Уменьшение теплопотерь при транспортировке воды по трубопроводу на газовые промыслы с Ныдинского водохранилища

Ямало-Ненецкий автономной округ, Надымский район, п.г.т.Пангоды

Муниципальное общеобразовательное учреждение «Центр образования»

Конкурс научно-исследовательских проектов учащихся «Газпром - классов» «Ступени»

Исследовательская работа

Уменьшение теплопотерь при транспортировке воды по трубопроводу на газовые промыслы с Ныдинского водохранилища

Автор: Жиренбаева Ирина Ильгизовна, 2005 г.р.

обучающейся  11 а  Газпром - класса МОУ  «Центр образования»

Руководители: Сороколетова Лада Юрьевна, учитель физики первой квалификационной  категории МОУ  «Центр образования»

п.г.т.Пангоды

                                                                  2023

Содержание

Введение

Актуальность выбранной темы связана с тем, что в условиях низких температур при подаче воды по трубопроводу на газовые промыслы с Ныдинского водохранилища необходимо уменьшить теплопотери путем выбора качественного и практичного теплоизоляционного материала из множества утеплителей, представленных на современном рынке.  

Гипотеза: если использовать современные теплоизоляционные материалы с низкой теплопроводностью, то можно уменьшить теплопотери при транспортировке воды по трубопроводу на газовые промыслы

Объект изучения: теплоизоляционные материалы

Предмет исследования: физико-технические свойства теплоизоляционных материалов

Цель: проанализировать свойства теплоизоляционных материалов и определить оптимальный материал для уменьшения теплопотерь при транспортировке воды по трубопроводу на газовые промыслы с Ныдинского водохранилища

Задачи:

- рассмотреть физико-технические свойства теплоизоляционных материалов;

- рассчитать себестоимость теплоизоляционных материалов при использовании трубопровода в условиях низких температур;

- подвести итоги исследований и сделать выводы об эффективности материалов для уменьшения теплопотерь  при транспортировке воды по трубопроводу;

- создать аналитический постер, презентующий выбранный теплоизоляционный материал;

Методы: теоретический анализ и обобщение научно-публицистической литературы; материалов СМИ и Internet - ресурсов; сбор данных; работа с источниками; сравнительный анализ возможных действий и обобщение исследуемого материала;  консультации с сотрудниками Медвежинского ГПУ.

Совокупность данных методов позволяет всесторонне проанализировать предмет исследования и реализовать поставленные в данной работе цели и задачи.

1.1. Общая характеристика трубопровода для транспортировки воды

Для водоснабжения Медвежьего месторождения используются два централизованных групповых водозабора. Один из них  размещается на Пангодинском участке, второй – на Ныдинском участке.

Ныдинский водозабор расположен на левобережье р. Ныда, в междуречье Хэ-Яха и Нгэва-Яха. Водоводы представляют собой стальные трубы Ду 150 сталь – 20; 09Г2С, толщина стенки трубопровода составляет 4,5мм, длина трубопровода между газовыми промыслами в среднем 10 километров, общая протяженность составляет около 200 километров, тепловая изоляция толщиной  50мм из полистирольный скорлупы. При подаче воды должен соблюдаться температурный режим не ниже + 30С  и не выше +300С. Для сохранения температурного режима необходимы материалы, которые обеспечивают теплоизоляцию труб в условиях низких температур.

1.2. Требования, предъявляемые к теплоизоляционным материалам, их свойства

Теплоизоляционные материалы – высокопористые изделия, отличающиеся малой средней плотностью и низкой теплопроводностью, с помощью которых производят теплоизоляцию трубопроводов, стен, полов и т. д.

Теплоизоляция для трубопроводов — это специальный материал, используемый при укладке труб. Основная его функция заключается в обеспечении энергосбережения за счет снижения процесса теплообмена между трубами и внешней средой.

Такое покрытие обязательно для теплосетей, систем кондиционирования воздуха, газонефтепроводов, прочих магистралей, лежащих снаружи или под землей.

Самым главным показателем, характеризующим теплоизоляционный материал, является коэффициент теплопроводности. По нему определяют потерю тепловой энергии из изолируемого объекта/предмета. Низкие значения коэффициента говорят об эффективности утеплителя.
          Учитывая важность роли теплоизоляции для трубопроводов к теплоизоляционным материалам предъявляются следующие требования, закрепленные в СНиП 2.04.14-88 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов»:

• низкое значение удельной теплопроводности – определяющее условие пригодности материала к выполнению основной задачи (теплоизоляции);
• достаточная термостойкость – способность материала сохранять свою структуру и физические характеристики в условиях при различных температурах, не вступая в реакцию с контактируемыми веществами, не становясь катализатором протекания каких-либо химических процессов и не выделяя вредных веществ;
• химическая стойкость – способность материала устойчиво реагировать на органические вещества;
• достаточная гидрофобность – водоотталкивающие свойства, препятствующие промоканию теплоизоляционного слоя, так как заполнение пор материала водой сделает его отличным проводником тепла, одновременно способствующим разрушению трубопровода под воздействием коррозии;
• паропроницаемость – способность утеплителя к быстрому просыханию в случае прямого контакта с водой;
• воздухонепроницаемость – характеристика, исключающая заполнение изоляционного материала под воздействием ветра частицами пыли, повышающими теплопроводность;
• долговечность – материал должен отвечать всем предъявляемым требованиям на протяжении всего срока годности, указанного в инструкции по применению.

Теплоизоляция имеет различные физико-технические свойства, рабочие параметры. Все они отличаются низким уровнем проводимости тепла,  водонепроницаемостью, устойчивостью к сжатию, растяжению, агрессивным химикатам, ультрафиолетовому излучению, огню.

При выборе теплоизоляционного материала также важно учитывать следующие критерии:

• расположение объекта, условия эксплуатации;
• разрешенная нагрузка;
• температура внешней среды.

За счет того, что труба обладает округлой формой, это приводит к значительному увеличению площади контактирования с внешней средой. Это приводит к быстрому остыванию теплоносителя внутри трубопроводов. Потери тепла возрастают при увеличении диаметра используемых труб.

Теплоизолирующие конструкции должны обладать следующими характеристиками:

• теплоизоляционные материалы для труб должны быть плотными и пористыми, не склонными к впитыванию влаги;
• теплоизоляция должна быть в состоянии обеспечить надежную защиту от любых негативных воздействий извне;
• трубопровод не должен перегреваться внутри и замерзать снаружи;
• защита должна иметь быть способна прослужить долго и без потери качества, вне зависимости от подземного или канального способа установки трубопровода.

Современный рынок предлагает широкий ассортимент теплоизоляционных материалов,   которые могут применяться в качестве утеплителя:

1.2.1. Пенополиуретан (ППУ изделия марки "ТИС" из пенополиуретана жесткого литьевого)

1.2.2. Вспененный каучук («техническая термоизоляция третьего поколения») 

Трубки K-FLEX ST - универсальная техническая теплоизоляция ST предназначена для поверхностей с положительными и отрицательными температурами, за исключением объектов с повышенными требованиями к токсичности продуктов горения

1.2.3.  Теплоизоляционная краска (керамическая теплоизоляционная краска «Теплокрас»)

1.3.  Расчет  теплопотерь при транспортировке воды по стальному трубопроводу с изоляцией из полистирольный скорлупы на газовые промыслы с Ныдинского водохранилища

Величина тепловых потерь с участка трубопровода за один час, Вт:

Q = ·1,3

где

D  - наружный диаметр трубы с теплоизоляцией, (м)

d - наружный диаметр трубы, (м)

π – константа (3,14)

L – длина трубы, (м)

tвн – температура жидкости (воды) в трубопроводе, °C;

tн – температура среды окружающей трубопровод, °C;

λ – коэффициент теплопроводности тепловой изоляции, Вт/м²°C;

Вода при нагревании становится более теплопроводной — ее коэффициент теплопроводности увеличивается. Например, при 0°С вода имеет теплопроводность 0,5610 Вт/(м·0С), а при росте температуры до 30°С величина теплопроводности воды увеличивается до значения 0,6154 Вт/(м·0С), соответственно увеличивается теплоотдача.

        Рассчитаем величину тепловых потерь с участка трубопровода длиной 1 м за один час, за сутки и по всей длине трубопровода при крайних значениях воды в магистрали при +30С  и при +300С, а также при средних значениях температура среды окружающей трубопровод в летнее +150С) и зимнее время (-300С).

Для расчетов линейного коэффициента теплопередачи  используем следующие значения: λи = 0,032 Вт/м2·0С (полистирольная скорлупа), D/d = 209/159 мм (толщина изоляции 50мм)                          

Рассчитаем тепловые потери с одного метра трубы за один час по формуле                                                           при различных значениях температуры воды и температуре среды окружающей трубопровод

с теплоизоляцией из полистирольный скорлупы:

1.3.1. С теплоизоляцией из пенополиуретана (ППУ изделия марки "ТИС100 ЭНЕРГО" с покровным слоем из стеклопластика)

Изделия из пенополиуретана марки "ТИС" - это жесткая, не плавкая термореактивная пластмасса с сильно сетчатой структурой, только 3% от объема занимает твердый материал, который образует каркас из стенок и ребер, который  придает материалу механическую прочность, 97% объема занимают поры. Основное направление пенополиуретановой изоляции "ТИС" - производство теплоизоляции для трубопроводов  для регионов крайнего севера.

Таким образом, если сравнить теплопотери при использовании ППУ изделия марки "ТИС ЭНЕРГО" с покровным слоем из стеклопластика и теплоизоляции из полистирольной скорлупы, то тепловые потери уменьшаются в 1,19 раза.

1.3.2. С теплоизоляцией из вспененного каучука (рулоны K-FLEX ST толщиной 50мм)

Таким образом, если сравнить теплопотери при использовании теплоизоляции из вспененного каучука и полистирольной скорлупы, то тепловые потери уменьшаются в 1,1 раза

1.3.3.  С теплоизоляцией из керамической теплоизоляционной краски «Теплокрас» толщина 1,5мм

Таким образом, если сравнить теплопотери при использовании керамической теплоизоляционной краски «Теплокрас» толщина 1,5мм и полистирольной скорлупы, то тепловые потери уменьшаются в 8,4 раза.

1.4. Анализ экономической эффективности использования теплоизоляционных материалов

1.5. Сравнительный анализ эффективности использования теплоизоляционных материалов

Основным показателем, характеризующим эффективность теплоизоляционного материала, является теплопотери, то есть, какое количество тепла пропускает через себя изоляция. Рекомендуемая толщина теплоизоляции для трубы 159/150 для территорий «Север» 55,5мм.

Для расчета была использована формула теплового потока

Q = ·1,3

В качестве критериев качества также использовались: стоимость за 1 м2, срок службы изоляции, класс горючести (безопасность изоляции), и экономия после утепления.                                                В таблице приведены результаты исследования, а именно анализ критериев качества выбранных материалов теплоизоляции:

Заключение

Сегодня на рынке существует широкий спектр теплоизоляционных товаров, который с каждым годом пополняется, так как особое внимание уделяется разработке инновационных теплоизоляционных материалов. Было проведено рассмотрение различных современных типов теплоизоляционных конструкций, подходящих для использования в условиях низких температур и нашедших достаточно широкое применение в России: пенополиуретановая изоляция (ППУ), универсальная техническая теплоизоляция из вспененного каучука, керамическая теплоизоляционная краска «Теплокрас».

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что теплопроводы в керамической теплоизоляционной  краске «Теплокрас»  превосходят теплопроводы в пенополиуретановой  изоляции, вспененного каучука и полистирольной скорлупы по следующим показателям:

• стоимость изготовления;
• простоте монтажа и эксплуатации;
• температуростойкость;
• стойкость изоляции к механическим воздействиям;
• обладают химической и биологической безопасностью, экологичны;
• толщина 0,5 мм соответствует теплотехническим свойствам других изоляций толщиной от 50 до 100мм.

Но сравнительно высокая  стоимость пенополиуретана  по сравнению с изоляцией из вспененного каучука и полистирольной скорлупы компенсируется следующими преимуществами:

• устойчивость к действию атмосферных факторов;
• нетоксичность;
• нейтральный запах;
• прочность;
• не электризуется;
• не гниет;
• устойчивость к пластификаторам, постоянно встречающимся растворителям, кислотам и щелочам;
• экологически безопасен;
• не оказывает вредного влияния на физиологию человека.

Таким образом, проведённый анализ и выбор на его основе лучших теплоизоляционных конструкций позволяет рекомендовать для использования в качестве теплоизоляции скорлупу из пенополиуретана марки «ТИС100 ЭНЕРГО» с покровным слоем из стеклопластика либо керамическую теплоизоляционную краску «Теплокрас»  толщиной 1,5мм, нанесенную в три слоя толщиной по 0,5мм.

Литература

1. СНиП 2.04.14 – 88*  https://docs.cntd.ru/document/871001033 

2. Свод правил СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов

СНиП 41-03-2003», Министерство регионального развития РФ, 2012г

3. Общероссийский классификатор стандартов ГОСТ 9.304 - 87  https://engenegr.ru/gost-9-304-87 

4. Каталог теплоизоляции  http://tutteplo.ru/catalog 

5. Таблица зависимости размера технической изоляции от диаметра труб

https://teh-izolyatsiya.ru/info/articles/kak-podobrat-tehnicheskuju-izoljaciju-dlja-trub-v-zavisimosti-ot-diametra/