокращению строительных материалов (железобетона), необходимых для прокладки трубопроводов в непроходных (проходных, полупроходных) каналах; экономии тепловой изоляции; сокращению тепловых потерь в окружающую среду от конструкции. На фигурах 1-3 представлены поперечные сечения непроходных каналов традиционной и новой конструкции 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.

Площадь сечения трубопровода с новой формой поперечного сечения (фиг.2) и двух трубопроводов D_y 1200 (фиг.1) должны быть равны:

S=2S₁₂₀₀=2D₁₂₀₀²/4=2×3,14×l200²/4=2,2608×10 ⁶ мм²,

откуда определим диаметр новой трубы:

и «периметр» нового сечения (с учетом 2-х внутренних перегородок), определяющий затраты металла на его изготовления:

P=D+2D=D(+2)=1,697(3,14+2)=8,723 м.

Суммарный периметр 2-х трубопроводов Д_у 1200 составит:

P₁₂₀₀=2D₁₂₀₀=2×3,14×1,2=7,536 м.

При таком исполнении тепловой сети перерасход металла на изготовление трубопровода новой конструкции увеличивается в P/P₁₂₀₀ =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:

V_м=LV_мст=1000(8,723-7,536)0,019=22,553 м³ или 175,913 т

Ц_м=Ц_мV_м=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.

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/м² для подающего и 15,5 Вт/м² для обратного трубопроводов, тогда толщина плоской изолирующей перегородки для любого диаметра трубопроводов [5] при использовании современного материала (пенополиминеральной изоляции - ППМ) составит:

_из¹=_из((K(t_в-t_к)/q_F )-R_н)=0,048((1,15(150-70)/47,7)-0,0015)=0,094 м=93 мм

В этом выражении [5] _из - 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_в, t _к - температура изолируемой и окружающей среды соответственно; q_F - норма плотности теплового потока через теплоизоляцию, определяется по условному проходу трубопровода; R_н - термическое сопротивление внешней теплоотдачи к загрязненной стенке, определяется по условному проходу трубопровода.

Расчетный внешний диаметр эквивалентного трубопровода при толщине стенки 19 мм составит:

D_p=D+2×_ст=1697+2×19=1735 мм

Тогда толщина внешней изоляции подающего трубопровода составит [4], [5]:

lnB=2_из((K(t_в-t_к)q_L )-R_L)=2×3,14×0,048(1,15(150-30)/250,7-0,02564)=0,1582

В=1,1714

_из^2п=(BD_p-D_p)/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]:

lnB=2_из((K(t_в-t_к)/q_L )-R_L)=2×3,14×0,048(1,15(70-30)/82-0,02677)=0,161

В=1,1747

_из^2o=(BD_p-D_p)/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:

D _б=D_p+2_ст+_из¹+_из^2п+из^2o=1735+2×19+93+2×151=2168 мм

Меньший размер трубопровода составит:

D_м=D_p+2_из^2o=1735+2×151=2037 мм

Объем тепловой изоляции ППМ трубопроводов новой конструкции тепловой сети из расчета на 1 метр трубопровода:

V _из=V_из^п+V_из^o+V_из^пер=1/4(D_н²-D_в²)+1_из¹D_н=3,14×1/4(2,037² -1,735²)+1×0,093×2,037=1,0837 м³ /м

В этом выражении V_из^п - объем изоляции на подающем теплопроводе; V_из^o - объем изоляции на обратном теплопроводе; V_из^ип - объем изоляции изолирующей перегородки между подающим и обратным теплопроводами; D_н, D _в - наружный и внутренний диаметры изоляции подающего и обратного трубопроводов.

Традиционная тепловая сеть, для которой характерно наличие двух трубопроводов с наружным расчетным диаметром:

D_p¹²⁰⁰=D+2×_ст=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:

lnB=2_из((K(t_в-t_к)/q_L )-R_L)=2×3,14×0,048(1,15(150-30)/185-0,0343)=0,2145

В=1,2392

_из¹=(BD_p¹²⁰⁰-D_p¹²⁰⁰)/2=(1,2392×1,238-1,238)/2=0,146 м=148 мм

Для обратного трубопровода:

lnB=2_из((K(t_в-t_к)q_L )-R_L)=2×3,14×0,048(1,15(70-30)/64-0,03572)=0,2059

В=1,2286

_из²=(BD_p¹²⁰⁰-D_p¹²⁰⁰)/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:

V_из¹²⁰⁰=V_из^п+V_из^o=21/4(D_н²-D_в²)=2×3,14×1×/4(1,534² -1,238²)=1,2882 м³/м

При использовании предлагаемого варианта конструкции тепловой сети расход тепловой изоляции на изготовление трубопровода уменьшится в V_из¹²⁰⁰/V_из=1,2882/1,0837=1,1887 раза или на 18,87%

Экономия денежных средств при этом при средневзвешенной цене ППМ изоляции 35000 руб./м³ при использовании новой конструкции тепловой сети из расчета на 1 километр составит:

V_из=L(V_из¹²⁰⁰-V_из)=1000(1,2882-1,0837)=204,5 м³

Ц_из=Ц_изV_из=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:

Q=q_L^п/2+q_L^o/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:

Q_p =q_F×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:

Q¹²⁰⁰=q_L^п+q_L^o=185+64=249 Вт/м

При использовании предлагаемого варианта конструкции теплопровода тепловые потери в окружающую среду уменьшится в Q¹²⁰⁰/Q=249/166,35=1,4969 раза или на 49,69%

Величина потока тепловой энергии от прямой сетевой воды - к обратной на один километр:

Q_p=LQ_p=1000×81=0,081 МВт

Экономия тепловой энергии и денежных средств при назначенном сроке эксплуатации 25 лет из расчета на 1 километр составит:

Q^a=L(Q¹²⁰⁰-Q^a)=1000(249-166,35)=0,0827 МВт

Ц_тэ^а=Q^аh_тcТЦ_тэ=0,0827×6000×25×0,2174×3600=9,709 млн. руб.

В этих выражениях h_тс - годовое число часов использования тепловой сети [4]; Ц_тэ - 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:

А_к=D _б+2а+2_ст^б=2168+2×120+2×150=2708 мм=2,708 м

В_к=D_м+с+f+2_cт^б=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:

А_к^н=D_н+2а+2_ст^б=2127+2×120+2×150=2667 мм=2,667 м

В_к^н=D_н+с+f+2_ст^б=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]:

А_к¹²⁰⁰=D^п+D^о+2а+b+2_ст^б=1534+1534+2×120+250+2×150=3858 мм=3,858 м

В_к¹²⁰⁰=D^п+с+f+2_cт^б=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:

V_б=А_к×В_к×1-(А _к-_ст^б)×(В_к-_ст^б)×1=2,708×2,737×1-(2,708-0,15)×(2,737-0,15)×1=0,7943 м³/м

Объем бетона, необходимого для сооружения тепловой сети новой конструкции при наклонном расположении трубопровода из расчета на 1 метр трубопровода, составит:

V_б^н=А_к^н×В_к^н×1-(А_к^н-_ст^б)×(В_к^н-_ст^б)×1=2,667×2,827×1-(2,667-0,15)×(2,827-0,15)×1=0,8016 м³/м

Объем бетона, необходимого для сооружения тепловой сети традиционной конструкции из расчета на 1 метр трубопровода, составит:

V_б¹²⁰⁰=А_к¹²⁰⁰×В_к¹²⁰⁰×1-(А_к¹²⁰⁰-_ст^б)×(В_к¹²⁰⁰-_ст^б)×1=3,858×2,234×1-(3,858-0,15)×(2,234-0,15)×1=0,8913 м³/м

При использовании предлагаемого варианта конструкции тепловой сети расход бетона на изготовление канала под трубопровод уменьшится в V_б¹²⁰⁰/V_б=0,8913/0,7943=1,1221 раза или на 12,21%

Экономия бетона при использовании новой конструкции тепловой сети при наклонном расположении трубопровода несколько уменьшится и составит: V_б¹²⁰⁰/V_б^н=0,8913/0,8016=1,1119 раза или на 11,19%

Экономия объема бетона и денежных средств при средне взвешенной цене бетона 3500 руб/м³ при использовании новой конструкции тепловой сети из расчета на 1 километр составит:

V_б=L(V_б¹²⁰⁰-V_б)=1000(0,8913-0,7943)=97 м ³

Ц_б=Ц_изV_б=3500×97=0,34 млн. руб.

Экономия объема бетона и денежных средств при средне взвешенной цене бетона 3500 руб./м³ при использовании новой конструкции тепловой сети и наклонного расположения трубопровода из расчета на 1 километр составит:

V_б^н=L(V_б¹²⁰⁰-V_б^н)=1000(0,8913-0,8016)=89,7 м³

Ц_б^н=Ц_изV_б^н=3500×89,7=0,314 млн. руб.

5. Изменение затрат на земельные ресурсы при выполнении теплопровода новой конструкции для тепловой сети Dy 1200 мм.

Использование городских земельных ресурсов при использовании новой конструкции тепловой сети из расчета на 1 м протяженности сократится в S_з¹²⁰⁰/S_з=1×A_к¹²⁰⁰/1×A_к=1×3,858/1×2,708=1,4247 раза или на 42,47%

Занятость городских земельных ресурсов при использовании новой конструкции тепловой сети при наклонном расположении теплопровода из расчета на 1 м протяженности сократится в S_з¹²⁰⁰/S_з^н=1×A_к¹²⁰⁰/1×A_к^н=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:

S=L(А_к¹²⁰⁰-А_к)=1000(3,858-2,708)=1150 м ²=0,115 Га

Исходя из средней ориентировочной кадастровой стоимости земли в черте города Москвы [7], находящейся на уровне 25 тыс. руб./м² экономия денежных средств составит:

Ц_зем=Ц_земS=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:

S^н=L(А_к¹²⁰⁰-А_к^н)=1000(3,858-2,667)=1191 м²=0,1191 Га

Ц_зем^н=Ц_земS^н=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

1. Контактная конструкция теплопроводов распределительной (например, тепловой) сети, включающая прямой и обратный каналы, отличающаяся тем, что каждый канал контактного трубопровода представляет собой полукруг, эквивалентный по площади поперечному сечению прямого или обратного стандартного трубопровода, причем оба канала контактных трубопроводов (канала) соединены их плоскими стенками.

2. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что для уменьшения теплообмена между прямым и обратным потоками между плоскими стенками прокладывается слой теплоизоляционного материала.

3. Конструкция по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что каждый из каналов по отдельности или оба вместе покрыты слоем тепловой изоляции.

4. Конструкция по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения габаритов канала трубопровода, приводящего к экономии строительных материалов, большая ось поперечного сечения заявляемой конструкции совмещается с одой из диагоналей прямоугольного поперечного сечения канала трубопровода.