Проведено чисельне дослідження тепломасопереносу під вологонасичення теплової ізоляції теплотрубопровода з урахуванням випаровування вологи в пористій структурі теплоізоляційного матеріалу. Встановлено, що облік процесу випаровування дозволяє істотно уточнити величину теплових втрат теплотрубопроводов в умовах затоплення каналів теплових мереж. Робота виконана за підтримки Російського фонду фундаментальних досліджень (грант № 08-08-00143-а).

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Кузнецов Геній Володимирович, Половников В'ячеслав Юрійович


The analysis of heat loss of heat-pipelines in conditions of insulation damping subject to the process of water loss

Heat-and-mass transfer in saturated heat insulation of heat-pipeline has been numerically studied subject to water loss in porous structure of heat-insulating material. It was ascertained that taking into account evaporation process allows specifying significantly the value of heat-pipeline heat loss in conditions of heat network channel flood.


Область наук:

  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології

  • Рік видавництва: 2008


    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ


    Наукова стаття на тему 'Аналіз теплових втрат теплотрубопроводов в умовах зволоження ізоляції з урахуванням процесу випаровування вологи'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз теплових втрат теплотрубопроводов в умовах зволоження ізоляції з урахуванням процесу випаровування вологи»

    ?СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. фістули В.І. Нові матеріали (стан, проблеми, перспективи). - М .: МИСиС, 1995. - 141 с.

    2. Батаев А.А. Композиційні матеріали: будова, отримання, застосування. - М .: Логос, 2006. - 398 с.

    3. Валієв Р.З. Наноструктурні матеріали, отримані інтенсивної пластичної деформацією. - М .: Логос, 2000. - 272 с.

    4. Болтон У. Конструкційні матеріали: метали, сплави, полімери, кераміка, композити: пров. з англ. 2-е изд. - М .: До-дека-XXI, 2007. - 320 с.

    5. Пономарьов С.В., Міщенко С.В., Дивин А.Г. Теоретичні та практичні аспекти теплофізичних вимірювань. У 2 кн. -Тамбов: Изд-во Тамбо. держ. техн. ун-ту, 2006. - Кн. 1. - 206 с .; Кн. 2. - 236 с.

    6. Чернишова Т.І., Чернишов В.М. Методи та засоби неруйнівного контролю теплофізичних властивостей матеріалів. -М .: Машинобудування, 2001. - 240 с.

    7. Фокін В.М., Чернишов В.М. Неруйнівний контроль теплофізичних характеристик будівельних матеріалів. -М .: Машинобудування, 2004. - 276 с.

    8. Parker W.J., Jenkins R.J., Butler C.P. et al. Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity // J. ofAppl. Physics. - 1961. - V. 32. - № 9. - P. 1675-1684.

    9. Варламов Г.Б., Дешко В.І., Карвацький А.Я. Модификационной-ний метод миттєвого джерела для визначення коефіцієнта температуропровідності // Промислова теплотехніка. - 1987. - Т. 9. - № 3. - С. 80-83.

    10. Медведєв В.В. Імпульсний теплової метод визначення теплофізичних характеристик конструкційних матеріалів ядерних реакторів // Фізико-технічні проблеми атомної енергетики та промисловості (виробництво, наука, освіта): Праці Міжнар. науково-практ. конф. - Томськ, 2004. - С. 149.

    11. Пат. 2184952 РФ. МПК6 G01N 25/18. Спосіб неруйнівного контролю теплофізичних характеристик матеріалів / І.М. Іщук, ТА. Фесенко, В.В. Обухів. Заявлено 17.07.2000; Опубл. 10.07.2002, Бюл. № 5. - 3 з.

    12. Каспаров К.М. Дослідження динаміки температури при імпульсному нагріванні методом Фотоемісійні пірометрії // Вимірювальна техніка. - 2006. - № 9. - С. 34-36.

    13. Самарський А.А. Теорія різницевих схем. - М .: Наука, 1983. -616 с.

    14. Кириллин В.А., Сичов В.В., Шейдлін А.Є. Технічна термодинаміка. - М .: Вища школа, 1983. - 416 с.

    15. Коздоба Л.А. Методи рішення нелінійних задач теплопровідності. - М .: Наука, 1975. - 227 с.

    16. Технологічні лазери. Довідник в 2-х т. / Под ред. Г.А. Абільсіінова. - М .: Машинобудування, 1991. - Т. 1. - 431 с.

    17. Андріанов А.М., Баранов В.Г., Годін Ю.Г та ін. Автоматизована установка «Квант-Б» для вимірювання теплофізичних властивостей реакторних матеріалів // Праці VII Російської конф. по реакторному матеріалознавства. - Димитровград, 2003. - С. 87-93.

    Надійшла 22.10.2008 р.

    УДК 621.643.001: 536.2

    АНАЛІЗ ТЕПЛОВИХ ВТРАТ ТЕПЛОТРУБОПРОВОДОВ В УМОВАХ ЗВОЛОЖЕННЯ ІЗОЛЯЦІЇ З УРАХУВАННЯМ ПРОЦЕСУ випаровування вологи

    Г.В. Кузнецов, В.Ю. Половников

    Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Проведено чисельне дослідження тепломасопереносу під вологонасичення теплової ізоляції теплотрубопровода з урахуванням випаровування вологи в пористій структурі теплоізоляційного матеріалу. Встановлено, що облік процесу випаровування дозволяє істотно уточнити величину теплових втрат теплотрубопроводов в умовах затоплення каналів теплових мереж.

    Ключові слова:

    Математичне моделювання, теплотрубопровод, випаровування, фазові переходи, фільтрація.

    Вступ

    Транспортні теплові втрати є важливим показником роботи теплопроводів, що характеризує ефективність витрачання енергетичних ресурсів. Достовірність і точність визначення транспортних втрат тепла в мережах теплопостачання надзвичайно важливі, тому що останнім часом відзначаються їх численні неякісні, істотно завищені оцінки [1] - до 40% всього транспортується тепла, а за деякими даними вони в 5 ... 9 разів перевищують нормативні [1].

    Метою даної роботи є математичне моделювання теплових режимів і чисельний ана-

    ліз теплових втрат теплотрубопроводов в умовах затоплення каналів теплових мереж з урахуванням процесу випаровування вологи в шарі теплової ізоляції.

    Постановка задачі

    Розглядається теплотрубопровод, оточений з усіх боків водою. Передбачається, що вода, проникаючи в пористу структуру теплової ізоляції, формує рухливу кордон, на якій відбувається випаровування вологи, а пара, що утворилася, внаслідок зростання тиску, фільтрується в напрямку до внутрішньої поверхні теплової ізоляції трубопроводу.

    При постановці завдання прийняті наступні допущення:

    1. Теплофізичні властивості речовин є постійними і відомими величинами.

    2. Втрати тепла не впливають на температуру внутрішньої поверхні ізоляції.

    3. Не розглядається процес конденсації пари в шарі теплоізоляції.

    Математична модель

    Розглядається нестаціонарна нелінійна задача тепломассопереноса в поперечному перерізі ізоляції теплотрубопровода. Завдання вирішувалася в циліндричній системі координат, початок якої пов'язаний з віссю симетрії труби. Одномірне нестаціонарне рівняння нерозривності для фільтрується в шарі теплової ізоляції води уявлялося в такій формі:

    т> 0, R < r < R2, + д (Uф = 0; (1)

    дт dr r ж

    рг = const;

    т = 0, R < r < R2, ф = 0; (2)

    т> 0, r = Я2, фг = f. (3)

    Позначення: ф - об'ємна частка компоненти; т-час, с; U - швидкість фільтрації, м / с; r - координата, м; R - межа області розрахунку, м; р-щільність, кг / м3; f-пористість; ж - рідина; 1, 2 - внутрішня і зовнішня поверхні ізоляції.

    Швидкість руху рідини ЦЖ визначалася за законом Дарсі:

    до ін

    (4)

    R <r <R, U = --

    PM R T '

    т = 0, R< r < R2, фп = 0;

    т > 0, r = R

    Ф п = Ф "-

    Швидкість фільтрації пара ип визначалася з рівняння:

    Ж = рип,

    де Ж - швидкість випаровування, кг / (м2-с), що визначається з вираження [2]:

    А (Р - Р)

    "= | (11)

    W =

    2nR

    M

    T (т, R)

    Л ДГ

    г = ^, р = Р; (5)

    г = Я, р = Рг, (6)

    де: до - проникність, м2; л - в'язкість, Па-с; Р-тиск, Па.

    Рівняння нерозривності для парової компоненти уявлялося у вигляді:

    т > 0, Я < г < Я2,

    д (Рп ^ п) + д (ІРФ) + Цр фп = 0; (7)

    дт ДГ г

    Позначення: Рнас - тиск насичення, Па; Рпарц - парціальний тиск, Па; А - коефіцієнт акомодації.

    Парціальний тиск випаровується компоненти в вираженні (11) обчислювалося методом Рі-ділячи-Планка-Міллера [3].

    Об'ємна частка пара на рухомий кордоні випаровування визначалася з наступного співвідношення:

    ФГР = К / (К + Уж) = (тп / Рп) / [(тп / Рп) + (тж / Рж)] де V- об'єм, м3; т - маса, кг.

    Маси пара тп і рідини тж можна знайти з виразів:

    тп =] ЖБёт;

    про

    тж = Рж 5 (Я, - Яр), де? - одинична майданчик, м2.

    Теплофізичні властивості теплової ізоляції розраховувалися як ефективні з урахуванням об'ємних часток кожної компоненти. Так, наприклад, ефективний коефіцієнт теплопровідності ЯФ розраховувався з виразу [4]:

    Я = Я1Вф "+ ЯжФж + Я" фп. (12)

    Тут: Я - коефіцієнт теплопровідності, Вт / (м-К); еф - ефективний; тв - твердий каркас ізоляції.

    Об'ємні частки фп, ФЖ і ФТВ пов'язані між собою і з пористістю матеріалу / наступними співвідношеннями:

    ФТВ + ФЖ + Ф п =!; ФЖ + Ф п = / |

    Рівняння теплопровідності для даної області рішення в одновимірної постановці має вигляд:

    т > 0, Я < г < Я,

    (8)

    (9) (10)

    Тут: М - молекулярна маса парів, кг / моль; Я - газова постійна, Дж / (моль-К); Т - температура, К; ЛМР - координата рухомий кордону випаровування, м; ФГР - об'ємна частка пара на рухомий кордоні випаровування; п - пар.

    дт 1 д Л дт Л F

    сзфрз ^ = -т: Кф r- I-;

    дт r dr

    dr

    V

    т = 0, R1 < r < R2, T = T0 = const; т> 0, r = R1, T = T = const;

    dT

    (13)

    (14)

    (15)

    т> 0, г = Я ,, -Яеф = а (Гг - Токр). (16)

    ДГ

    Позначення: з - теплоємність, Дж / (кг-К); а коефіцієнт тепловіддачі, Вт / (м2-К); 2 - теплота фазового переходу, Дж / кг; ? - Площа, м2; 0 - початковий момент часу; окр - навколишнє середовище.

    Наявність випаровування вологи в пористій структурі теплової ізоляції враховується введенням в рівняння теплопровідності (13) додаткового члена (останній в правій частині). При цьому координата рухомий кордону випаровування д.р визначалася зі спільного рішення системи рівнянь (1) - (16).

    Умова припинення процесів фільтрації пара і води в шарі теплоізоляційного матеріалу вводилося в вигляді рівності тисків:

    де Рп

    Я Т р М

    рп = р + р

    Рст.води: = Рж 8И-

    Тут: Раш - атмосферний тиск, Па; Рст.води -гідростатіческое тиск стовпа води, Па; g -прискорення вільного падіння, м2 / с; до - висота стовпа води над поверхнею ізоляції теплотру-бопровода, м.

    При постановці завдання передбачалося, що на зовнішньому контурі теплотрубопровода теплообмін здійснюється в умовах вільної конвекції. Середні коефіцієнти тепловіддачі в режимах природної конвекції визначалися по критеріальним рівнянням [5]:

    104 < вгРг < 109, Мі = 0,47 (ОгРг) 1/4;

    вгРг > 109, Мі = 0Д (вгРг) 1/3,

    де Nu, Gr, Рг - відповідно числа Нуссельта, Грасгофа і Прандтля.

    Вираз для розрахунку теплових втрат дь, віднесених до одиниці довжини трубопроводу, має такий вигляд:

    еф

    дТ_

    ДГ

    ь

    Перепад тисків, необхідний для розрахунку швидкості фільтрації води, задавався параметрически і відповідав гідростатичного тиску стовпа рідини до над верхньою точкою теплової ізоляції трубопроводу. Висота стовпа рідини до над поверхнею ізоляції трубопроводу варіювалася в діапазоні від 10 до 100 мм (наприклад, різниці тисків 100 Па відповідає шар води завтовшки до = 10 мм).

    Результати досліджень

    Результати численних досліджень наведені в таблицях. Аналіз проводився для періоду часу, відповідного виходу процесів тепломас-сопереноса на стаціонарний режим.

    Обгрунтованість і достовірність результатів чисельних досліджень випливає з проведених перевірок використовуваних методів рішення на збіжність і стійкість на безлічі сіток і виконання умов балансу енергії і маси на кордонах області розрахунку. Похибка по балансу енергії і маси першій-ліпшій нагоді чисельного аналізу не перевищила 0,5%, що можна вважати прийнятним при моделюванні тепломассопереноса в теплової ізоляції теплопроводів.

    У табл. 1 представлені результати чисельного аналізу теплових втрат, а також наведено порівняння отриманих даних з нормативними значеннями [7].

    Таблиця 1. Результати численних досліджень теплових втрат теплопроводів

    Тут: дь - лінійні теплові втрати, Вт / м; Ь - одиниця довжини трубопроводу, м; / 2 - площа зовнішньої поверхні теплотрубопровода, м2.

    Метод рішення і вихідні дані

    Система рівнянь (1) - (16) вирішена методом кінцевих різниць [6]. Рівняння (13) вирішено з використанням неявної чотирьохточкові різницевої схеми, а рівняння (1) і (7) за допомогою схеми «неявний куточок». Різницеві аналоги рівнянь (1) - (16) дозволені методом «прогонки» [6].

    Дослідження проводилися для трубопроводу з діаметром умовного проходу 600 мм і тепловою ізоляцією з мінеральної вати (товщина 70 мм). Значення температури в даній області рішення в початковий момент часу приймалося рівним Т0 = 282 К. Діапазон зміни температури внутрішньої поверхні ізоляції Т1 задавався в межах 373 ... 403 К і відповідав типовим температур теплоносія в теплових мережах. Температура навколишнього теплотрубопровод середовища приймалася рівною Токр = 296 К.

    Ь, м Т, К ф (з урахуванням випаровування), Вт / м Я \ (без урахування випаровування), Вт / м 100% чь Відхилення від СНиП 41-03-2003 [7], од.

    373 992,19 1091,5 9,10 8,74

    0,01 383 997,80 1233,8 19,1 8,07

    393 1017,0 1376,2 26,1 7,62

    403 1019,8 1518,5 32,8 7,10

    373 1010,2 1091,5 7,40 8,89

    0,05 383 1020,4 1233,8 17,3 8,26

    393 1031,9 1376,2 25,0 7,73

    403 1047,1 1518,5 31,0 7,30

    373 1028,9 1091,5 5,70 9,06

    0,1 383 1047,0 1233,8 15,1 8,48

    393 1063,0 1376,2 22,7 7,96

    403 1076,1 1518,5 29,1 7,50

    Попередньо було проведено чисельне моделювання роботи теплопроводу в умовах затоплення каналів теплових мереж з використанням математичної моделі, що не враховує наявність випаровування вологи в пористій структурі теплоізоляції. Математична постановка задачі в цьому випадку аналогічна математичної моделі представленої в даній роботі. Результати чисельного дослідження теплових втрат теплотрубопровода в умовах затоплення без урахування наявності випаровування вологи в теплової ізоляції наведено в табл. 1.

    В результаті чисельного дослідження температурних полів у вологонасичення теплової ізоляції трубопроводу, проведеного на базі математичної моделі (1) - (16) було встановлено, що теплові втрати (табл. 1) теплопроводу в умовах максимального вологонасичення теплоізоляції істотно перевищують нормовану величину тепловтрат [7]. При цьому головним чинником, що впливає на зростання теплових втрат при експлуатації теплопроводів, що мають вологонасичення теплову ізоляцію, є збільшення ефективної теплопровідності ізоляції при насиченні її вологою. Зіставлення результатів чисельного моделювання з нормативними показниками [7] теплових втрат (табл. 1) показує, що ті-плопотері теплопроводу в умовах максимального вологонасичення перевищують нормовану величину у 7 ... 9 разів.

    З даних, наведених в табл. 1, видно, що облік ефекту випаровування дозволяє уточнити величину втраченої теплової енергії при аналізі масштабів тепловтрат трубопроводів, що працюють в умовах зволоження ізоляції. Визначальними параметрами є температура внутрішньої поверхні теплової ізоляції трубопроводу Т1 і висота стовпа води над верхньою точкою ізоляції трубопроводу к. Так, в залежності від значень параметрів Т1 і до, відносна величина лінійних теплових втрат дь змінюється від 5,7 до 32,8%.

    Наслідком наявності випаровування вологи в пористій структурі теплоізоляції трубопроводу є формування поблизу внутрішньої поверхні ізоляції парової прошарку, ширина якої тим більше, чим більше температура Т1 і менше величина к. Новоутворена парова область відіграє роль свого роду «теплоизолятора», що призводить до зниження теплових втрат ( табл. 1). це

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Шишкін А.В. Визначення втрат тепла в мережах централізованого теплопостачання // Теплоенергетика. - 2003. - № 9. -С. 68-74.

    2. Полежаєв Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловий захист. - М .: Енергія, 1976. - 392 с.

    3. Рід Р., Праусніц Дж., Шервуд Т. Властивості газів і рідин.

    - Л .: Хімія, 1982. - 592 с.

    4. Чудновський А.Ф. Теплофізичні характеристики дисперсних матеріалів. - М .: Физматгиз, 1962. - 456 с.

    зниження дь пояснюється тим, що теплопровідність водяної пари істотно нижче теплопровідності води, а, отже, ефективна теплопровідність теплової ізоляції буде відповідним чином зменшуватися, що, в кінцевому підсумку, і приводить до зниження рівня теплових втрат.

    У табл. 2 наведені розміри парової області для даної конфігурації теплотрубо-проводу.

    Таблиця 2. Ширина парової області, м

    Ь, м 0,1 0,05 0,01

    Т, К 373 310-4 410-4 510-4

    383 910-4 1010-4 1210-4

    393 1510-4 1710-4 1810-4

    403 2110-4 2310-4 2510-4

    Як видно з табл. 2, ширина парової області порівняно мала, однак наявність навіть такій малій області «теплоизолятора» призводить до помітного зниження теплових втрат (табл. 1) трубопроводу, що працює в умовах зволоження теплової ізоляції.

    висновки

    Теоретично показано, що теплові втрати теплотрубопроводов, що мають зволожену теплоізоляцію, значно перевищують нормативні значення теплових втрат (до 9 разів).

    Встановлено, що облік наявності ефекту випаровування вологи в шарі теплоізоляційного матеріалу дозволяє істотно уточнити величину теплових втрат теплотрубопроводов в умовах затоплення.

    Робота виконана за підтримки Російського фонду фундаментальних досліджень (грант № 08-08-00143-а).

    5. Уонг Х. Основні формули і дані по теплообміну для інженерів. - М .: Атомиздат, 1979. - 216 с.

    6. Пасконов В.М., Полежаєв В.І., Чудов Л.А. Чисельне моделювання процесів тепло- і масообміну. - М .: Наука, 1984.

    - 288 с.

    7. СНиП 41-03-2003. Теплова ізоляція обладнання і трубопроводів. - М .: Видавництво стандартів, 2004. - 25 с.

    Надійшла 05.09.2008 р.


    Ключові слова: МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ /ТЕПЛОТРУБОПРОВОД /випаровування /ФАЗОВІ ПЕРЕХОДИ /ФІЛЬТРАЦІЯ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити