Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБОГРЕВАЕМЫХ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ИЗОЛИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Пластиковые трубопроводы, в основном из полиэтилена (ПЭ), достаточно широко применяются для транспортировки воды, газов и других жидкостей. Промышленность предлагает достаточно широкий ассортимент полимерных труб различного назначения. Так, в ассортименте продукции Группы ПОЛИМЕРТЕПЛО (Группа ПОЛИПЛАСТИК) представлены обогреваемые предварительно теплоизолированные трубы и фасонные изделия «АРКТИК-У», «ИЗОКОРСИС-У». Они предназначены для хозяйственно-питьевого водоснабжения, напорной и безнапорной канализации при температуре транспортируемой воды от 0 до 40 С°, в том числе в условиях очень суровой зимы [1] при наземной прокладке.

В соответствии с Соглашением о сотрудничестве между Группой компаний «Специальные системы и технологии» (ГК ССТ) и Группой ПОЛИМЕРТЕПЛО было принято решение провести теоретические и экспериментальные исследования особенностей функционирования и расчета характеристик предварительно изолированных полиэтиленовых и стальных трубопроводов, обогреваемых саморегулирующимися кабелями производства ГК ССТ. Образцы труб для экспериментов изготовлены на предприятии Группы ПОЛИПЛАСТИК. Экспериментальные исследования выполнены в испытательном центре ССТ. 

Цель и постановка эксперимента

Эксперименты проводились с целью исследовать реальные характеристики полиэтиленовых предварительно изолированных труб марки АРКТИК-У, обогреваемых саморегулирующимися нагревательными секциями. При этом были поставлены следующие  задачи:

1. Подтвердить возможность защиты от замерзания наземного водовода, изготовленного из труб АРКТИК-У, с помощью саморегулирующегося кабеля 25НТР2-ВТ.

2. Определить экспериментально термическое сопротивление и коэффициент теплопроводности теплоизоляции из вспененного полиуретана, нанесенной на трубу.

3. Проверить соответствие расчетных алгоритмов реальным зависимостям разогрева и охлаждения образцов трубопроводов, заполненных водой.

4. Определить характер распределения тепловых потоков и влияние расположения нагревательного элемента на трубопроводе.

5. Определить влияние материала и формы кабель-канала, в котором прокладывается нагревательная секция. Оценить влияние установленной в кабель-канале аппликационной PET-ленты на мощность тепловыделения кабеля 25НТР2-ВТ.

Размеры образцов, на которых выполнены эксперименты:  

● диаметр напорной трубы – 110 мм;

● внутренний диаметр – 93 мм;

● наружный диаметр по кожуху – 205 мм;

● толщина теплоизоляции из ППУ – 45 мм;

● длина заводской теплоизоляции – 2750 мм;

● полная длина труб – 3272 мм.

По требованиям эксплуатации защита от замерзания должна быть обеспечена в интервале температур окружающей среды от –50 до +5 °С. Мощность обогрева, необходимая для поддержания +5 °С при температуре воздуха –50 °С, составляет 20,5 Вт/м с коэффициентом запаса 1,2. Ближайший подходящий по мощности нагревательный кабель – 25НТР2-ВТ – имеет номинальную мощность 25 Вт/м при 10 °С. Он и был использован в данном эксперименте.

Для уточнения теплоизолирующих характеристик тепловой изоляции трубы проведены два эксперимента.

В первом труба заливалась теплой водой с температурой около 40 °С, и фиксировался ход остывания воды. Температура воздуха в этом опыте составляла около 0 °С. 

Во втором исследовался ход остывания трубопровода, заполненного водой, после отключения нагревательной секции. Температура воздуха во втором опыте колебалась около –1 °С. 

Результаты эксперимента 

Первый опыт проводился на образце с круглым кабель-каналом. Исследовалась скорость охлаждения горячей воды, залитой в трубу (рис. 1). Расчетная кривая охлаждения приводилась к виду экспериментальной кривой путем подбора коэффициента теплопроводности теплоизоляции. Расчеты выполнены с использованием алгоритмов, приведенных в работе [2]. Из рассмотрения был исключен начальный участок быстрого падения температуры, связанного со стабилизацией тепловых потоков от теплой воды. Получено значение коэффициента теплопроводности λ=0,03 В/м•К. Это значение использовалось в дальнейших расчетах.

 

Второй опыт по уточнению режима охлаждения выполнен при более низкой температуре окружающего воздуха. После того, как в течение 150 часов труба поддерживалась в нагретом состоянии с помощью нагревательной секции, последняя была отключена. Экспериментальная и расчетная кривые показаны на рис. 2. 

Хорошее совпадение экспериментальной и расчетной кривых достигается, если положить, что коэффициент теплопроводности теплоизоляции из ППУ имеет значение 0,028–0,029 Вт/м•К.  

Для проверки правильности алгоритма расчета разогрева стоячей воды в ПЭ трубе использованы данные, полученные в ходе исследований при низких температурах воздуха. Измерения проводились в трубе с плоским кабель-каналом с прижимом; нагреватель был расположен сверху в положении «на 1 час» (рис. 3).

Начальная температура воды была 8–9 °С. В ходе эксперимента температура воздуха была в диапазоне минус 17–20 °С и не поднималась выше минус 12°С. Результаты эксперимента показаны на рис. 4.

 

Далее выполнен расчет постепенного разогрева воды в трубе и сопоставление его результатов с экспериментальными данными. Для расчетов принято, что коэффициент теплопроводности теплоизоляции равен 0,03 Вт/м•К. Расчетный график изменения температуры воды в трубе показан на рис. 5. Расчетная кривая практически полностью совпадает с экспериментальной, но при условии, что поток тепла, поступающий в жидкость, равен 15,3 Вт/м (84 % от общей мощности секции).

Процесс разогрева наблюдался в течение 200 часов. За это время средняя температура воды поднялась до 32 °С, а кабель разогрелся до 54 °С. К концу периода разогрева линейная мощность секции упала до 14 Вт/м, а температура воздуха составляла около минус 5 °С. 

Для анализа тепловых полей в обогреваемой трубе использованы методика, отработанная в работе [3], и пакет компьютерного моделирования ELCUT [4]. Исходные данные взяты из эксперимента с разогревом трубопровода (рис. 6). Результаты моделирования показаны на рис. 7 и 8. В табл. 1 приводится сравнение данных, полученных в двух экспериментах и на модели. Совпадение эксперимента и расчета достигается, если положить, что прижимная лента плотно соприкасается с кабелем и кабель-каналом, а вода имеет приведенную теплопроводность 1,2 Вт/м•К. 

  144 55

Таблица 1. Сравнение данных распределения температуры при включенном нагревателе по результатам эксперимента и моделирования теплового поля

144 55a

На рис. 8 показано, что перепад температуры от точки установки нагревателя до противоположной стороны трубопровода составляет около 17 °С. 

Качественную оценку потока тепла, поступающего в воду, дает рис. 9, из которого видно, что часть тепла уходит напрямую от нагревателя в окружающую среду. 

 144 56

Рис. 9. Распределение потоков тепла от нагревательного элемента при его верхнем расположении

Для оценки влияния расположения нагревательного элемента проведены эксперименты при верхнем и нижнем расположении нагревателя. Результаты экспериментов представлены на рис. 10 и 11.

 144 56a

Как видно из рисунков 10 и 11, нижнее расположение нагревателя обеспечивает более равномерный нагрев воды в трубе. Именно этот способ размещения нагревателя рекомендуется при прокладке трубопровода на открытом воздухе. 

При прокладке в земле используется верхнее расположение нагревателя. Такое расположение препятствует охлаждению трубопровода за счет компенсации теплового потока от верхней поверхности рабочей трубы к поверхности земли, которая зимой имеет температуру существенно ниже температуры грунта, расположенного под трубой. 

Влияние конструкции кабель-канала иллюстрирует рис. 12, на котором показан ход разогрева труб с плоским и круглым кабель-каналами. Нагреватели расположены снизу. В трубе с плоским кабель-каналом и прижимным элементом теплопередача реализуется более интенсивно, поэтому вода в этой трубе разогревается сильнее (красные линии). К концу периода разогрева температура в трубе с круглым кабель-каналом нагрелась примерно на 5 °С ниже, чем в аналогичной трубе с плоским кабель-каналом.

  

За счет ухудшенной теплопередачи от нагревательной секции, помещенной в круглый кабель-канал, кабель разогревается сильнее и теряет часть мощности (рис. 13), что и приводит, к конечном счете, к более слабому разогреву воды. В первый момент после включения происходит быстрый разогрев нагревательных кабелей. Ход изменения линейной мощности нагревательных кабелей противоположен температурному ходу. Мощность кабеля в плоском кабель-канале выше. 

Результаты эксперимента, представленные на рис. 12 и 13, показывают, что применение плоского кабель-канала и прижимной ленты повышает энергоэффективность системы обогрева (рис. 14).

Как видно из рис. 14, к концу периода разогрева температура воды в трубе с плоским кабель-каналом и прижимной лентой на 20 % выше, чем в аналогичной трубе с круглым кабель-каналом. При этом линейная мощность нагревательной секции выше на 27 %, температура секции ниже на 16 %. Таким образом, использование плоского кабель-канала и прижимного элемента позволяет снизить потребление энергии и одновременно понизить температуру, до которой нагревается кабель, что повышает его надежность. 

 

Выводы

В ходе экспериментов, проведенных в испытательном центре ССТ, получены следующие результаты:

1. Подтверждена возможность защиты от замерзания наземного водовода, изготовленного из труб марки АРКТИК-У с помощью саморегулирующегося кабеля 25НТР2-ВТ.

2. Экспериментально определено термическое сопротивление и коэффициент теплопроводности теплоизоляции из вспененного полиуретана. Значение коэффициента теплопроводности теплоизоляции, рекомендуемое для проектных расчетов, равно 0,028 – 0,030 Вт/м•К. 

3. Подтверждена правильность расчетных алгоритмов, используемых в ССТ для расчета режимов разогрева и охлаждения полимерных обогреваемых трубопроводов. 

4. Расположение нагревательного элемента (вверху или внизу) существенно влияет на теплопередачу в воду при отсутствии потока. Экспериментально показана необходимость размещать нагревательный элемент снизу.

5. Установлено существенное влияние формы кабель-канала, в котором прокладывается нагревательная секция. Отмечен положительный эффект от установленной в кабель-канале аппликационной PET-ленты на мощность тепловыделения саморегулирующегося кабеля. Показано, что применение данного решения повышает энергоэффективность системы обогрева.

 

Литература

1. Желваков Е.М. Особенности применения предварительно изолированных полиэтиленовых трубопроводов. – Промышленный электрообогрев и электроотопление, 2013, №2, с. 40–42.

2. Хренков Н.Н., Дегтярева Е.О. Расчет режимов остывания и разогрева трубопроводов. – Промышленный электрообогрев и электроотопление, 2011, №2, с. 20–23.

3. Хренков Н.Н. Сопоставление температурных режимов обогрева стальных и пластиковых трубопроводов. – Промышленный электрообогрев и электроотопление, 2014, №1, с. 28–33.

4. Программный комплекс ELCUT моделирования двумерных полей методом конечных элементов. Версии 5.8 и 6.0. ООО «Тор». 

Авторы:  Н.Н. Хренков, Г.А. Мишин, Е.М. Желваков, А.В. Пивоваров

 

 

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА