Інститут технічної теплофізики НАН України

Трикоз Павло Іванович

УДК.536.6. 536.5

ТЕПЛОМЕТРИЧНА ДІАГНОСТИКА ПІДЗЕМНИХ ТЕПЛОТРАС

Спеціальність 05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових

величин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики НАН України

Наукові керівники

доктор технічних наук, член-кореспондент НАН України

Геращенко Олег Аркадійович,

доктор технічних наук

Грищенко Тетяна Георгіївна

зав. відділом теплометрії Інституту

технічної теплофізики НАНУ

Офіційні опоненти – 1.доктор технічних наук

Жуков Леонід Федорович,

зав. відділом термометрії та фізико-хімічних

досліджень Фізико-технологічного інституту

металів та сплавів НАНУ,

2.кандидат технічних наук

Безпрозванний Альберт Олександрович,

начальник служби науково-технічних розробок

та діагностики філіалу “Енергоналадка”

АК Київенерго”

Провідна установа – Національний університет “Львівська політехніка”

Міністерства освіти України , м. Львів

Захист відбудеться 23 квітня 2002р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.224.02 в Інституті технічної теплофізики НАН України (03057, Київ-057, вул. Желябова,2-а).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України (Київ-057, вул. Желябова,2-а).

Автореферат розіслано “20” березня 2002р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

канд.техн.наук ____________________________Гелетуха Г.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Стан теплових мереж не піддається об'єктивній діагностиці на практиці ні при прийманні, ні в експлуатації. Тому в даний час довгостроково експлуатуються мережі з незадовільним станом як теплоізоляційної конструкції, так і теплопроводів у цілому.

Детальне обстеження підземних теплотрас показало, що найбільш повно усім вимогам їхньої технічної діагностики відповідає метод неруйнівного контролю стану ізоляції безканальних теплопроводів, заснований на порівнянні розрахункових і експериментальних значень розподілу температури на поверхні грунту (покриття) над прокладками теплотрас. Проте, апаратурну базу цього методу складають стандартні засоби температурних вимірів, що найчастіше мають малу чутливість для вирішення поставлених задач діагностики.

Тому актуальною задачею є розробка сучасного досконального теплометричного методу діагностики теплотрас та спеціалізованих засобів для його реалізації, що повною мірою відповідають усім вимогам проведення контролю теплопроводів мереж як безканальної, так і домінуючої в системах теплопостачання канальної прокладки.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В дисертаційній роботі наведено результати, які одержано при виконанні найважливішої науково-технічної теми ["Розробка в інтересах теплозбереження теплометричних засобів безконтактного виміру температури і неруйнівного контролю енергетичного устаткування у процесі експлуатації", шифр 1.7.6.26 ("Контроль")] та ряду госпдоговорів у відділі теплометрії Інституту технічної теплофізики НАН України.

Мета та задачі досліджень полягають у розробці теплометричного методу неруйнівного контролю загального технічного стану теплопроводів безканальних та канальних тепломереж та у створенні для його реалізації відповідних спеціалізованих приладів і устроїв.

Для досягнення цієї мети поставлено такі задачі:

- провести розрахункові дослідження теплових полів теплотрас у грунті з метою створення теплометричного методу діагностики теплопроводів мереж безканальної та канальної прокладок;

- розробити програми розрахунку теплових і температурних полів теплотрас, що реалізуються на ПЕОМ;

-розробити та провести дослідження засобів діагностики для реалізації методу;

- створити методики обстеження теплового та температурного стану теплопроводів;

- сконструювати атестаційний стенд для градуювання і перевірки розроблених засобів діагностики;

- провести експериментальну перевірку методу та його впровадження в практику експлуатації теплових мереж.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Теоретично досліджено вплив на характер розподілу теплового випромінювання над тепломережами наступних чинників: температури теплоносія, глибини закладання теплопроводів, їх технічних параметрів, вологісного стану теплової ізоляції та навколишнього грунту, а також температури зовнішнього повітря.

2. За результатами проведених досліджень розроблено метод неруйнівного контролю теплозахисних властивостей ізоляції та загального стану теплопроводів підземних мереж безканальної та канальної прокладок на основі застосування термоелектричних перетворювачів теплового потоку.

3. Створено засоби теплометричної діагностики для реалізації запропонованого методу.

4. Розроблено та впроваджено в практику обстеження теплотрас методики неруйнівного контролю діючих тепломереж з застосуванням створених приладів.

5. Експериментальним шляхом встановлено аномальні значення величин перевищення густини теплового потоку та температури на поверхні грунту над місцями течії теплоносія та пошкодженнями теплоізоляційної конструкції теплопроводів.

Практичне значення отриманих результатів: Розроблено, виготовлено та впроваджено на підприємствах систем централізованого теплопостачання України та країн СНД теплометричні індикатори діагностики теплотрас моделей ТИДиТ-01 і ТИДиТ-02. Практичні методики обстеження теплотрас та засоби їх реалізації дозволяють:

- за характером зміни теплових втрат і температури грунту (покриття) над обстежуваними прокладками теплотрас оперативно і з мінімальними витратами визначати місця витоку теплоносія в навколишнє середовище, а також завчасно виявляти ділянки теплопроводів із незадовільним станом їх теплоізоляційних та огороджувальних конструкцій;

- робити корекцію плану перекладок тепломереж, які потребують ремонту, своєчасно визначаючи ділянки із незадовільним станом ізоляції трубопроводів;

- сприяти істотному зниженню капіталовкладень під час ремонту теплотрас і зменшенню витрат на утримання обслуговуючого персоналу теплових мереж.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- установлено можливість застосування теплометричного методу для діагностики теплопроводів, що прокладені у каналах;

- розроблено програми розрахунку на ПЕОМ теплових і температурних полів теплотрас у грунті;

- розроблено метод і методики обстеження безканальних та канальних тепломереж;

- виконано конструювання теплометричних блоків (первинних перетворювачів), а також частково конструктивних та комутаційних вузлів усіх створених засобів теплометричного контролю;

- проведено впровадження методик і створеної апаратури в практику експлуатації теплових мереж.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались і одержали позитивну оцінку на шістьох всесоюзних та двох міжнародних конференціях. Всі створені засоби діагностики неодноразово демонструвалися на всесоюзних та республіканських виставках. За розробку пірометрів ПСИ-11 і ПСИ-14 здобувач визнаний гідним двох бронзових медалей ВДНГ СРСР, а також диплому III ступеня ВДНГ УРСР.

Публікації. За матеріалами дисертації автором опубліковано 4 статті у наукових часописах і 6 у збірниках наукових доповідей і тез конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'ятьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел, трьох додатків А, Б і В і має 177 сторінок, в тому числі 34 рисунки і 63 найменувань використаних літературних джерел.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступi обгрунтовано актуальнiсть дисертацiйної роботи, сформульовано мету та задачi доcлiджень. Наведено звязок з науковими програмами та темами. Визначено наукову новизну, практичне значення та впровадження отриманих результатiв.

У першому роздiлi розглянуто особливостi експлуатацiї пiдземних теплових мереж у приповерховому шарi грунту.

Наведено аналіз впливу зовнішніх і внутрішніх джерел теплоти на процес формування природнього теплового (температурного) поля приповерхового прошарку Землі.

Визначено задачi технiчної дiагностики загального стану теплопроводiв пiдземних тепломереж.

Розглянуто відомі методи діагностики підземних теплотрас і визначення теплових втрат, відзначено їхні гідності та хиби.

Зроблено висновок, що найбільш повно задовольняє задачам технічної діагностики метод неруйнівного контролю стану теплової ізоляції теплопроводів безканального виду прокладки, який базується на порівнянні розрахункових і експериментальних значень розподілу температур на поверхні грунту (покриття) над прокладкою мережі. Водночас відзначено, що ефективність практичного застосування цього методу, через недосконалість його апаратурного забезпечення (застосовування стандартних засобів температурних вимірів), обмежується лише проведенням контролю ділянок теплопроводів безканальних тепломереж. Доведено необхідність створення більш досконалого методу, а також спеціалізованих засобів теплометричної діагностики теплопроводів усіх видів підземної прокладки і, у першу чергу, прокладених у каналах та спеціальних підземних спорудженнях.

Другий розділ присвячено розрахунковому дослідженню розподілу теплових (температурних) полів безканальних і канальних теплотрас у грунті.

Основною метою проведених розрахунків є визначення характеру взаємозв’язку найбільш типових порушень теплової ізоляції та ушкоджень трубопроводів з розподілом значень температури та густини теплового потоку на поверхні грунту над тепломережами.

Показано, що в основі вирішення складної задачі теплообміну підземних теплопроводів із навколишнім середовищем лежить принцип суперпозиції, застосування якого виявилося можливим завдяки тому, що дія окремих джерел теплоти (температура навколишнього середовища, температура природнього масиву Землі, а також тепловтрати від теплоносія), розташованих на межі масиву грунту й у середині його, не залежить одна від одної.

Результати аналізу дії всіх зазначених теплових джерел, що визначають теплові (температурні) поля в досліджуваних масивах грунтів, подані математичними описами задач теплопровідності в системі ,,теплопроводи – грунт”.

Вихідна задача переносу теплоти (як для теплопроводів двотрубної безканальної, так і канальної прокладки) є двомірною і вирішується для сталого теплового режиму роботи досліджуваної тепломережі за допомогою системи диференційних рівнянь Лапласа з відповідними спряженими граничними умовами для областей ,,грунт” , ,,теплова ізоляція” , ,,труба”.

Рішення такої системи потребує великого обсягу обчислювальної роботи, що не завжди зручно для інженерних розрахунків. У цьому зв'язку складний процес теплообміну розкладено на окремі складові, що описуються напівемпіричними формулами які враховують багатопараметричність поставлених задач.

Наведено розрахункові співвідношення, що визначають залежність тепловтрат трубопроводів від температури теплоносія, температури навколишнього грунту, температури зовнішнього повітря і повного термічного опору всіх штучних і природніх матеріалів, що є на шляху прямування теплового потоку від теплоносія до зовнішнього середовища.

Для оперативного розрахунку температурних та теплових полів, розподілених над прокладками теплових мереж, складені практичні обчислювальні програми, які реалізуються на ПЕОМ.

Визначено вплив основних визначальних чинників (температур теплоносія та навколишнього середовища, глибини закладання теплопроводів, їх конструктивних параметрів, а також вологозмісту ізоляції та перекриваючого шару грунту) на процес формування температурних та теплових полів, розподілених над прокладками теплових мереж.

Наведено приклади, що доводять можливість визначення вологозмісту теплоізоляційної конструкції теплопроводів за значеннями температури досліджуваної поверхні над мережею та вологозмісту навколишнього шару грунту, що дозволяє зробити висновок про загальний стан їх теплозахисних властивостей.

Один із характерних прикладів відноситься до ділянки тепломережі двотрубної прокладки з такими основними розрахунковими параметрами:

температура теплоносія в подаючому теплопроводі 710С, у зворотньому - 500С, зовнішнього повітря 60С, грунту 30С; зовнішні діаметри трубопроводів відповідно 0,510м та 0,460м; матеріал ізоляційного шару - мінеральна вата; глибина закладення мережі 1,5м; відстань між осями трубопроводів 0,7м.

Із збільшенням глибини закладання мережі значення різниці температур поверхні над нею при практично мінімальній температурі теплоносія та достатьно сухому грунті (з вологозмістом 0,1кг/кг), в залежності від зміни вологозмісту ізоляції (від 0,1 до 0,7кг/кг), зменшується і на глибині 3 метри досягає значення не більше ніж 0,5оС. На цій підставі було зроблено висновок про необхідність розробки діагностичних приладів з розподільною здатністю по вимірюванню температури - не гірше 0,1оС та густини теплового потоку – 1,0Вт/м2.

Виконано ряд порівняльних розрахунків температурних полів двотрубних теплотрас безканальної і канальної прокладок з метою дослідження ступеня впливу додаткового термічного опору ізоляції канальних теплопроводів, визначеного формою та матеріалом канала траси.

З’ясовано, що зі збільшенням вологозмісту оточуючого канал грунту виникає зміна співвідношень складових частин повного термічного опору на шляху розповсюдження теплового потоку, внаслідок чого температура поверхні грунту спочатку зростає до певної величини, а потім спостерігається тенденція до її зменшення. В даному випадку особливого значення набуває питання визначення вологозмісту грунту, так як одному й тому ж значенню температури поверхні можуть відповідати різні значення його вологозмісту.

Визначено кількісну залежність між зміною розподілу значень густини теплового потоку q та температури Т на поверхні грунту від числа Біо (визначаючого універсальний зв'язок між тепловіддачею нп, глибиною закладення мережі h і теплопровідністю грунту гр Bi= нп h / гр)).

Показано, що із зростанням числа Біо (що обумовлено, наприклад, зниженням теплопровідності гр або навпаки збільшенням тепловіддачі нп , яка може бути визвана посиленням вітру при незмінному значенні гр) відбувається зменшення величин q і Т.

Із зменшенням числа Біо (пов'язаним, у свою чергу, наприклад, із збільшенням теплопровідності гр, або зменшенням тепловіддачі нп при незмінному значенні гр) спостерігається зростання величин q і T.

Показано, що тенденція до зростання втрат теплоти, яка зумовлена зниженням температури навколишнього середовища, знаходиться в прямій залежності від збільшення діаметрів трубопроводів, що працюють в ідентичних умовах експлуатації.

Подано номограми, що демонструють характер залежності значень величин q і T від зміни числа Біо та коливань температури зовнішнього повітря.

На основі узагальнення виконаних розрахунків було зроблено висновок про можливість застосування теплометричного методу неруйнівного контролю для діагностики теплопроводів безканальних тепломереж та теплопроводів, що прокладені у каналах і спеціальних підземних спорудженнях.

У третьому розділі подано опис методу неруйнівної діагностики теплотрас, визначеного двома основними задачами. Перша із них полягає у локалізації місць витоку теплоносія із теплопроводів в навколишнє середовище, друга – у визначенні ділянок тепломереж з ушкодженою або сильно зволоженою ізоляцією теплопроводів, а також з незадовільним станом їх огороджувальних конструкцій.

Теоретичним та експериментальним шляхом встановлено, що для виявлення місць течії необхідною умовою є визначення величин перевищення густини теплового потоку з поверхні грунту чи її температури над їх фоновим значенням, оскільки отримана при цьому інформація є достатньою для оцінки шуканих місць ушкоджень теплопроводів.

Задача визначення загального стану теплової ізоляції трубопроводів вирішується шляхом порівняння обмірюваних поверхневих значень густини теплового потоку або температури над прокладкою мережі, одержаних експериментально, зі значеннями цих величин, отриманих розрахунковим шляхом. При цьому враховуються визначальні технологічні і метеорологічні чинники, зафіксовані в процесі проведених досліджень.

Наведено опис розроблених методик обстеження теплового та температурного стану теплопроводів безканальних та канальних тепломереж, які базуються на послідовних вимірах поверхневого розподілу густини теплового потоку або температури спочатку в напрямку поперечного перетину ділянки мережі (з метою уточнення розташування її осі), а потім у повздовжньому напрямку (з метою визначення контрольованих величин q і T в точках поверхні безпосередньо уздовж її пролягання).

Подано схеми розташування теплометричних блоків - первинних перетворювачів створених засобів діагностики - в контрольних точках поверхні обстежуємих ділянок та опис маршруту обстежень з урахуванням проведення вимірів як безпосередньо над віссю мережі, так і поза зоною її теплового впливу, що виконується з метою одержання інформації про тепловий стан природнього масиву Землі (якщо не урахувати цю обставину, значення втрат теплоти будуть завищеними, приблизно на 10%, що вносить систематичну похибку в результати проведених вимірів).

Наведено особливості проведення теплометричного контролю відповідно до цільового призначення створеної діагностичної апаратури.

Локалізація місць витоку теплоносія здійснюється застосуванням сконструйованих для цієї мети приладів - пірометрів сумарного випромінювання моделей ПСИ-, а також теплометричного індикатора діагностики теплотрас моделі ТИДиТ-02.

Встановлено умови визначення теплозахисних властивостей ізоляції та ушкоджень теплопроводів канальної прокладки за допомогою пірометричного скануючого устрою ПСУ-01 та теплометричного індикатора діагностики теплотрас ТИДиТ-01.

Теплометричні вузли цих приладів складаються з кількох ідентичних за конструктивним виконанням теплометричних блоків, що дозволяє здійснювати виміри величини густини теплового потоку (температури) водночас у трьох (устрій ПСУ-01) або, відповідно, у двох контрольованих точках поверхні (індикатор ТИДиТ-01), а також визначати різницю значень визначаємих величин. Це дає можливість своєчасно виявляти аномальні значення втрат теплоти в тих випадках, коли вони мають місце не тільки безпосередньо над віссю траси, а й в бічному від неї напрямку, що часто буває пов'язано з порушенням теплової ізоляції або ушкодженням теплопроводів чи лотка в бічній або нижній частині теплової мережі.

Подано конкретні рекомендації згідно умов проведення діагностики з урахуванням основних визначальних чинників, що впливають на результати проведених вимірів, зазначено засоби їх урахування й усунення.

В цьому зв’язку, обгрунтовано доцільність використання у комплекті з теплометричними блоками створених приладів спеціальних теплоізоляційних бленд, що проводиться з метою усунення негативного впливу на результати вимірів сторонніх джерел випромінювання, а також для зменшення впливу конвективної складової тепловіддачі від поверхні перетворювачів теплового потоку (ПТП) у навколишнє середовище.

Розроблено номограму поправок на реальну випромінювальну спроможність обстежуваних об'єктів, що дозволяє визначати за обмірюваною радіаційною температурою поверхні її дійсне значення, а також за показаннями приладів і відомим дійсним значенням температури знаходити ступінь чорнуватості .

Відзначено, що гідністю методу теплометричної діагностики, заснованого на різницевих вимірах, є можливість проведення контролю без урахування реальної випромінювальної здатності, якщо обстежувані ділянки ідентичні за характером грунту (покриття) та за теплофізичним станом, тому що в цьому випадку вони мають однакові значення випромінювальної здатності.

Наведено приклади опрацювання результатів вимірів із урахуванням специфіки використання в обстеженнях всіх створених приладів.

У четвертому розділі дисертації розглянуто конструкції засобів теплометричної діагностики підземних теплотрас та їх основних функціональних вузлів, розроблених згідно основних вимог, зумовлених характером їх експлуатації. Це - портативність, відносна конструктивна простота і надійність застосування в різноманітних метеорологічних умовах, а також можливість одержання вимірювальної інформації у формі, зручній як для візуального сприйняття, так і для проведення необхідних обчислень, обумовлених методиками діагностики.

Подано зовнішній вигляд і опис експериментальних зразків пірометрів моделей ПСИ-11, ПСИ-12 і ПСИ-14, кожний із яких являє собою сукупність функціонально об’єднаних складових частин: теплометричного блоку й показуючого устрою з автономним джерелом живлення, сполучених між собою гнучким кабелем зв'язку.

Наведено опис теплометричного блоку (ТБ), призначеного для перетворення енергії теплового випромінювання досліджуваного об'єкта в електричний сигнал. Основними елементами ТБ є: тонкоплівковий термоелектричний ПТП, теплоємкісний стабілізатор-холодильник, на поверхні якого розташовано електричний термометр опору (з метою урахування зміни температури його корпусу), та діафрагмова оптична система, що забезпечує необхідний показник візирування за умовами проведення вимірів .

Розробка ПТП виконана з урахуванням двох основних вимог: величина вихідного сигналу ПТП повинна бути на рівні заданої роздільної здатності вторинного приладу, а постійна часу - достатньо малою (не більш 10с) для одержання надійних даних відповідно до методики проведення вимірів.

Наведено опис роботи показуючих устроїв, подано технічні характеристики всіх модифікацій пірометрів сімейства ПСИ- .

Прилад ПСИ-11 призначено для безконтактного виміру температури, густини потоку теплового випромінювання і визначення випромінювальної здатності різноманітних об'єктів. Його шкали мають діапазони значень виміру температур від - 20 до +500С та густини теплового потоку - від 0 до 400 Вт/м2. Час вимірів складає не більше 4с, похибка виміру не більше 3%.

Модель приладу ПСИ-12 є модифікацією пірометра ПСИ -11, має ідентичні технічні характеристики, але відрізняється устроєм шкали. Цей прилад призначено для диференційної термодіагностики, тобто для безконтактного виміру відхилення температури контрольованої поверхні в межах 50С в обидві сторони від обраної норми, що здійснюється за допомогою варіометра, розташованого на панелі приладу.

Модель приладу ПСИ-14 призначено для безконтактного виміру різниці густини теплового потоку двох ділянок поверхні об'єкта, якщо її значення не перевищує 60 Вт/м2 (тобто 30Вт/м2 від обраної норми) та безконтактного виміру температур з визначенням випромінювальної здатності різноманітних об'єктів. Інші технічні характеристики цієї моделі є такими ж, як і у приладу ПСИ -11.

Подано зовнішній вигляд та опис пірометричного скануючого устрою ПСУ-01, створеного на базі конструкції пірометра ПСИ-11, три теплометричні блоки якого, змонтовані на висувній штанзі і сполучені з вторинним приладом гнучкими кабелями зв'язку. Така конструкція дозволяє розташувати всі блоки у поперечному перетині траси як по всій довжині зони її теплового (температурного) впливу, так і поза її межами .

Реєстрація показань блоків здійснюється за допомогою перемикачів комутаційного вузла показуючого приладу. При цьому відлік контрольованих величин густини теплового потоку qх1, qх2, qх3 та різниці густини теплового потоку qх (різниці між значеннями величин густини теплового потоку над віссю теплової мережі та поза зоною її теплового впливу) , або температури Тх1, Тх2, Тх3 та різниці температур Тх (різниці між значеннями величин температури над віссю теплової мережі та поза зоною її теплового впливу) на шкалі устрою проводиться в режимі роботи, що відповідає автономному вмиканню теплометричних блоків 1, 2, 3 чи в режимі різницевого вмикання, по відношенню до центрального блоку 2, розташованого над віссю траси.

Основні технічні характеристики ПСУ-01 такі ж, як і приладу ПСИ-11, при розподільній здатності виміру різниці температур не гірше 0,10С.

Наведено опис устрою і роботи моделей індикаторів ТИДиТ-01 та ТИДиТ-02, конструйовання яких виконано з урахуванням зауважень і рекомендацій спеціалістів та обслуговуючого персоналу теплових мереж.

Модель приладу ТИДиТ-01 призначено для виявлення місць витоку теплоносія і діагностики стану ізоляції теплопроводів, що є найбільш пріоритетним напрямком її практичного застосування. Прилад складається з теплометричного вузла, до складу якого входять два ідентичних теплометричних блоки та блок перетворення, що має підсилювач, інтегруючий аналого-цифровий перетворювач, цифрове табло та джерело живлення.

На рисунку 1 наведено конструктивно спрощену схему теплометричного блоку (а) і термоелектричного батарейного перетворювача теплового потоку (б). Теплометричний блок призначено для одержання первинної вимірювальної інформації від об'єкту контролю.

Рис. 1 Конструктивна схема теплометричного блоку (а) і термоелектричного батарейного перетворювача теплового потоку (б)

Його корпус 2 (рис. 1а) являє собою теплосприймальне тіло циліндричної форми, один торець якого виконано у вигляді оребреної поверхні теплообміну з метою забезпечення ізотермічності при проведенні вимірів, а на іншому кінці встановлено огороджувальну конструкцію (захисна бленда) 3 з металевим екраном 4 та поліетиленовою плівкою 5, що охороняє теплочутливий елемент 1 від впливу сторонніх джерел теплового випромінювання. У верхній частині корпусу закріплено накидною гайкою 6 кришку 7, у яку угвинчено держак 8 з рукояткою 9. Теплометричний блок із блоком перетворення з'єднано гнучким кабелем зв'язку 10.

У якості теплочутливого елемента застосовується термоелектричний батарейний (багато-спайний) ПТП, що характеризується високою щільністю заповнення (до 2000 одиничних елементів на квадратному сантиметрі при висоті батареї близько 1мм), робочі й опорні спаї якого розташовані в двох площинах паралельних робочим поверхням теплосприймального тіла.

На корпусі теплометричного блоку змонтовано перетворювач температури (ТСМ 100М) 11.

Одиничний гальванічний термоелектричний елемент (рис. 1б), повторюваний багаторазово послідовним з’єднанням в електричному ланцюзі для утворення термоелектричного перетворювача 1, являє собою комбінацію з висхідної і спадаючої гілок. Висхідна гілка 12 - основний провідник, спадаюча 13 - гальванічно покрита парним термоелектродним матеріалом ділянка дроту. Простір між ними заповнено електроізоляційною масою - епоксидним компаундом 14.

При проектуванні і виготовленні ПТП застосовувалася розроблена в ІТТФ НАНУ методика конструювання параметрів ПТП із необхідними вихідними характеристиками (чутливість, електричний і термічний опори) стосовно до термоелектричних батарей.

Для одержання необхідної чутливості, що забезпечує виміри густини теплового потоку інтенсивністю від 5 до 5000 Вт/м2, ПТП виготовлено висотою 1,0мм, діаметром приймальної площадки 50мм із дроту перетином 0,05 мм. Робочий коефіцієнт перетворювача Кq, зумовлений відношенням густини пронизуючого перетворювач теплового потоку до генеруємої їм електрорушійної сили, знаходиться в межах від 5,0 до 10,0 Вт/м2·мВ, а його електричний опір визначається в межах від 14 до 18 КОм. Постійна часу складає 10 с.

Індикатор ТИДиТ-02 є модифікацією приладу ТИДиТ-01 і виконаний із таких функціональних частин: теплометричного вузла, що включає в себе теплометричний блок, оснащений ПТП і перетворювачем температури (мідний термометр опору ТСМ-10М); блоку перетворення, що складається з комутатору, підсилювача, аналого-цифрового перетворювача, індикаторно-цифрового табло та джерела живлення.

Подано основні технічні характеристики приладів ТИДиТ.

Дано оцінку похибок, обумовлених інерційними властивостями первинних перетворювачів (теплометричних блоків) засобів діагностики. Експериментальним шляхом встановлено чисельні значення основної характеристики теплоінерційного процесу - константи термічної інерційності для всіх сконструйованих приладів та устроїв. Максимальне значення цієї величини відповідає приладам сімейства ПСИ, а мінімальне - моделям приладів ТИДиТ-.

Для градуювання та повірки всіх розроблених приладів методом звірення з абсолютним засобом виміру сконструйовоно стенд з робочим інтервалом температур від 253 до 373К.

Градуювання полягає в підводі до ПТП засобу діагностики теплової енергії постійної густини від джерела променистої енергії малої інтенсивності - моделі абсолютно чорного тіла (АЧТ) та здійснюється в два етапи. Спочатку проводиться атестація теплометричного блоку, а потім - засобу діагностики в цілому.

Визначення градуювальних коефіцієнтів Кq і КТ (залежності між пронизуючою перетворювач густиною теплового потоку q та генеруємою їм термоедс еq, а також температурою випромінювача Т та генеруємою їм термоедс еТ ) як кожного блоку, так і засобу діагностики в цілому, здійснюється шляхом одночасного компарування зі зразковим теплометричним блоком (зразковим засобом діагностики). При цьому, забезпечується як рівновіддаленість теплосприймальних поверхонь, зразкового і градуйованого ПТП від джерела випромінювання АЧТ, так і однакові значення ступенів чорнуватості їхніх поверхонь.

У п'ятому розділі наведено результати апробації методу теплометричної діагностики підземних теплотрас.

Відзначено, що перевірку розробленого методу було виконано за допомогою експериментальних обстежень ділянок магістральних та розподільних мереж безканальної і канальної прокладок.

Експерименти проводилися в умовах різноманітних режимів експлуатації та різноманітних кліматичних впливів.

Обстежувані ділянки відрізнялися між собою своїми технічними і експлутаційними характеристиками (глибиною закладення і геометричними розмірами трубопроводів, матеріалом їх теплоізоляційної конструкції, температурами теплоносія в подаючому й оберненому теплопроводах і т.і.), а також місцевими гідрогеологічними умовами (характер насипного грунту над прокладкою, наявність та рівень грунтових вод і т.і.).

Площі обстежуванних поверхонь вибиралися відповідно до вимог рівності і сталості їх випромінювальних характеристик, а також однакової орієнтації з метою виключення впливу зміни радіаційного балансу.

Одночасно проводилися виміри температур зовнішнього повітря метеорологічними термометрами та теплоносія рідинно-скляними термометрами, а також швидкості вітру анемометрами.

У перших експериментах теплопровідність насипних грунтів та покриттів над тепломережами вимірювалася методом проб на установці для виміру теплопровідності ИТ-5 конструкції ІТТФ НАНУ. В подальшому, для усіх необхідних обчислень, використовувались серійно розроблені зондові вимірювачі вологості та температури.

Подано опис результатів діагностики декількох типових ділянок безканальних і канальних тепломереж із найбільш характерними ушкодженнями трубопроводів та їх теплоізоляційної конструкції.

В якості одного із прикладів наведено результати обстеження ділянки мережі (проведеного за допомогою пірометра ПСИ-11) з такими параметрами:

- глибина закладення теплопроводів 1,3 м;

- зовнішні діаметри подаючого й оберненого теплопроводів без ізоляції 0,325 м , з ізоляцією, відповідно, 0,510 і 0,460 м;

- теплопровідність теплоізоляційного прошарку для нормального стану ізоляційної конструкції 0,08 Вт/( м К);

- відстань між осями трубопроводів по горизонталі 0,7 м;

- покриття над прокладкою - насипний грунт.

Температури: теплоносія в подаючому теплопроводі 710С, оберненому 500С; зовнішнього повітря 60С. Швидкість вітру - до 2 м/с. Під час проведення вимірів пряма сонячна радіація була відсутня. Теплопровідність грунту 2,0Вт/(мК).

Епюри 1, 2 і 3 (рис.2) розподілу результуючого значення густини теплового потоку q уздовж осі даної ділянки, що отримані обчисленням на ПЕОМ з урахуванням визначальних технологічних і метеорологічних чинників, зафіксованих у процесі проведеної діагностики, імітують такі стани теплоізоляційної конструкції:

1 - нормальний (повітряно-сухий), для якого ефективна теплопровідність дорівнює 0,08 Вт/(м К);

2 - зволоженийстан із вологістю на рівні 0,3 кг/кг і ефективністю 1,0 Вт/(м К);

3 - повна руйнація теплоізоляційного прошарку.

З поданих залежностей випливає, що теплоізоляційна конструкція теплопроводів даної ділянки знаходиться в незадовільному стані, тому що експериментальна крива 4 розташована значно вище рівня розрахункового профілю 1, що відповідає нормальному стану теплової ізоляції.

Рис.2. Розподіл результуючого значення q уздовж осі теплотраси.

Наведено приклади результатів обстежень ділянок мереж, прокладених у каналах та спеціальних підземних спорудженнях, загальним протягом 1145м.

Одна із обстежених устроєм ПСУ-01 ділянок канальної траси характеризувалася такими даними:

- довжина ділянки 48м;

- глибина закладення 1,5м;

- зовнішні діаметри теплопроводів без ізоляції 0,219м і з ізоляцією, відповідно, 0,406м і 0,359м;

- матеріал основного теплоізоляційного прошарку - скляне штапельне волокно;

- теплопровідність ізоляції 0,045 Вт/(м К)

Виміри виконувалися при температурах теплоносія в подаючому теплопроводі 720С; оберненому 450С; зовнішнього повітря мінус 80С; швидкості вітру до 3м/с. Теплопровідність грунту - 2,1 Вт/(м К).

Центральний теплометричний блок ПСУ-01 (ТБ-2) було розташовано безпосередньо над віссю траси, а два інших (ТБ1 і ТБ3) по різні сторони від осі на рівних відстанях (1,5м).

Встановлено, що максимальне значення q спостерігається на відстані 32м від ТК 109/12 (зона S) (рис.3), про що свідчать епюри 2, 3 і 4, побудовані за даними вимірів ТБ1, ТБ2 і ТБ3, а також епюр 1, побудований за розрахунковими значеннями q для нормального стану ізоляції обстежуваних теплопроводів.

Рис.3. Розподіл результуючого значення q уздовж осі теплотраси.

Пік епюру 2 (рис.4), що характеризує розподіл q в обраному перетині АВ (див.рис.3), зміщений на 1,5м убік по відношенню до осі траси, на підставі чого зроблено висновок про гаданий витік теплоносія в цьому напрямку.

Відзначено, що усі теоретичні заключення про загальний стан теплопроводів підтвержені результатами розкриття обстежених ділянок мереж.

Рис.4. Розподіл результуючого значення q в перетині траси АВ (див.рис.3)

У додатках наведено:

- обчислювальні програми для розрахунку теплових і температурних полів теплотрас у грунті;

-

-

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичні узагальнення та рішення задач дослідження температурних і теплових полів теплотрас у грунті з метою створення практичного методу визначення місць витоку теплоносія в навколишнє середовище та локалізації ділянок теплопроводів із незадовільним станом їх теплоізоляційних і огороджувальних конструкцій.

Основні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Теоретичним шляхом, проведено визначення впливу на процес формування температурних та теплових полів над прокладками тепломереж основних визначальних чинників: температур теплоносія та навколишнього середовища, глибини закладання теплопроводів, їх конструктивних параметрів, а також вологозмісту ізоляції та перекриваючого шару грунту.

2. Встановлено характер взаємозв’язку найбільш типових порушень теплової ізоляції та ушкоджень трубопроводів з розподілом значень температури та густини теплового потоку на поверхні грунту над прокладками тепломереж.

3. Теоретично обгрунтовано та експериментально встановлено можливість реалізації теплометричного метода неруйнівної діагностики теплотрас для рішення двох задач: оперативного визначення місць витоку теплоносія в навколишнє середовище та локалізації ділянок теплопроводів з ушкодженою або сильно зволоженою тепловою ізоляцією чи з незадовільним станом їх огороджувальних конструкцій.

4. Створено практичні методики обстеження теплопроводів та спеціалізовану апаратуру для їх реалізації з необхідною чутливістю до слабо нагрітих поверхонь над тепломережами - пірометри сумарного випромінювання моделей ПСИ-11, ПСИ- 12 і ПСИ-14, пірометричний скануючий устрій моделі ПСУ-О1, теплометричні індикатори діагностики теплотрас моделей ТИДиТ-01 і ТИДиТ-02, що дозволяють по витоках теплоти здійснювати оперативний контроль стану теплової ізоляції та трубопроводів підземних тепломереж у цілому.

5. Результати експериментального обстеження теплотрас виражені у наступному:

- визначено чисельні значення величин перевищення густини теплового потоку та температури на поверхні грунту (покриття) над місцями витоку теплоносія в залежності від ступеня ушкодження трубопроводів, а також над ділянками мереж з порушеною або сильно зволоженою ізоляцією;

- здійснено впровадження методик обстеження і створених засобів діагностики в практику експлуатації та обслуговування теплових мереж України та країн СНД.

РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВИСВІТЛЕНІ У ПРАЦЯХ:

1. Тихомиров А.Л., Иванов В.В., Сажина С.А., Трикоз П.И. Использование пирометров суммарного излучения при неразрушающем контроле тепловой изоляции теплопроводов //Промышленная теплотехника. Киев.-1987. - Том 9. - № 3. - с. 77 - 80.

2. Трикоз П.I., Грищенко Т.Г., Шаповалов В.I. Теплометричний iндикатор дiагностики теплотрас (ТИДиТ-01) // Експрес-новини: наука, технiка, виробництво.-1996. № 1-2.- с. 4-5.

3. Мазуренко О.Г., Трикоз П.I. Пiдземнi теплопроводи. // Харчова i переробна промисловiсть.- 1997. Нива.№ 3- с.12 - 13.

4. Тихомиров А.Л., Иванов В.В., Трикоз П.И. Совершенствование метода неразрушающего контроля состояния тепловой изоляции бесканальных теплопроводов. // Труды Х/П научн.-техн. конф. ''Комплексное использование тепла при проектировании и строительстве промышленных предприятий". Межвузовский сб.- 1987.-с.109 - 112.

5. Геращенко О.А., Сажина С.А., Лобачевский Г.И., Трикоз П.И.

Приборы для измерения теплового излучения биологических объектов.// Материалы II Всесоюзного семинара по тепловых приемникам излучения. "Тепловые приемники излучения".Москва.- 1980.-с. 123-124.

6. Геращенко О.А., Сажина С.А., Трикоз П.И. Приборы для бесконтактной диагностики теплового и температурного состояния объектов медицины и биологии.// Сб. научн. трудов "Теплофизические измерения в решеннии актуальных задач современной науки и техники". Киев.-1985.-.7 С.

7. Геращенко О.А., Трикоз П.И. Бесконтактная диагностика теплового состояния подземных теплотрасс.// Труды Всесоюзн. конф."Методы и средства теплофизических измерений". Москва.- 1987.- с. 5.

8. Трикоз П.И., Еремина А.К. Бесконтактный контроль теплового состояния подземных теплотрасс. // Труды Всесоюзн. конф. " Ресурсо-энергосберегающие и наукоемкие технологии в машино- и приборостроении". Москва.- 1991. – с. 162 - 163.

9. Геращенко О.А., Трикоз П.И. Бесконтактная диагностика теплового и температурного состояния теплотрасс. // Труды Всесоюзн. конф. по радиационному теплообмену "Проблемы экологии, надежности и энергосбережения". Ташкент. - 1991. – с. 186-187.

10. Трикоз П.И., Менделеева Т.В. Теплометрические приборы для неразрушающего контроля подземных теплопроводов. // Промышленная теплотехника.-2001. т. 23, №6, с.152 – 156.

АНОТАЦІЇ

Трикоз П. І. Теплометрична діагностика підземних теплотрас.- Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністью 05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин. - Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ, 2002 р.

Дисертацію присвячено розробці та створенню сучасного ефективного методу та засобів діагностики теплового стану теплопроводів підземних тепломереж безканальної та канальної підземних прокладок. Проаналізовано відомі методи технічної діагностики тепломереж. За основу розробки теплометричного методу визначено метод неруйнівного контролю стану ізоляції безканальних теплопроводів, як найбільш повно задовольняючий основним вимогам їх діагностики.

Теоретичним шляхом досліджено вплив на характер розподілу теплових та температурних полів над тепломережами основних чинників: температур теплоносія, перекриваючого грунту та зовнішнього повітря, глибини закладення трубопроводів, їх технічних параметрів, вологісного стану ізоляції та навколишнього грунту.

Встановлено характер взаємозв’язку типових ушкоджень теплопроводів та теплозахисних властивостей ізоляції з розподілом поверхневих значень температури та густини теплового потоку над тепломережами.

Згідно одержаних результатів розроблено теплометричний метод обстеження тепломереж підземної прокладки, а також створено шість моделей приладів з необхідною чутливістю до слабонагрітих поверхонь над прокладками теплових мереж.

Сконструйовано атестаційний стенд для градуювання та повірки усіх приладів теплометричного контролю.

Обстежено ділянки мереж великої протяжності в умовах різноманітних режимів експлуатації та різноманітних кліматичних впливів.

Створено практичні методики обстеження безканальних і канальних тепломереж. Здійснено впровадження методик та створених засобів діагностики в практику експлуатації й обслуговування теплових мереж.

Ключові слова: неруйнівна методика обстеження, теплові мережі, засоби діагностики, тепловий потік, температура, ізоляція, місце течії.

Трикоз П. И. Теплометрическая диагностика подземных теплотрасс.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.04 - приборы и методы измерения тепловых величин. Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, 2002.

Диссертация посвящена разработке и созданию современного эффективного метода и средств диагностики теплового и температурного состояния теплопроводов подземных теплосетей на основе метода неразрушающего контроля бесканальных теплопроводов как наиболее полно удовлетворяющего основным требованиям диагностики.

Теоретическим путем исследовано влияние на характер распределения плотности теплового излучения с поверхности грунта над теплосетями и ее температуры основных факторов: температур теплоносителя и окружающей среды, глубины заложения трубопроводов, их технических параметров, влажностного состояния изоляции и окружающего грунта.

Установлен характер взаимосвязи типичных нарушений тепловой изоляции и теплопроводов в целом с распределениями поверхностных значений температуры и плотности теплового излучения над теплосетями.

По полученным результатам установлена возможность разработки теплометрического метода путем создания методик обследования бесканальных и канальных теплосетей и соответствующей диагностической аппаратуры, обладающей необходимой чувствительностью к слабонагретым поверхностям над прокладками (разрешающей способностью измерения температуры 0,1К, плотности теплового потока 1,0 Вт/м2).

Разработанный метод определяется двумя задачами. Первая заключается в локализации мест течей теплоносителя (по аномальным значениям сигнала ПТП используемого в диагностике прибора), а вторая - в определении участков сетей с поврежденной или сильно увлажненной тепловой изоляцией или неудовлетворительным состоянием ограждающих конструкций теплопроводов (путем сравнения измеренных значений поверхностных распределений теплового излучения или температуры с расчетными значениями).

Созданы инженерные методики обследования теплосетей, сконструированы приборы (ПСИ-11, ПСИ -12, ПСИ-14, ПСУ-01, ТИДиТ-01 и ТИДиТ-02) для ее реализации.

Определена степень влияния состояния тепловой изоляции и повреждений теплопроводов на характер распределения поверхностных значений плотности излучения и температуры.

Установлена вариация величин превышения плотности теплового потока и температуры над участками теплопроводов с нарушенной или сильно увлажненной изоляцией в пределах от 20 до 30 Вт/м2 (3 - 5К, соответственно,) и над местами течей теплоносителя в пределах от 30 до 120 Вт/м2 (от 5 до 20К, соответственно).

Для учета неоднозначности излучательной способности сканируемых площадей составлена номограмма поправок на реальную излучательную способность обследуемых объектов.

По целевому назначению пирометры семейства ПСИ-, индикатор модели ТИДиТ-02 предназначены для отыскания мест течей теплоносителя; приборы моделей ТИДиТ-01 и ПСУ-01 – для определения состояния теплоизоляционной конструкции трубопроводов.

Исследованы основные факторы (посторонние источники излучений, конвективная составляющая теплоотдачи от поверхности ПТП в окружающую среду, неоднозначность излучательной способности обследуемых поверхностей), влияющие на результаты измерений, показаны способы их учета и устранения.

Приведены описания и принцип действия созданных средств диагностики, дана оценка погрешностей, обусловленных инерционными свойствами их первичных преобразователей. Экспериментально установлены значения констант термической инерционности для всех теплометрических блоков разработанной аппаратуры.

Сконструирован аттестационный стенд (основным элементом, которого является излучатель типа АЧТ) для градуировки и поверки всех средств диагностики в интервале температур от 253 до