Правила расчета мощности обогрева трубопроводов

Системы кабельного электрообогрева широко используются в промышленности и строительстве. Применение систем кабельного электрообогрева позволяет решать такие задачи как:
• поддержание технологической температуры трубопровода;
• разогрев трубопровода вместе с содержащимся в нем продуктом.

Принцип действия систем электрообогрева, предназначенных для поддержания технологической температуры, состоит в компенсации тепловых потерь трубопровода. В отдельных случаях подобную систему используют для разогрева трубопроводов с целью повышения температуры содержащейся в них жидкости, одновременно с компенсацией тепловых потерь, имеющих место в данном процессе. Оба этих варианта могут иметь место как для трубопроводов в режиме останова, так и для трубопроводов с постоянной прокачкой продукта.

Несмотря на то, что системы электрообогрева прочно заняли свое место в российской промышленности, вопросы проектирования систем электрообогрева, в частности, расчет тепловых потерь обогреваемого объекта, практически не освещен в нормативных документах, действующих на территории РФ. В проектных организациях обычно базируются на строительных нормах и правилах, но специальный СНиП, в котором бы давались рекомендации по расчету характеристик систем обогрева для трубопроводов, отсутствует. Некоторые соображения можно позаимствовать из документов касающихся проектирования тепловой изоляции: СП 41-103- 2000, СНиП 41-03-2003. Однако в них нет четких рекомендаций к расчету и нормированию тепловых потерь обогреваемых трубопроводов. В данной статье приводятся основные рекомендации по расчету тепловых потерь трубопроводов, которые применяются при проектировании систем электрообогрева. При этом мы базировались на стандарт ГОСТ Р МЭК 62086-2-2005 «Нагреватели сетевые электрические резистивные. Требования по проектированию, установке и обслуживанию». Рекомендации по расчету разогрева трубопроводов будут даны нами в следующих публикациях.

Процесс передачи тепла от трубопровода в окружающую среду осуществляется теплопроводностью через стенку трубопровода, теплоизоляцию и защитную оболочку и далее конвекцией в окружающую среду (рис.1). 

Рис.1. Процесс передачи тепла от трубопровода в окружающую среду

На рисунке показано, что тепло от жидкости внутри трубы рассеивается в окружающую среду, причем интенсивность теплового потока тем меньше, а градиент температуры тем больше, чем больше термическое сопротивление тепловой изоляции. Согласно гОСТ Р МЭК 62086-2-2005 расчет потерь тепла следует выполнять по формуле (1):

где T_p – требуемая температура поддержания, °С T_a – минимальная расчетная температура окружающей среды, °С R₁ – термическое сопротивление трубопровода, (м∙К)/Вт R₂ – термическое сопротивление теплоизоляции, (м∙К)/Вт R₃ – термическое сопротивление защитной оболочки, (м∙К)/Вт R₄ – термическое сопротивление конвективной теплоотдачи в окружающую среду, (м∙К)/Вт Термическое сопротивление отдельных слоев: стенки трубопровода, тепловой изоляции, защитной оболочки рассчитывается по формуле для цилиндрической стенки:

где D_{н_i} – наружный диаметр трубопровода /теплоизоляции/ защитной оболочки, мм d_{вн_i} – внутренний диаметр трубопровода /теплоизоляции/ защитной оболочки, мм λ_i – теплопроводность трубопровода /теплоизоляции/ защитной оболочки, Вт/(м∙К) Термическое сопротивление конвективной теплоотдачи поверхности трубопровода в окружающую среду:
где α – коэффициент конвективной теплопередачи, Вт/(м2 ∙К). D – наружный диаметр защитного покрытия, мм.

Очевидно, что термическое сопротивление стальной стенки трубопровода и стальной защитной оболочки крайне мало и в расчетах ими можно пренебречь. Но в случае выполнения трубопровода и защитной оболочки из пластиков следует учитывать их термическое сопротивление. Существенное влияние на величину тепловых потерь оказывает термическое сопротивление теплоизоляции, то есть ее толщина и теплопроводность. Основная функция теплоизоляции – снижение большей части тепловых потерь от трубопровода. Оставшуюся часть тепловых потерь должна скомпенсировать система электрообогрева. Соответственно, чем больше толщина теплоизоляции и меньше ее теплопроводность, тем меньше тепловые потери и экономичнее система электрообогрева. Однако, при чрезмерном увеличении толщины теплоизоляции, затраты на нее окажутся несоизмеримо больше затрат на электроэнергию. На рис. 2 приведен график соотношения тепловых потерь и массы теплоизоляции на примере трубопровода диаметром 108 мм, теплоизоляция – минеральная вата. На рисунке видно, что применение теплоизоляции толщиной более 80 мм становится неэффективным.

Рис. 2. Соотношение тепловых потерь и толщины теплоизоляции на примере трубопровода диаметром 108 мм

Согласно СНиП 41-03-2003 в качестве минимальной расчетной температуры окружающей среды следует принимать среднюю температуру наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0.92 для данного региона (для оборудования и трубопроводов, расположенных на открытом воздухе и имеющих поверхности с положительными температурами). В то же время ряд проектных организаций за минимальную температуру окружающего воздуха принимают абсолютную минимальную температуру. Как показано в работе [2] оптимальным является следующее решение: Для труб малых диаметров (менее 100 мм) в качестве минимальной температуры окружающей среды принимать абсолютную минимальную температуру.

Для труб диаметром более 100 мм в качестве минимальной температуры окружающей среды принимать температуру наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0.92. В теоретическом расчете тепловых потерь, как правило, не учитываются недостатки, связанные с фактической работой системы электрообогрева, например разрушение и ухудшение свойств теплоизоляции в процессе эксплуатации, колебания и падение напряжения питания, качество монтажа теплоизоляции. Для нивелирования данных факторов к рассчитанному значению тепловых потерь добавляется коэффициент запаса. Согласно рекомендациям гОСТ Р МЭК 62086-2- 2005 значение коэффициента запаса лежит в диапазоне 10% – 25%. Основываясь на многолетнем опыте проектирования и монтажа систем электрообогрева, ООО «ССТ» допускает увеличение коэффициента запаса до 36%. Однако коэффициент запаса не решает всех проблем при проектировании систем обогрева. Для корректного учета потерь тепла через крупногабаритные опоры и прочие фитинги необходимо проводить специальные расчеты и экспериментальные исследования. (Примечание редакции: В данном номере журнала публикуется статья И. Чернова об обследовании тепловых потоков на неподвижных опорах и противопожарных вставках.) В действующем на данный момент гОСТ Р МЭК 62086-2- 2005 нет четких рекомендаций по данному вопросу. Инженеры компании «ССТ» широко используют методы математического моделирования, позволяющие с высокой степенью точности определить тепловые потери того или иного объекта. Одна из наиболее часто встречающихся задач – определение тепловых потерь резервуара на седловых нетеплоизолированных опорах. На рис.3 показано температурное поле резервуара диаметром 1400 мм.

Рис. 3. Температурное поле резервуара на седловой опоре

В данном случае потери через нетеплоизолированную опору составили 350 Вт. Выбор нагревательного кабеля представляет собой многофакторную задачу. С одной стороны, нагревательный кабель должен скомпенсировать тепловые потери трубопровода. С другой стороны, необходимо обеспечить термическую устойчивость системы электрообогрева. грамотно спроектированная система электрообогрева не должна превысить максимально допустимую температуру трубопровода и содержащегося в нем продукта. Это особенно важно при обогреве трубопроводов, расположенных во взрывоопасных зонах. Согласно рекомендациям гОСТ Р МЭК 62086-2-2005 максимальная температура металлического трубопровода может быть определена по формуле:

где P_hc – выходная мощность нагревательного кабеля, Вт/м Необходимо отметить, что нагревательный кабель также должен быть защищен от перегрева и воздействия температуры, превышающей максимальную допустимую температуру его применения. То есть максимальная технологическая температура трубопровода не должна превышать максимально допустимую температуру нагревательного кабеля. Под максимальной технологической температурой понимается наивысшая температура, которую иногда может приобретать трубопровод. Воздействие такой температуры, как правило, носит кратковременный характер, например при пропарке трубопровода. В остальное время на трубопроводе требуется поддержать относительно невысокую температуру. В некоторых случаях вместо применения более температуростойкого нагревательного кабеля целесообразно использовать двухслойную изоляцию с размещением кабеля не на трубе, а по первому слою тепловой изоляции. На рис. 4 показан случай, когда нагревательный кабель помещают между двумя слоями теплоизоляции, покрывающей трубу.

Рис.4. Обогреваемый трубопровод в двухслойной теплоизоляции и схема размещения нагревательного кабеля

При правильном сочетании толщин теплоизоляций и их типов, температура на поверхности контакта нагревательного кабеля и внутренней теплоизоляции не превысит допустимого значения. Компания «ССТ» широко использует данный метод при обогреве коротких импульсных линий с высокой максимальной технологической температурой. За счет малой длины трубопроводов (до 2 м) наиболее оптимальным вариантом нагревательного элемента будет саморегулирующийся кабель. Однако максимальная температура применения саморегулирующихся кабелей составляет 230 ºС. Применение двухслойной изоляции позволяет применять саморегулирующиеся кабели при температуре воздействия свыше 500 ºС. В гОСТ Р 62086-2-2005 описан такой способ обогрева трубопроводов, однако нет четких указаний по расчетам теплоизоляции и нагревательного кабеля. Инженеры компании «ССТ» разработали методику расчета трубопроводов с двойной теплоизоляцией, основанную на методах математического моделирования. При выполнении подобных расчетов необходимо уделять пристальное внимание температурным режимам нагревательного кабеля. Так как передаче тепла от кабеля в продукт будет препятствовать внутренний слой теплоизоляции, то мощность кабеля и его расход должны быть завышены по сравнению с обычным трубопроводом. В то же время, конструкция двухслойной теплоизоляции обеспечивает работу нагревательного кабеля при повышенных температурах. На рис. 5а и 5б показано распределение температуры трубопровода диаметром 18 мм, толщина внутренней теплоизоляции – 20 мм, внешней теплоизоляции – 20 мм; требуемая температура поддержания +5 ºС. Максимальная температура воздействия составляет +300 ºС. Для обеспечения требуемого температурного режима в данном случае используется саморегулирующийся нагревательный кабель 15 ВТХ2- ВР мощностью 15 Вт/м при температуре +10 ºС. Как видно из рис.5а, выбранная марка кабеля обеспечивает поддержание температуры +5 ºС, и в то же время, температура кабеля не превышает максимально допустимую для него температуру 230 ºС. 

Рис.5а. Температурное поле трубопровода ø18 мм


Рис.5б. График распределения температуры по радиусу трубопровода

Описанный выше подход к методике расчета мощности обогрева типовых трубопроводов используется в программе «Тепломаг», разработанной специалистами компании «ССТ». Программа позволяет не только рассчитать тепловые потери трубопроводов, но и автоматически выбрать оптимальную марку кабеля для конкретного трубопровода, а также составить спецификацию оборудования. Программа проста в использовании и не требует длительного обучения.

Рис.6. Внешний вид программы «Тепломаг»

Имеющейся на данный момент нормативной документации недостаточно для полноценного проектирования систем электрообогрева. Несмотря на это, накопленный опыт позволяет специалистам компании «ССТ» решать самые разнообразные задачи. Разработанные нами методики расчета тепловых потерь фитингов, методики расчета трубопроводов с двухслойной теплоизоляцией, а также исследования по расчету мощности обеспечивают качественное проектирование систем электрообогрева.