Обогрев резервуаров с водой и промышленными продуктами

 

Введение

Обогрев трубопроводов различного назначения с целью предотвращения замерзания воды или поддержания технологической температуры в заданном диапазоне хорошо известен как специалистам, так и многим владельцам частных домов, проживающих в них в холодное время года. Самый удобный способ решения таких задач — установка нагревательных кабелей в составе КЭСО — кабельной электрической системы обогрева. Вместе с тем существует связанная с обогревом трубопроводов очень актуальная и немаловажная задача поддержания необходимой температуры во всевозможных емкостях: больших хранилищах воды, дизтоплива, мазута и других нефтепродуктов, пищевой мелассы (измельчённых пищевых продуктов), сиропа, патоки, в ресиверных баках насосных станций, цистернах и пр.

Необходимость защиты труб и резервуаров от замерзания возникает с целью обеспечения свободного тока транспортируемых жидкостей, а также для поддержания в производственном процессе температуры в заданном диапазоне. Это позволяет избежать застоя жидких продуктов и эмульсии, вызывающего их коагуляцию и загустение. Системы защиты от замерзания можно использовать для различных резервуаров, контейнеров и емкостей в агротехническом комплексе и промышленности.

Следует понимать, что никакая, даже очень эффективная теплоизоляция, не может длительное время поддерживать начальную температуру продукта, если ёмкость окружена морозным воздухом. Теплопотери неизбежны; и поддержание температуры возможно только при компенсации теплопотерь внешним обогревом. Кстати, энергорасходы на него оказываются весьма умеренными.

Если требуется сравнительно большой разогрев продукта, хранящегося в цистерне или баке, то такая задача вряд ли может быть решена применением нагревательных кабелей. Но заметим, что к каждой задаче должен быть индивидуальный подход. Небольшой разогрев продукта с последующим поддержанием его температуры на заданном уровне вполне возможен. Существуют мощные резистивные и саморегулируемые нагревательные кабели, которые находят применение в задачах нескоростного разогрева продукта.

Виды резервуаров. Особенности расчёта теплопотерь

Подход к задаче обогрева всевозможных резервуаров начинается с оценки их тепловых потерь в типовых условиях эксплуатации. Большие баки — хранилища аварийного пожарного запаса воды или нефтепродуктов — чаще всего представляют собой цилиндричекие стальные ёмкости, устанавливаемые на бетонном основании или стальных мощных опорах (см. фото):

Хранилище аварийного запаса воды для пожарных целей

При проектировании таких баков, устанавливаемых в зонах с отрицательной сезонной температурой окружающего воздуха, в фундамент закладываются материалы с низкой теплопроводностью с целью уменьшения тепловых потерь в грунт, а на цилиндрической стенке баков предусматривается установка нагревательных кабелей КЭСО под слоем теплоизоляции (минеральная вата толщиной 100 мм, пенополистирол, пенополиуретан толщиной ~50 мм и пр.). Обычно высота зоны обогрева стенки составляет от 1/3 до 2/3 от полной высоты бака. При этом вся поверхность cтенок и крыши хранилища теплоизолируется в обязательном порядке.

Необходимая мощность устанавливаемой системы обогрева определяется по формуле: Q = 1,3 • S • k • ΔT [Вт], где

  • 1,3 — расчётный коэффициент запаса (30%);
  • S — площадь теплопотерь, м²;
  • k = λ/d — коэффициент теплопередачи [Вт/(м² К], где

λ — коэффициент теплопроводности теплоизоляции (или фундамента) [Вт/(м•К)];

d — толщина теплоизоляции (или высота фундамента) [м];

  • ΔT — перепад температуры (бак — воздух) или (бак — основание фундамента) [°С].

Площадью теплопотерь через теплоизоляцию будет вся боковая площадь цилиндрической поверхности + площадь крыши бака. К этим теплопотерям добавится уход тепла от основания бака через бетон фундамента в землю.

Приведём пример расчёта КЭСО.

Требуется обогрев бака — хранилища дизтоплива в Алтайском крае.

Размеры бака: цилиндрическая цистерна с диаметром основания 3,2 м и высотой 10 м.

Площадь поверхности цистерны: 116 м².

Внешняя расчётная температура (температура наиболее холодной пятидневки): −32 °С.

Требуемая «температура поддержания» дизтоплива: +10 °С.

Расчётный перепад температуры: 42 К.

Теплоизоляция: стекловата URSA толщиной 100 мм.

Решение задачи:

Обогреваем бак по нижней части его цилиндрической поверхности на высоту 2,4 м.

Площадь обогрева: 46 м².

Коэффициент теплопроводности теплоизоляции: λ=0,06 Вт/(м•К).

Расчётный коэффициент запаса: 1,3.

Теплопотери (по приведённой выше формуле): Q = 1,3 • 116 • (0,06/0,1) • 42 = 3800 Вт.

На бак установлены 3 нагревательных кабеля DEVIflex™ 18T длиной 90 м каждый.

Шаг укладки: 17,5 см.

Установленная мощность: 4875 Вт (По просьбе Заказчика взят коэффициент запаса 67 %).

Бывают варианты, когда аналогичные хранилища частично закапывают в землю. В этом случае теплопотери снижаются по сравнению с приведённым примером. Здесь для уменьшения утечки тепла от подземной части бака в землю рекомендуется окружить его в земле хорошим кольцевым слоем теплоизоляции.

Часто требуется обогреть цистерны, устанавливаемые на металлических опорах над землёй. Это случай с самыми большими теплопотерями (при равной площади обогреваемых емкостей).

Здесь большая утечка тепла происходит через поддерживающие опоры. Существует ряд технических приёмов, снижающих утечку тепла по этим так называемым «мостикам холода»: устанавливаются теплоизолирующие подкладки и пр.

Какие продукты, хранящиеся в резервуарах, требуют обогрева

Проведём небольшой экскурс по задачам обогрева резервуаров, применяемых как хранилища продуктов или используемых в различных технологических процессах. В качестве примеров перечислим:

  • Обогрев резервуаров для исключения замерзания хранящихся в них жидкостей, жировых и прочих взвесей (пожарные ёмкости, водонапорные башни, цистерны с химическими реагентами, очистные установки, накопители сточных вод и технического масла, выгребы, ёмкости омывателей с мыльным раствором, ёмкости для охлаждения бура в буровых установках, илонакопители, жироловы, баки с речным песком и др.). При этом значение поддерживаемой температуры может меняться в широких пределах. Так, для воды разогрев и теплоизоляция резервуаров рассчитываются таким образом, чтобы обеспечить нагрев до +3...+5 °С, а для соляной кислоты достаточно, как правило, —15 °С;
  • Технологический обогрев ёмкостей. В этом случае температура может меняться в широких пределах, и её точное значение определяется производственным процессом. Например, для мазута эта температура составляет +60 °С , а при обогреве трубопроводов и баков с битумом эта величина вырастает до +180 °С. Для правильной сохранности каждый продукт должен иметь свою технологическую температуру. Это может быть сахарный сироп в ферментере, пищевая меласса, сливочное масло, мука в бункере, патока, комбикорма, удобрения, нефть, дизельное топливо;
  • Противоконденсатный обогрев резервуаров. Применяется для исключения возможности образования конденсата на стенках сосуда. Для автоматического регулирования температурного режима используется определение «точки росы», которая, в свою очередь, зависит от влажности воздуха и разности температур между стенками и окружающей средой;
  • Разогрев продукта до заданной температуры за требуемое время. Часто в этой задаче применяют комбинированный разогрев: устанавливают на фланцах резервуара мощные ТЭНы для разогрева продукта; после разогрева они отключаются и передают эстафету кабельным системам обогрева, равномерно поддерживающим требуемую температуру по всему объёму резервуара;
  • Обогрев резервуаров, содержащих продукты, находящиеся в твердой фракции (уголь, руда и др.). Теплоизоляция резервуаров и их подогрев предотвращает смерзание частиц внутри бункера.

Электрообогрев резервуара — основные компоненты КЭСО

Точная конфигурация и состав оборудования определяются в каждом случае индивидуально. При этом проектировщиками принимаются во внимание множество параметров — от физических характеристик хранимого или перерабатываемого продукта, его агрессивности и экологической безопасности до климатических особенностей региона. Учитывается и специфика самой задачи, где выделяются такие составляющие, как эффективность и скорость разогрева, требуемая для снижения энергозатрат теплоизоляция емкостей, наличие особенностей в технологическом цикле и пр.

Как правило, в большинстве типовых систем электрообогрева резервуаров присутствуют такие компоненты, как:

  • Собственно нагревательные элементы, которые выпускаются в двух вариантах. В первом случае, это обычные резистивные кабели, либо более удобные в монтаже саморегулируемые. Вторая разновидность — специальные панели и модули;
  • Питающая сеть. Такая сеть представляет собой полностью завершенную конструкцию, которая, кроме подводящих токонесущих кабелей, включает в себя ещё и кабеленесущие системы, соединительные коробки, элементы индикации, коннекторы, муфты и пр.;
  • Управляющая система, в состав которой входит шкаф управления с подключенной к нему системой датчиков. Находящееся в шкафу оборудование определяется конкретной задачей и включает в себя контроллеры, регуляторы, коммутационно-защитную и пускорегулирующую аппаратуру, элементы управления и индикации, а при необходимости, ещё и барьеры искробезопасности;
  • Основа управляющей системы — терморегуляторы. Среди терморегуляторов компании DEVI для поддержания необходимой температуры продуктов подходят DEVIreg™ 316, DEVIreg™ 330 с рабочими диапазонами регулировки температуры (-10...+10)°С, (5...45)°С и (60...160)°С, DEVIreg™ 610 в исполнении IP44;
  • Установочные и крепежные элементы, арматура, вводы, хомуты, кронштейны, монтажная лента и т.п.

Способы монтажа нагревательных кабелей на цистернах и баках

Разработаны различные способы монтажа нагревательных кабелей на больших цистернах и баках — хранилищах различных жидких продуктов и смесей. Представляем наиболее типовые.

Первый способ. Закрепление нагревательного кабеля змейкой на натянутой монтажной ленте.

Монтаж нагревательного кабеля на пожарных баках

Сведение монтажных выводов нагревательных кабелей в распределительную коробку

Второй способ. Монтаж нагревательного кабеля на ленте, закреплённой на цистерне специальными проволочными натяжителями.

Третий способ. Монтаж с использованием металлической сетки.

Обогревается азотный ресивер саморегулируемым нагревательным кабелем. Кабель проклеивается к поверхности бака специальным скотчем с сильной адгезией и дополнительно закрепляется натянутыми полосками сетки.

 

Установка нагревательного кабеля на цилиндрическом баке с применением металлической сетки.

Заключение

В обогреве резервуаров нуждается большая часть различных промышленных направлений. Устройства электрокабельного обогрева дают возможность поддерживать нужные температуры в процессе хранения или использования в технологических процессах разнообразных продуктов и химических веществ. С их помощью можно избежать негативных последствий, вызываемых охлаждением хранящихся продуктов или воздействием температур, недопустимых для условий хранения и дальнейшего транспортирования по трубопроводам.

Резюмируя вышесказанное, можно отметить, что электрокабельный обогрев, обеспечивающий хранение продуктов в заданном диапазоне температуры, очень важен для следующих видов продукции:

  • Химически активные вещества (кислоты, щёлочи и пр.), растворы и суспензии химического происхождения;
  • Нефть и продукты нефтепереработки, включая мазут, различные масла, битум, гудрон;
  • Продукция пищевой промышленности;
  • Питьевая и техническая вода (пожарные резервуары, канализационные накопители, ёмкости и цистерны бытового снабжения).

Объединяя перечисленные выше конкретные решения по обогреву всевозможных резервуаров в основные направления, можно сформулировать следующие глобальные задачи, решаемые электрокабельным обогревом емкостей:

  • Обогрев различных резервуаров технологического, аграрного и бытового назначения;
  • Предотвращение образования наледи на внутренней поверхности стенок цистерн;
  • Восстановление необходимых тепловых показателей веществ, которые охладились вследствие тепловых потерь;
  • Подогрев резервуаров с находящимися в них жидкими веществами и суспензиями.

Электрические методы обогрева резервуаров, цистерн и баков сегодня стали практически безальтернативными, вытеснив традиционные способы поддержания заданной температуры в технологических емкостях. Причин достаточно много. Вот лишь некоторые из них:

  • Эксплуатационная надежность;
  • Эффективность, достигаемая в системах электрообогрева за счет максимально возможного контакта с поверхностью. Нагревательные элементы плотно прилегают к стенкам, обеспечивая тем самым полную передачу тепла, причем без локальных перегревов;
  • Практически неограниченный срок службы оборудования;
  • Предельная простота монтажа, исключающая громоздкие установочные и поддерживающие детали;
  • Высокая удельная мощность при небольшом собственном весе и компактности;
  • Минимальные требования к обслуживанию систем электрообогрева. В критических ситуациях всё сводится к простым операциям замены;
  • Электрообогрев резервуаров легко поддается автоматизации;
  • Удобное и простое в реализации совмещение задач обогрева и теплоизоляции резервуаров.