3.2. Математическое моделирование процессов тепломассообмена в сетевых трубопроводах систем теплоснабжения

Системы теплоснабжения подразделяются на системы с централизованным и децентрализованным источниками тепловой энергии. К ним соответственно относятся ТЭЦ и АТЭЦ, районные, местные и автономные котельные.

В зависимости от централизации систем теплоснабжения сетевые трубопроводы могут быть достаточно протяженными.

В настоящем разделе рассматривается математическое моделирование процессов тепломассообмена в тепловых сетях с целью получения расчетных зависимостей для определения теплопотерь /34/, Особенно важна эта проблема для протяженных тепловых сетей, так как при нарушении изоляции на отдельных участках потери могут достигать 30-40% от общих тепловых потоков теплоносителя, транспортируемого по тепловым сетям.

В сетевых трубопроводах отложения составляют около 1 мм в год. При эксплуатации тепловых сетей необходимо оценить их теплопотери.

С этой целью разработана математическая модель тепломассообмена в сетевых трубопроводах, позволяющая рассчитать теплопотери при транспорте теплоносителя от котельной до потребителя /34/.

Рассмотрим полубесконечный участок тепловых сетей. Начало координат поместим в начале сетевого трубопровода диаметром d. Пусть известно, что в начале координат размещен источник теплоснабжения (котел, сетевой подогреватель), который генерирует количество теплоты Q. Примем также, что

теплоноситель движется по направлению оси ОХ со скоростью U. В такой постановке задачи определим установившуюся температуру в произвольной точке X, если известно, что коэффициент теплопередачи в окружающую среду через стенки и изоляцию трубопровода равен К. Данная математическая модель включает уравнение энергии и граничные условия первого рода. Можно считать, что теплоноситель вода, так как она практически несжимаема, движется в виде стержня диаметром d, который охлаждается в результате теплообмена в окружающую среду.

где р—плотность теплоносителя, П - смоченный периметр: для круглых трубопроводов f-площадь живого сечения: f~ , а - коэффициент

4

температуропроводности теплоносителя воды, toc- температура окружающей среды; примем, что toc=0.

Применяя теорию источников и стоков /26/ для установившейся температуры, получим решение данной задачи в безразмерном виде /34/:

Из уравнения (3,11) определяется тепловой поток в сетевых трубопроводах, если известна средняя по сечению трубопровода температура сетевой воды с учетом теплопотерь в окружающую среду, которые учитываются через термические сопротивления, входящие в коэффициент теплопередачи:

теплового потока с учетом теплопотерь в окружающую среду.

В расчетах и экспериментах принималась длина сетевого трубопровода, равной 50 м, внутренний диаметр 100мм. Трубопровод проложен в бетонном канале. Толщина тепловой изоляции из минераловатных плит составила 100 мм. Коэффициент теплопроводности в расчетах принимался равным Я =0,05 Вт/(м» К). Расчетная скорость прямой сетевой воды составила 1 м/с.

В опытах определялись температура сетевой воды на выходе из котельной и при входе в отопительные стояки жилого дома, тепловой поток определялся на основе показаний теплового счетчика марки ВЭПС-ТИ2-40 с вычислителем КСТВ-АЗ, установленного на выходе из котельной. Тепловой поток на входе в стояки рассчитывался по уравнению (3.9) с учетом экспериментально полученных температуры и расхода прямой сетевой воды, определяемого ультразвуковым расходомером жидкости "Portaflow МК-11R".

На рис.3.2-3.3 приведены расчетная зависимость (3.12) и экспериментальные

Рис.3.2, Зависимость изменения теплового потока в коротких тепловых сетях модульной котельной с учетом теплопотерь

Рис.3.3.Изменение установившейся температуры в коротких тепловых сетях модульной котельной

данные по изменению теплового потока в коротких тепловых сетях модульной котельной с учетом теплопотерь и установившейся температуры по длине /34-35/.

составляют не более 8,5% на длине 50 м. Линейные потери составляют Q[= 170 Вт/м. Опыты показали удовлетворительную сходимость теории и эксперимента. На протяженных тепловых сетях теплопотери выше (штрих-пунктирная линия, рис.3.2) из-за больших диаметров сетей и менее эффективной тепловой изоляции на больших диаметрах (худшее прилегание к стенкам, наличие неплотностей).

Анализ изменения температуры прямой сетевой воды по длине тепловых сетей децентрализованного теплоснабжения показал (рис.3.3), что на 50 м длины температура падает с 95°С до 90,5°С.