К вопросу о вентиляции камер и каналов тепловых сетей

К вопросу о вентиляции камер и каналов тепловых сетей.

к.т.н. С.М. Воронин, НПК «Вектор», Москва

Одной из причин, снижающих сроки эксплуатации тепловых сетей, является наружная коррозия труб, которая по механизму протекания относится к электрохимической. Для протекания этого коррозионного процесса необходим контакт металлической поверхности с водой, или ее следами в присутствии кислорода воздуха. Для тепловых сетей наиболее характерны следующие виды коррозии: атмосферная — коррозия металла во влажной атмосфере тепловых каналов; почвенная — коррозия трубопроводов под слоем теплоизоляции, из-за капиллярно-пористой структуры применяемых материалов; электрокоррозия — коррозия металлов из-за блуждающих токов; коррозия в электролитах — из-за затопления участков теплотрасс. Поскольку большинство теплотрасс имеет канальную прокладку, то атмосферная и почвенная коррозии являются преобладающими, что подтверждается статистическим анализом результатов инженерной диагностики, проводимым на предприятиях «Мостеплоэнерго» с 1996 г.

Скорость коррозионных процессов при атмосферной и почвенной коррозии зависит от степени увлажнения поверхности металла, и определяется температурой и влажностью воздуха. Замеры температуры, влажности в тепловых камерах и каналах показывают, что средняя температура колеблется от 28⁰ до 34⁰, средняя относительная влажность от 65% до 80%. Только в 10% обследованных камер влажность не превышала 50%. Наиболее тяжелые условия наблюдаются в зимний период. В это время из-за таяния снегового покрова над теплотрассами, вызванного перепадами температуры, влага попадает в тепловые каналы. На всех обследованных объектах величина влагосодержания теплоизоляции составляла 20−30%, что увеличивает теплопотери в 2−2,5 раза. Непроветриваемая атмосфера в канале ведет к тому, что в воздухе присутствуют газы, образующиеся от распада органических веществ, что увеличивает скорость коррозии. Намокание стен и перекрытий тепловых каналов вызывает разрушение силовых элементов. Поэтому микроклимат определяет не только коррозионные процессы, в камерах и тепловых каналах, но и величину теплопотерь. Рассмотрим коррозионные процессы и условия их протекания.

Влияние метеорологических параметров на коррозионные процессы Мокрая атмосферная коррозия проходит при наличии на поверхности металлов видимой влажной пленки. При влажности более 55−65% резко увеличивается скорость коррозии. Особенно этот вид коррозии отмечается в тепловых камерах, где удельная повреждаемость трубопроводов тепловых сетей на 1 п.м. больше, чем на остальных участках в 10−20 раз. Причина в конденсате, который образуется на холодных перекрытиях, находящихся у поверхности. Также вода через неплотности крышек люков попадает на трубопроводы, что приводит к их интенсивной коррозии. Если камеры расположены под дорогами, то на трубопроводы вместе с водой попадает и соль. Особенно активно коррозионные процессы развиваются на подающем трубопроводе, из-за более высокой температуры теплоносителя. В частности, из-за вскипания воды в пристенном слое и внутри продуктов коррозии, происходит их разрушение и проникновение воды к не прокорродированным слоям металла. тепловой коррозионный метеорологический вентиляция Другой причиной мокрой коррозии является попадание капель воды с перекрытий на поверхности труб. В местах протечек воды, через сальниковые уплотнения задвижек, влажность воздуха составляет 100%, что при высокой температуре теплоносителя ведет к выпадению конденсата на поверхности металла и образованию видимой влажной пленки. Также мокрой атмосферной коррозии подвержены нижние участки труб, обращенные к грунту.

Влажная атмосферная коррозия протекает под тончайшим, невидимым слоем влаги электролита, образующимся вследствие конденсации при относительной влажности воздуха меньше 100%. Причиной появления влаги на поверхности является капиллярная конденсация, центрами которой являются щели между осевшими частицами пыли и поверхностью металла, поры в окисной пленке, продукты коррозии. Испарение влаги сопровождается образованием на поверхности гидрофильных соединений и солей (обычных в условиях атмосферы тепловых каналов). Их наличие вызывает конденсацию влаги уже при 70−80% относительной влажности воздуха из-за уменьшения равновесного давления насыщенного пара над поверхностью с солью.

Еще один вид коррозии — почвенная коррозия металла труб под слоем теплоизоляции. Наиболее характерным для нее является наличие язв на отдельных участках труб. Из-за попадания капели с перекрытий на поверхность тепловой изоляции, образуются участки с разной по длине трубы степенью влажности. Это вызывает неодинаковую кислородную проницаемость, т. к. скорость конвекционной и диффузионной подачи кислорода по порам, наполненным воздухом, на несколько порядков выше, чем скорость подачи кислорода по порам с жидкостью.

В общем случае, процессы тепловлагообмена в тепловых каналах можно рассматривать в двух видах: явное тепло — нагрев или охлаждение воздуха, и скрытое тепло — увеличение или уменьшение влажности воздуха. Тепловой режим в тепловых каналах определяется конвективным теплообменом между поверхностью труб теплосети, поверхностями стен каналов и почвой. Влажность воздуха зависит от влаговыделения, источниками которого являются: открытые водные поверхности, образованные из-за подтопления камер, осадков попадающих через неплотности люков, протечек через сальниковые уплотнения задвижек; смоченные поверхности стен, перекрытий и грунта, мокрая теплоизоляция, свищи.

Появление капели на перекрытиях каналов вызвано тем, что из-за испарения воды происходит насыщение воздуха влагой. Нагретый воздух от труб поднимается вверх и при температуре стен меньше температуры мокрого термометра содержащийся в воздухе пар конденсируется на стенах с образованием капели на поверхности перекрытий. Образование капели происходит над источником нагрева — трубами теплосети. Попадая на трубопровод, капли испаряются. Воздух опять насыщается и конденсируется на поверхности перекрытия. Являясь замкнутой системой, без вентиляции, количество влаги в каналах, в общем случае, не меняется. В процессе теплообмена происходит изменение энтальпии воздуха не только по высоте, ширине и длине каналов, но и по времени (нестационарный процесс), т.к. температура теплоносителя меняется в зависимости от температуры наружного воздуха.

Температура и влажность воздуха определяют влагосодержание теплоизоляции, величина которой зависит от давления насыщенного пара в слое теплоизоляции и снаружи. С изменением температуры теплоносителя, температуры и влажности воздуха в тепловых каналах это равновесие нарушается. С повышением температуры теплоносителя давление пара внутри тепловой изоляции повышается, часть влаги испаряется, насыщая воздух. С уменьшением температуры влага из воздуха переходит в теплоизоляцию. В отопительный период резкие перепады температуры наружного воздуха являются не редкостью. Это вызывает колебания температуры теплоносителя, что сопровождается поступлением «нового» воздуха в теплоизоляцию и к поверхности металла. Такому же колебанию влажности подвержены бетонные поверхности стен каналов и перекрытия.

Аэродинамический расчет вентиляции Одним из способов снижения влажности и температуры воздуха является вентиляция каналов. Вентиляционные потоки способствуют интенсивному тепломассообмену и переносу тепла и влаги в канале. По способу движения воздуха вентиляция является системой с естественным побуждением воздуха. Расход воздуха, создаваемый вытяжками, определяется гравитационным напором, который зависит от высоты шахт, температуры воздуха в канале и на улице. Одна из шахт является приточной, вторая — вытяжной. При попадании наружного воздуха в канал по мере его продвижения он нагревается, насыщается влагой и выносится через вытяжную шахту на улицу. По мере проветривания, снижается влагосодержание и температура воздуха в каналах.

Аэродинамический расчет выполняется по схеме, приведенной на рис. 1.

Тяга, создаваемая вентиляционными шахтами, зависит от высоты и температуры воздуха и определяется в первом приближении:

Па (1).

где: h — разность высот приточной и вытяжной шахт, м Н — пьезометрическая высота канала, м.

_н, _в — плотность воздуха наружного и в канале, кг/ м³.

Вентиляция каналов.

Вентиляция тепловой камеры Рис. 1. Вентиляция каналов и тепловой камеры

Потери давления:

Рп=Р_пр+Р_в+Р_кан; (2).

где.

Рпр = (₁+₂)* _н* V_2П/2 — потери давления на входе и выходе из приточной шахты, Па.

₁,₂ — коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе приточной шахты.

V_П — скорость в приточной шахте, м/с Р_В = (_1в+_2в)* в* V2в/2 — потери давления на входе и выходе из вытяжной шахты, Па.

_1В, _2В — коэффициенты местных сопротивлений на входе и выходе вытяжной шахты;

Vв — скорость в приточной шахте, м/с.

Испытания по определению коэффициента потерь на входе и выходе разработанных приточной и вытяжной шахт показывают, что величина ₁ = 0,72, _1В, ₂=1., _2В =0,92.

Потери давления в тепловом канале:

Па где.

— коэффициент трения,.

l — длина участка,.

d_экв — эквивалентный диаметр,.

Wскорость воздуха в канале, м/с;

Приравнивая тягу (1) потерям давления (2), определим скорость в приточной шахте:

Определяем расход воздуха.

L_рас= V^. f_п ;

Если L_рас меньше L_тр, необходимо увеличить количество приточных шахт.

Количество удаляемой влаги можно определить как:

?G = L (d_к — d_п), г/ч где: d_к — влагосодержание воздуха в тепловом канале, г/м³;

d_п — влагосодержание приточного воздуха, г/м³;

L — расход воздуха по каналу, м³/ч.

Наиболее эффективно процессы осушения и снижения влажности будут происходить в зимнее время, т.к. влагосодержание наружного воздуха мало. Так в зимний период средняя температура воздуха составляет -15⁰, влажность 90%, что соответствует влагосодержанию 1,1 г/кг. При температуре в канале 30⁰ и влажности 70% влагосодержание составляет 18,9 г/кг. Таким образом, наружный воздух нагревается и насыщается влагой, осушая поверхности каналов.

Существующие конструктивные решения вентиляции Вентиляционные шахты устанавливаются на верхней плите перекрытия тепловых камер. Для этого пробивается отверстие и монтируется металлическая труба, основание которой бетонируется. Сверху труба имеет крышку, по бокам прорези для прохода воздуха. На данный момент существует большое количество конструкций вентиляционных шахт, которые отличаются по диаметрам и высоте труб, размерами и расположением приточных и вытяжных отверстий.

Для снижения стоимости монтажа вентиляционных шахт разработана конструкция, которая позволяет проводить их установку на люки вместо крышек, и сниматься для проведения работ в камерах и каналах. Шахта имеет узлы крепления к люку для предотвращения попадания в камеры посторонних лиц. (Рис.1).

Результаты испытаний После установки вентиляционных шахт на участках теплотрасс проведены замеры скорости, температуры и влажности воздуха. Проведенные испытания показывают, что применение вентиляции каналов на теплотрассах позволило:

• q уменьшить влажность воздуха и снизить влагосодержание в теплоизоляции,
• q избавиться от капели на перекрытиях каналов и камер,
• q контролировать условия в каналах (интенсивное парение указывает на наличие свища, прорыва, затопления).

Как показывает опыт эксплуатации:

• q при соприкосновении исходящей струи воздуха на выходе из канала с холодной поверхностью происходит выпадение капельной влаги на поверхностях элементов конструкции тепловых камер, что требует их антикоррозионной защиты;
• q вентиляция каналов, в которых часть труб и теплоизоляции находится в воде, может быть нецелесообразной. Движущийся воздух испаряет влагу с верхней части теплоизоляции, что вызывает постоянный приток аэрированной воды в теплоизоляцию и активизацию процессов коррозии из-за постоянной подачи кислорода.

Следует считать целесообразным применение таких систем на тепловых камерах, с предварительным, тщательным изучением участков теплотрасс и условий эксплуатации. Очевидно, что вентиляция каналов не является универсальным средством, которое решит все проблемы с коррозией, но ее применение при соблюдении всех строительных требований к прокладке теплотрасс, наличие дренажей, гидроизоляции каналов, антикоррозионного покрытия, станций катодной защиты позволит увеличить сроки службы трассы.

• 1. Н. Д. Томашов. Теория коррозии и защиты металлов. — Академия Наук СССР, 1959 г.
• 2. К. З. Ушаков, А. С. Бургаков и др. Аэрология горных предприятий. — М., Недра, 1987 г.