Нестругина Ольга Владимировна

Физико-металлургический факультет

Кафедра промышленая теплоэнергетика

Специальность: Энергетический менеджмент

Тема выпускной работы:

Обоснование возможностей использования труб из полимерных материалов с целью повышения энергоэффективности работы тепловых сетей

Научный руководитель: доцент, к.т.н. Гридин Сергей Васильевич

Материалы по теме выпускной работы: Об авторе | Биография | Библиотека | Ссылки || Индивидуальный раздел

Реферат по теме магистерской работы:

Актуальность работы

     В настоящее время очень актуален вопрос экономии энергоресурсов, это относится и к горячей воде. Трубы, используемые для горячего водоснабжения в Украине на данный момент, способствуют утере большого количества тепла по пути к потребителю (до 13%).
     Использование труб из полимерных материалов получило широкое распространение, как в Европе, так и в Украине, и имеет впечатляющую динамику роста. Эти материалы имеют бесспорные преимущества перед металлическими трубами – отсутствие теплоизоляции, коррозийных явлений, большая пропускная способность, небольшой вес, звукоизоляция, отсутствие зарастания микрофлорой, стойкость к воздействию агрессивных веществ, долговечность, простота монтажа и т.п. В водоснабжении также все чаще используются трубы из полимеров как альтернатива трубам из металла, не отличающихся долговечностью.
     В работе будут рассмотрены возможные материалы для замены имеющихся труб, варианты изоляции, и выбран и обоснован лучший путь по итогам расчетов.

Цели и задачи исследования

Цель данной работы состоит в поиске и исследовании альтернативных вариантов замены труб тепловых сетей из полимерных материалов, а также повышении энергоэффективности работы тепловых сетей.
Для достижения указанной цели в магистерской работе поставлены и решены следующие задачи:

исследование и расчет используемых в настоящее время метаалических труб;
исследование и расчет существующих альтернативных вариантов, но малоиспользуемых в настоящее время в Украине;
составление и исследование математической модели производства труб из полимерных материалов;
разработка комплекса методических рекомендаций и практических предложений к проектированию тепловых схем для условий Украины.

Предмет исследования – система критериев, условий и показателей, а также методология, позволяющие определять эффективность систем теплоснабжения и разрабатывать рекомендации по их усовершенствованию с использованием различных вариантов труб, с целью повышения надежности и безопасности теплоснабжения, улучшения состояния окружающей среды и др.
Методы исследования включают создание математических моделей, сравнительный анализ результатов, численные методы, экономический анализ.

Научная новизна

Научная новизна уже проведенных и планируемых в работе исследований предполагается в следующем:

детальное исследование полимерных материалов для замены руб тепловых сетей;
улучшение энергоэффективности работы тепловых сетей за счет применения труб из новых альтернативных материалов;
разработка комплекса методических рекомендаций и практических предложений к проектированию тепловых схем для условий Украины.

Решение этих задач является реальным вкладом в решение проблем энергосбережения и экономии топливно-энергетических ресурсов в энергетике, промышленности и ЖКХ Украины.

Описание результатов работы

В настоящее время для горячего водоснабжения используют следующие варианты труб:

Металлические трубы
Трубы из стеклопластика
Трубы из полиэтилена
Трубы из полипропилена
Трубы из поливинилхлорида
Изоляция металлических труб жестким пенополиуретаном

Современные полимерные трубы отвечают самым высоким требованиям по экологии. Стеклопластик, полиэтилен, полипропилен и поливинилхлорид – это экологически чистые материалы, о чем свидетельствует их сравнительная характеристика по экологическим показателям, приведенная ниже.
При сравнении труб из полимерных материалов можно выделить следующее:

стеклопластиковые трубы имеют максимальную устойчивость к температурным нагрузкам и минимальное линейное расширение, поэтому они наиболее распространены в системах отопления. Высокая эластичность стеклопластиковых труб позволяют легко их изгибать, а алюминиевый слой сохраняет приданную трубе форму. Это обеспечивает во многих случаях как более простой и экономичный монтаж, так и поддержание их работоспособности в процессе эксплуатации;
к достоинствам полиэтиленовых труб относится высокая термоустойчивость (температура самовоспламенения 415 °С), что обеспечивает их широкое использование для отопительных систем, низкие гидравлические потери, высокая прочность соединений. Полиэтиленовые трубы без армирующего слоя имеют высокий коэффициент температурного расширения, поэтому, как правило, используются для скрытой проводки;
полипропиленовые трубы менее термостойки, чем металлопластиковые и полиэтиленовые, поэтому их основное применение - горячее и холодное водоснабжение; применение в отопительных системах ограничено. Вследствие высокой текучести полипропиленовые трубы меняют форму со временем даже под действием собственного веса, поэтому при внешней проводке трубы необходимо крепить через каждые 50 - 60 см. Технология соединения полипропиленовых труб обеспечивает высокую прочность соединения, сравнимую с прочностью самой трубы.

Теперь рассмотрим достоинства и недостатки современных труб для отопления и водоснабжения.
Стеклопластиковые трубы - это пластиковые трубы, при этом основа их стенок выполнена из стекловолокна, а наполнителем стеклопластиковых труб служит эпоксидная или полиэфирная смолы. Преимущества стеклопластиковых труб:

отсутствие в потоке коррозийных частиц безопасно для здоровья;
высокая устойчивость к коррозии и химически агрессивным средам;
стеклопластиковые трубы стойки к абразивному износу;
высокие экологические и санитарно-гигиенические характеристики;
отложения на внутренних стенках трубы на протяжении всего срока эксплуатации практически исключены.
материал труб экологически чистый, герметичность их соединения исключает как утечки транспортируемой жидкости, так и загрязнение ее грунтовыми водами.

Трубы из стеклопластика имеют также ряд недостатков, наиболее существенными среди которых являются гигроскопичность и влагопоглощение, что существенно снижает их работоспособность, а также недостаточная стойкость стеклопластика к истиранию, что обусловливает износ внутреннего слоя смолы, появление оголенного стекла. В этой связи в процессе эксплуатации возможно попадание в поток воды (под давлением) остатков веществ, вредных для здоровья.
Трубы из полиэтилена имеют все достоинства труб на основе полимеров:

высокая прочность;
высокая термостойкость, такие трубы могут эксплуатироваться при рабочей температуре до 90 °С. Трубы из полиэтилена при высоких температурах не "текут", а сохраняют форму;
обладают высокой химической стойкостью, не подвержены коррозии;
не подвержены обрастанию солей и биологическому обрастанию;
экологически чистые;
срок службы полиэтиленовых труб составляет не менее 50 лет.

     Материал внесен в список с положительными экологическими характеристиками. Не имеет токсических выделений. Имеет международный экологический сертификат ISO 14001. Применяется даже в фармакологической промышленности.
    Недостаток: в рабочем интервале температур трубы экологически безопасны, но необходимо строго учитывать, что при температурах, превышающих температуру плавления полиэтилена, возможны выделения оксида углерода, формальдегида, уксусной кислоты, альдегидов; при силановом методе изготовления - насыщенный раствор силана при контакте с оловянными сплавами выделяют метанол. Метанол — яд, действующий на нервную и сосудистую системы, имеет свойство накапливаться в организме. Предельно допустимая концентрация метанола в воздухе равна 5 мг/м3. Наиболее легкая форма отравления характеризуется наличием головной боли, общей слабостью, недомоганием, ознобом, тошнотой, рвотой. Поэтому опасен для жизни не только метанол, но и жидкости, содержащие этот яд даже в сравнительно небольшом количестве.
     Полипропиленовые трубы имеют большое количество достоинств:

экологическая чистота;
срок службы полипропиленовых труб составляет не менее 50 лет;
не наносит вред окружающей среде. Ни при его обработке, ни при утилизации отходов не образуется экологически вредные вещества. Кроме того, полипропилен пригоден для утилизации без добавления экологически вредных веществ.
абсолютно безопасен до температур +120 °С, ничего не выделяет, не разрушается химикатами, не вызывает аллергии, не впитывает запахи, сам ничем не пахнет, срок службы - вечен.

Недостаток: в случае возгорания - горит плохо, но выделяет токсичный дым, хотя в этом отношении гораздо безопаснее полиэтилена и поливинилхлорида.
Трубы из поливинилхлорида экологически чисты, но не выдерживают требований по устойчивости к возможным чрезвычайным ситуациям и пожару, т.к. он является горючим материалом, который при горении выделяет ядовитые газы – оксиды и диоксиды. Поливинилхлорид самый дешевый вид пластика, но и менее всего экологичный. В его состав входит хлор, а при нагреве возможно выделение газа фосгена, вещества, которое обладает удушающим действием. Смертельная концентрация 0,01 — 0,03 мг/л.

Сравнительные характеристики различных вариантов труб
Свойства труб	Варианты труб
Свойства труб	сталь	стеклопластик	полиэтилен	пенополиуретан
Максимальная температура эксплуатации,°С	450-550	1300-1350	95	160
Плотность, кг/м3	7700-7900	1800-2000	910-960	40-70
Теплопроводность, Вт/м К	64	0,75	0,36-0,43	0,03
Стоимость, грн/м	159	796	170,64	15,26
Срок эксплуатации, лет	10-25	>50	50	25-30

Для наглядности и простоты сравнения между материалами приведены гистограммы для всех категорий характеристик труб (Рисунок 1 а-г):

Рисунок – Гистограммы свойств труб

Срок окупаемости для одного погонного метра:

где З – затраты на мероприятие, грн; Т – тариф на горячую воду; в Донецке составляет 17,58 грн/м3; Э – экономия энергоресурса, %.
Стальные трубы:

Стеклопластик:

Полиэтилен:

Пенополиуретан:

Вывод

Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что наилучший материал для замены труб – стеклопластик, он экологически безопасен, имеет наибольшую рабочую температуру, наиболее длительный срок эксплуатации, хотя и является наиболее дорогим материалом, имеющим наибольший срок окупаемости.

Важное замечание

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2011 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты