Действующие тепловые сети не удовлетворяют современным требованиям надежности и долговечности ни по качеству строительных конструкций теплопроводов, ни по теплофизическим показателям, т.е. нормативное значение потерь теплоты не обеспечивается. На практике часто встречаются случаи непозволительно высоких потерь теплоты, увеличенных по сравнению с нормативными в 2-4 раза.
Основными причинами отклонения от проектных режимов работы теплосетей являются увлажнение изоляции и грунта из-за нарушения целостности строительной и изоляционной конструкций теплопроводов, быстрое старение и разрушение практически всех применяемых видов теплоизоляционных материалов.
В связи с этим представляет интерес оценить влияние объемной влажности грунта и изоляции на тепловые потоки в зоне подземных канальных и бесканальных теплопроводов.
Поскольку процессы теплопереноса в этих условиях характеризуются многими переменными, их детальное параметрическое исследование весьма затруднено, и поэтому ниже представлен лишь ряд типичных частных случаев.
Определение величин линейных тепловых потерь qL Вт/м, производилось на основе расчётных схем, описанных в [1, 2]. Зависимость коэффициентов теплопроводности грунта (суглинок) и тепловой изоляции от объёмной влажности принимались по данным [3].
Для удобства анализа, все графики характеризуются следующими одинаковыми исходными данными: диаметры теплопроводов – 0,3 м; глубина заложения – 1,5 м; толщина слоя изоляции – 0,06 м; толщина покровного слоя – 0,005 м. Температура наружного воздуха, а также температуры в подающем и обратном трубопроводах соответственно равны: –1,1; 88; 38 °С.
На рис. 1. показаны величины тепловых потерь канальной прокладки в зависимости от объемной влажности изоляции W и грунта WГ. Материал изоляции – минеральная вата(так как именно она подвергается увлажнению лучше всего); размеры канала в свету – 2,0 х 1,0 м, при толщине стенок канала – 0,1 м. Коэффициент теплопроводности стенок канала – 1,0 Вт/(м-К).
Рис 1. Влияние объёмной влажности грунта и изоляции на величину линейных тепловых потерь канальной прокладки: 1 – Wг=0 %; 2 – Wг=6 %; 3 – Wг=12 %; 4 – Wг=25 %; 5 – Wг=50 %
Рис.2. Линейные тепловые потери при различных режимах работы канальной прокладки
Рис. 2. характеризует величины тепловых потерь при различных режимах работы канальной прокладки с одновременным увлажнением грунта от 0 до 30 %. Здесь приведены следующие случаи: нормальный режим работы (кривая 1); отсутствие изоляции на обратном трубопроводе (кривая 2); отсутствие изоляции на подающем трубопроводе (кривая 3); отсутствие изоляции а обоих трубопроводах (кривая 4); затопление канала из обратного трубопровода (кривая 5).
Из графиков следует, что увеличение объемной влажности грунта Wг от 0 до 50 %, когда Wu= 0 % вызывает рост тепловых потерь в 1,83 раз, когда Wu=15 %, – в 2,08 раз, когда Wu= 30 %, – в 2,16 раз.
При проведении численных экспериментов в вариантах затопления канала сетевой водой величина коэффициента теплоотдачи от покровного слоя к воде и от воды к стенке канала принималась равной 100 Вт/(м2 К).
Рис 3. Влияние объёмной влажности грунта и изоляции на величину линейных тепловых потерь бесканальной прокладки: 1 – Wи=0 %; 2 –Wи=4 %; 3 –Wи=8 %;4 – Wи=12 %;
Анализ полученных кривых показывает, что рост тепловых потерь для разных режимов работы теплотрассы по отношению к проектному при увеличении Wг от 0 до 30 % находился в пределах: 1,48–1,52; 1,98–2,03; 3,75–4,14 раз при отсутствии изоляции соответственно на обратном, подающем и обоих трубопроводах. Затопление же канала сетевой водой из обратного трубопровода увеличивало тепловые потери в 5,30–5,86 раз.
Рис. 3 и 4 относятся к бесканальной прокладке с расстоянием между осями труб – 0,7 м.
Рис. 4. Влияние объёмной влажности грунта на линейные тепловые потери подающего и обратного теплопроводов бесканальной прокладки
Показанные на рис. 3 кривые позволяют судить о том, как меняется величина тепловых потерь в зависимости от изменения одновременно объемной влажности грунта(0<WГ<30 %) и теплоизоляционного слоя. Материал тепловой изоляции – пенополиуретан.
Из приведенных кривых видно, что повышение Wг от 0 до 30 %, когда Wu = 4 %, влечет за собой увеличение тепловых потерь в 2,24 раз; когда Wu = 8 % – в 2,52 раз; когда Wu = 12 % – в 2,56 раз.
Варианты, представленные на графиках рис. 4, относятся к предельному случаю Wu = 0 %. Расчеты показывают, что повышение объемной влажности грунта WГ от 0 до 30 % влечет за собой увеличение тепловых потерь для обратного теплопровода (кривая 1) в 3,00 раза, для подающего (кривая 2) в 1,85 раз. Увеличение суммарных тепловых потерь (кривая 3) при этом составило 202 %.
Таким образом, полученные численные данные могут быть использованы при оценке влияния объемной влажности грунта и изоляции, а также характерных режимов и дефектов работы подземных теплотрасс на величину тепловых потерь.