Материал: Вторинні енергетичні ресурси та енергозбереження - Навчальний посібник (Самохвалов В.С.)


11.2. пасивна економія енергії

Теплоізоляція — захист житлових і громадських споруд, теплових проми­слових установок, трубопроводів від небажаного теплового обміну з оточую­чим середовищем для зниження втрат теплоти. Термін «теплоізоляція» може бути застосованим також у випадку, коли теплоізолюючі матеріали викорис­товуються для попередження втрат холоду із холодильних камер або, що те ж саме, надходження теплоти до них.

Із збільшенням товщини шару теплової ізоляції 5 зменшуються втрати те­плоти у зовнішнє середовище й унаслідок цього збільшується економія тепло­носія, який передається по трубопроводу. Одночасно зі збільшенням товщини шару ізоляції підвищуються затрати, пов'язані з її нанесенням. Тому найбільш вигідна така товщина ізоляції, за якої сумарна величина затрат на ізоляцію і затрат, пов'язаних із втратами теплоти у зовнішнє середовище, мінімальна.

Енергоекономічна споруда — споруда, яка спроектована таким чином, щоб її енергетичне споживання з метою опалення, кондиціонування повітря, освітлення і гаряче водопостачання задовольнялося при мінімальному викори­станні покупної енергії, тобто споруда, яка може експлуатуватися при мініма­льних затратах на енергоносії. Існує велика кількість типів «енергоекономіч-них споруд».

Розглянемо приклад пасивної економії енергії.

Визначення оптимальної товщини шару теплової ізоляції трубопроводів, яка забезпечує мінімальні фінансові витрати [11]. Річні експлуатаційні витрати

£С = С + С, (11.1) де   С( — питома вартість річних затрат на ізоляцію, у.о./(м на рік); Св — питома річна вартість теплових втрат, у.о./(м на рік) :

С = аС[, (11.2) де С — вартість ізоляції, розрахована на 1 м довжини трубопроводу, який ізолюють, у.о./м;

а — величина амортизаційних відрахувань, 1/рік, а = 1/п (п — число років експлуатації ізоляції);

с;=су, 11.3

де С"г — вартість ізоляції, у.о./м3;

V — об'єм ізоляції, м3, який розраховується за формулою:

л(сі + 28)2 і211 V =-±  ^          ±= л8(сІ + 3)1, 11.4

де   І — одинична довжина ізоляції, І = 1 м; сі — зовнішній діаметр трубопроводу, м; 5 -товща шару ізоляції, м;

Св = С'е'-Л 3600, (11.5) г

де  С" — вартість пари, у.о./кг;

т — кількість годин роботи ізоляції протягом року; д — теплові втрати через ізоляцію, Вт або Дж/с; г — теплота конденсації пари, Дж/кг;

д = КАіБ, (11.6) де   К — загальний коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2,К); Аї — різниця температур між парою й повітрям; Б — площа поверхні трубопроводу довжиною один метр, м2;

Б = ткСІ; 11.7

К = -х  р          —, (11.8)

— +     ?т

«і         « . І)

8   сі      2 сі

де а1 — коефіцієнт тепловіддачі від пари, що конденсується, до стінки, Вт/(м2 • К), оскільки 1/а1 невеликий порівняно з двома іншими доданками знаменника, то його величиною можна не враховувати;

5 і X — товща і коефіцієнт теплопровідності ізоляції;

В — зовнішній діаметр ізоляції

В = сі + 25; (11.9)

Вср — середньологарифмічний діаметр шару ізоляції

О   = Е-7 =      28                    (11 10)

 

Величинами "у^ і ураховується вплив товщі шару ізоляції на процес теплопередачі;

«2 — коефіцієнт тепловіддачі від поверхні ізоляції в навколишнє середо­вище:

«2 = С , (11.11)

де АҐ — різниця температур поверхні ізоляції ї і та навколишнього середови­ща (повітря) їп:

А? = і, К; (11.12) С — коефіцієнт, залежний від середньої температури поверхні ізоляції ц й повітря, який можна визначити по таблиці 11.1;

 

середня температура поверхні ізоляції гі і повітря гп, °С:

 

 

2

(11.13) Таблиця 11.1

 

 

 

0

50

100

200

300

400

500

с

1,22

1,14

1,10

1,05

0,95

0,85

0,70

Згідно із правилами техніки безпеки й охорони праці, товщина ізоляцій­ного шару має забезпечувати на поверхні ізоляції температуру ґі не > 50 °С. Товщина ізоляції при цьому зазвичай не перевищує 150 мм.

При розрахунку оптимальної товщини шару ізоляції задаються рядом значень товщини ізоляції й за рівнянням (11.1) з урахуванням рівнянь (11.2)— (11.13) розраховують значення річних експлуатаційних витрат ХС. Мініма­льним сумарним річним витратам відповідає оптимальна товщина ізоляції.

Графічно розрахунок оптимальної товщини шару ізоляції показано на рис. 11.1. У координатах із горизонтальною віссю 8, на якій відкладено     СВ і ХС,

будують криві Сі та Св. Додавши координати кривих Сі і Св, отримаємо криву ХС, яка має мінімум, відповідний найменшим сумарним річним витратам.

Опустивши з точки ХСтіп перпендикуляр на вісь 5, отримаємо значення оптимальної товщини ізоляції 5опт.

у.о / м ■ рік

 

 

Для скорочення програми розрахунку необхідно зменшити кількість вихі­дних даних і перетворити розрахункові рівняння. Зробимо це на конкретному прикладі.

Приклад. Визначити оптимальну товщину шару теплоізоляції 5 труби діа­метром <і = 0,1 м, якщо температура теплоносія всередині труби їп = 120 °С, ціна теплоносія Сп = 0,005 у.о./кг, теплота конденсації теплоносія г = 2207 • • 103 Дж/кг, ціна 1 м3 ізоляції С" = 175 у.о./м3, тривалість роботи трубопроводу про­тягом року т = 8600 год/рік, коефіцієнт теплопровідності ізоляції X = 0,065 ВтУ(м-К), термін роботи ізоляції п = 8 років.

Річну вартість капітальних затрат на ізоляцію визначимо за рівняннями (2.2)-(2.4):

С і = -Сг = -а;л8{3 + 5)) = 8і75ж<?(0,1 + 5) = 68,75 .

 

Ср = С"-т<а3600 = 0,005 • 8600       а          3600 = 70,14 • 10-3 а.

вв     г 2207000 4

За рівнянням (11.5) річна вартість теплових втрат

Се = Св-т<^-3600 = 0, г

За рівнянням (11.6) маємо:

 

д = ККгґ;

¥ = лаЧ = л • 0,1 -1,0 = 0,314м2 / м • довжини; Ы = ьп -гъ = 120 -20 = 100°С; X 0.065

'   5 5

Зовнішній і середній діаметри ізоляції

Б = а + 25 = 0,1 + 25;

Б          25 25

сер

п(1 + —)   1п(1 + —) v    <і' 0,Г

Коефіцієнт тепловіддачі ізоляції в повітря

2     У Б

Для визначення коефіцієнта с необхідно задатися температурою на повер­хні ізоляції. Приймемо її рівною, тоді

= ^ = 40+20 = 30с.

сер      2 2

За значеннями табл. 11.1 знаходимо, що С = 1,17. Оскільки оптимальна температура поверхні ізоляції зазнає незначних змін, то коефіцієнт С прибли­зно будемо вважати постійною величиною:

М' = ^ + ґБ = 40 20 = 20С .

Тоді

а = ^Щ-20-)025 = 1,17(—20—)0,25. 2          сі + 25 0,1 + 25

Нехтуючи величиною а1 за рівнянням (11.8), отримуємо величину, обер­нену коефіцієнту теплопередачі:

1_ =    1           1   =     1                     1          =

К ~      + аг ■ = 0,065•        25        +      (   20   Гда Г0,1 + 25ї =

5   С      2 С       5    1п(1 +25). 0,1     ,   10,1 + 25^    І   0,1 )

0,1 (2.14)

1п (1 + 205) 1

1,1711+205

Річна вартість теплових втрат = 70,14-10-3д = 70,14-10^3 • КА£Г = 70,14 • 10~

 

 

1п (1 + 205)

 

100 • 0,314

 

 

1

 

1,17

20

0,1 + 25

(1 + 25)

 

2,2

 

1п (1 + 25)

1

 

Подпись: 201,17

(1+205)

ч 0,1 + 25 Сумарні річні витрати

ЕЄ = Є, + Єв = 68,75(0,1 + 5

 

1п (1 + 205)

 

2,2

 

1

 

Подпись: 201,17

(1 +205)

,0,1 + 28,

Залежно від заданої мети й наявності попередніх даних про характер змі­ни функції      = /(8) програма розрахунку мінімального значення       за цим

рівнянням може бути складена у кількох варіантах.

Якщо інформація про характер і межі зміни величин Сі, Св і недоста­тня, й необхідно мати повну картину їх змін при різних, то програму розраху­нку складаємо так, щоб задаючи вручну послідовно ряд значень 5, розрахувати за цими рівняннями значення Сі, Св і , які запишемо в таблицю і викорис­таємо для побудови функцій       = / (8) (див. рис. 11.1). Логічна структурна

схема розрахунків має лінійну структуру й не наводиться.

Початкове значення товщини ізоляції приймаємо 5п рівним 0,01 м, перед­бачивши, що шар ізоляції буде більший від цієї величини. Крок зміни 5 при­ймаємо рівним 0.01 м. За необхідності збільшення точності крок має бути зме­ншеним.