Обогрев разветвлённых трубопроводов водоснабжения и канализации

 

  1. Введение
  2. Описание системы
  3. Терморегуляторы
  4. Крепление и подключение
  5. Проектирование системы
  6. Регулирование температуры
  7. Выбор терморегулятора
  8. Способы автоматического управления обогревом трубопроводом со сложной разветвлённой структурой
  9. Электрические параметры
  10. Распределение нагревательных секций по участкам обогрева трубопровода и способы крепления нагревательного кабеля
  11. Заключение

Введение

Разберём несколько ситуаций, когда необходимо обеспечить электрокабельный обогрев разветвлённой сети трубопроводов. Предметы нашего рассмотрения — это:

  • Трубопроводы водоснабжения и канализации многоэтажной гостиницы или торгового центра;
  • Система водоотведения многоярусной автостоянки;
  • Системы холодного и горячего водоснабжения, а также канализационного водоотведения большого жилого дома;
  • Технологические трубопроводы предприятий нефтегазовой и пищевой промышленности;
  • Дренажная многоветвистая сеть трубопроводов системы централизованного кондиционирования гостиничного комплекса или современного многоэтажного городского жилого дома.

В настоящей статье описан подход к выбору решения по предотвращению замерзания воды, загущения дизтоплива или поддержания требуемой технологической температуры, к примеру, сахарной патоки, эмульсии или масла в трубопроводах со множеством боковых ответвлений.

Действительно, с первого взгляда не очень понятно, как правильно организовать структуру кабельной электрической системы обогрева (КЭСО) имеющегося «ветвистого» трубопровода? Как разумно подвести питание к участкам обогрева?

Описание системы

Общий подход к проектированию КЭСО разветвлённого трубопровода, в основном, совпадает с методикой расчёта любого трубопровода. Однако, есть и свои особенности.

  1. Вначале оцениваются теплопотери имеющегося трубопровода. Для дальнейших расчётов полученную величину линейных теплопотерь (потери тепла с одного погонного метра трубы, Вт/м) следует умножить на коэффициент запаса 1,3. Таким образом, получаем основную расчётную величину — линейную мощность тепловой энергии, которую должен обеспечить нагревательный кабель на каждом метре трубопровода. Обозначим этот параметр руст, Вт/м. Здесь нас поджидает первая особенность разветвлённого трубопровода: магистральная труба у входа обычно имеет большой диаметр и по мере продвижения к периферии диаметр магистральной трубы и боковых отводов становится всё меньше. Соответственно, руст также уменьшается. При установке нагревательного кабеля на внешней поверхности труб для обеспечения требуемой компенсации теплопотерь можно:
  • уменьшить толщину теплоизоляции для труб меньшего диаметра

или

  • перейти на другую схему укладки кабеля, например, вместо двух линий кабеля устанавливать одну линию. Рекомендуется составить список наружных диаметров всех имеющихся в трубопроводной сети участков труб, определить для каждого из них руст при выбранной толщине теплоизоляции и придумать схему укладки (одна, две или несколько прямых линий, «волна», «спираль»).
  1. Далее выбираем тип нагревательного кабеля. Очень часто выбирают саморегулируемый нагревательный кабель. Он удобен тем, что для планируемого участка обогрева разветвлённого трубопровода можно подобрать точную длину нагревательной секции. Величина его линейной теплоотдачи р0 для заданной температуры поддержания Т0 определяется по характеристике р (Т) изменения теплоотдачи от температуры. Этот график обычно всегда присутствует в технических характеристиках саморегулируемого кабеля. Для установки на пластиковых трубах можно использовать марки саморегулируемых кабелей DEVIpipeguard™ 25 и DEVIiceguard™ 18, которые благодаря эффекту саморегулирования никогда не перегреются сами и не проплавят пластиковую трубу даже под толстым слоем теплоизоляции. Независимое регулирование мощности теплоотдачи саморегулируемых кабелей на каждом локальном участке обогреваемой трубы осуществляется по всей длине нагревательной секции за счёт эффекта саморегулирования и зависит от фактической температуры окру­жающей среды. Таким образом, на разных участках обогреваемой трубы линейная мощность теплоотдачи может быть различной. При повышении внешней температуры количество отдаваемой тепловой энергии уменьшается. Поэтому способность самоограничения мощности позволяет избежать пе­регрева даже в случае перекрещи­вания линий одного или контакта двух работающих кабелей, что категорически недопустимо для резистивных кабелей! Особенность конструкции саморегули­руемых нагревательных кабе­лей позволяет подбирать длину нагревательной секции в процессе производства монтажных работ непосредственно по месту. Это упрощает проектиро­вание и проведение монтажных работ.
  2. При сравнении стоимости 1 метра резистивных и саморегулируемых кабелей последние проигрывают, так как их стоимость обычно больше в 3,5...4,5 раза. Кроме того, готовые к установке нагревательные секции получаются из «саморегов» только после самостоятельного монтажа соединительной и концевой муфт. Чтобы избежать работы по «муфтированию» саморегулируемых кабелей, некоторые потребители предпочитают подбирать готовые к установке заводские нагревательные секции определённой длины с уже установленными заводскими муфтами. Обычно пользователи приобретают резистивные кабели DEVIflex™ 10T или DEVIbasic™ 10S, поставляемые в виде готовых к установке нагревательных секций определённой длины. Номенклатура длин этих марок нагревательных кабелей весьма широка, что позволяет подобрать нагревательную секцию с длиной, близкой к требуемой. Понятно, что следует выбирать длину нагревательной секции такой протяжённости, чтобы установленная мощность на 1 м трубы не оказалась меньше расчётного значения линейных теплопотерь.
  3. Специфика разветвлённого трубопровода заключается также в разумном подходе к выбору схемы укладки нагревательного кабеля. Обычно стараются выбрать укладку кабеля в одну линию. Если боковое ответвление имеет небольшую протяжённость, то разумно проложить кабель на нём петлёй, в две линии (свернуть на боковое ответвление и вернуться к магистрали). Если же боковая труба длинная, то, видимо, следует свернуть на неё в одну линию и завершить укладку данной нагревательной секции в конце отходящей ветви. Дальнейший обогрев магистрали нашего трубопровода с возможными боковыми ответвляющимися трубами будет производиться другими нагревательными секциями.
  4. Приведём различные варианты укладки нагревательных секций на разветвлённых трубопроводах. Соответственно, различными будут схемы подвода питания к распределительным коробкам, от которых будут отходить нагревательные кабели. На схеме перечислены 3 варианта наборов аксессуаров, необходимых для подключения нагревательных кабелей.

Расположение распределительной коробки на магистральной трубе с ответвлением боковой трубы:

Терморегуляторы

Для контроля системы обогрева труб рекомендуется использовать терморегулятор DEVIreg™ 330 (для пластиковых труб — две модификации с рабочими диапазонами регулировки температуры: −10...10°С и 5...45°C) с креплением на DIN-рейке в электрощите и установкой в отапливаемом помещении и DEVIreg™ 610 (IP44) с установкой на стене или трубе (возможен монтаж на улице).

Терморегуляторы поставляются в ком­плекте с датчиками температуры на проводе длиной 3 м NTC 15 кОм при 25°C. Провод датчика можно удлинить гибким двухжильным неэкранированным контрольным проводом подходящей марки. Сечения жил 0,75 мм² достаточно для удлинения вывода датчика до 50 метров.

Крепление и подключение

Крепление кабелей к пластиковым трубам осуществляется с помощью клейкой алюминиевой монтажной ленты Alutape (код товара 19805076, см. фото). Перед монтажом кабеля на пластиковую трубу приклеивается полоса алюминиевой клейкой ленты; можно плотно обернуть трубу металлической фольгой. Кабель проклеивается вдоль по всей длине лентой Alutape.

 

 

 

 

Очень надёжное крепление нагревательных кабелей обеспечивает алюминиевая клейкая лента повышенной прочности и адгезии (0,06×50) м, код товара 19805082, см. фото. Эта монтажная лента рекомендуется для закрепления саморегулируемых нагревательных кабелей.

Алюминиевая клейкая лента повышенной прочности и адгезии (0,06×50) м (#19805082).

Проектирование системы

Мощность нагревательных кабе­лей, установленных на трубе, не должна быть меньше расчётных тепловых потерь, умноженных на коэффициент запаса 1,3.

В большинстве случаев установленная линейная мощность на 1 метр трубы 10 Вт/м является достаточной, если:

  • диаметр трубы не превышает 50 мм,
  • толщина изоляции не меньше диаметра трубы,
  • температура окружающей среды не опускается ниже −30 °C,
  • требуемая температура внутри трубы составляет 5 °C.

 

Другими словами, для вышеупомя­нутых условий требуется всего одна линия кабеля мощностью 10 Вт/м (DEVIflex™ 10T и т.п.). При горизонтальном расположении трубы нагревательный кабель приклеивается монтажной лентой Alutape к её внешней поверхности снизу. Датчик температуры, наоборот, устанавливается на трубе под слоем теплоизоляции сверху, на самом холодном участке.

При обогреве металлических труб выгоднее использовать более мощные резистивные кабели (с линейной мощностью 18 или 20 Вт/м): DEVIflex™ 18T, DEVIsafe™ 20T и одножильный DEVIbasic™ 20S.

Примечание: Для пластиковых и металлопластиковых труб линейная мощность рези­стивных нагревательных кабелей не должна превышать 10 Вт/м. Это ограничение не распространяется на саморегулируемые кабели.

Приведём ещё один пример расположения нагревательных кабелей на разветвлённом трубопроводе. Протяжённые трубопроводы со множеством ответвлений, а также такие, где отдельные обогреваемые участки проходят через помещения с различными температурными условиями, требуют многоточечного контроля температуры. Для крупных промышленных предприятий, гостиниц, автостоянок часто в Техническом задании на проектирование оговаривается требование о необходимости диспетчеризации контроля, то есть сведение информации о работе системы обогрева на единый диспетчерский пульт управления.

Регулирование температуры

Нагревательные кабели постоянной мощности, а также саморегулируемые нагревательные кабели требу­ют установки терморегулятора. Терморегулятор обеспечивает поддержание посто­янной температуры и нагрев при ограниченном потреблении энергии, даже для саморегулируемых кабе­лей, которые в отсутствие терморегулятора всегда включены и потребляют электроэнергию, даже когда это не требуется.

Регулирование температуры терморегуляторами с помощью датчиков, установлен­ных на трубах.

Этот тип установки, когда датчик размещается непосредственно на трубе под слоем изоляции, является более точным и энергоэффек­тивным способом регулирования, чем с датчиком температуры воздуха.

Регулирование с помощью дат­чика, установленного на трубе, зачастую используется для систем со множеством труб и ответвлений с различными температурными параметрами и условиями. Такая система требует большего количе­ства терморегуляторов и является необ­ходимой в следующих случаях:

  • трубы имеют разные размеры и толщину изоляции;
  • имеются переменные температурные ус­ловия, например, труба, ведущая из здания наружу и назад в зда­ние или установленная в воздухе или под землей;
  • имеется смешанная система труб со стоячей и текущей водой;
  • трубы, обеспечивающие подачу какой-либо жидкости, чувстви­тельны к резким перепадам температуры.

Регулирование с датчи­ком, расположенным непосредственно на трубе, требуется в случаях, когда установка выполнена кабелями постоянной мощности, расположенными на пластиковых трубах (например, ПВХ, ПП, ПЕ, ПЕ-Х).

Выбор терморегулятора

Выбор терморегулятора зависит от величины поддерживаемой температуры, планируемого места установки (на DIN-рейке, в коробке или вне помещения), а также возможных дополнительных требований.

Размещение датчика на трубе

Датчики для систем защиты от замерзания разветвлённого трубопровода необходимо устанавливать в месте, наиболее подходящем для всей установки, т.е. в наиболее холодной точке установки (например, на той части трубы, которая повернута ко входу неотапливаемой автостоянки).

Способы автоматического управления обогревом трубопроводом со сложной разветвлённой структурой

В общем виде структурную схему системы управления электрообогревом сложного трубопровода можно представить в виде блок-схемы:

Подсистема сбора информации расположена на самом нижнем уровне в структуре системы управления электрообогревом, предназначена для измерения температуры обогреваемого объекта и, как правило, состоит из датчиков температуры различного типа, расположенных непосредственно на трубопроводе и измеряющих температуру с требуемой точностью.

Подсистема передачи информации расположена в центре структуры системы управления электрообогревом и предназначена для передачи информации о температуре обогреваемого объекта от подсистемы сбора информации к подсистеме управления и сигнализации. Она состоит из контрольных коробок, где выводы датчиков температуры подключаются к элементам преобразования данных. Например, можно использовать преобразователи сопротивления в унифицированный токовый сигнал (4...20мА).

Подсистема управления и сигнализации расположена на самом верхнем уровне в структуре системы управления электрообогревом. Она анализирует данные о температуре различных участков трубопровода, принимает решения о включении / выключении электрообогрева и сигнализирует о режимах работы. Исполнительными элементами могут быть РТВ (реле максимального тока с механической выдержкой времени). Полученные нормализованные токовые сигналы передаются по контрольным кабелям от коробок к шкафу управления.

В развернутом виде структура системы электрообогрева показана на следующем рисунке.

Один из самых простых вариантов управления электрообогревом — это применение терморегуляторов как главной составляющей подсистемы управления и сигнализации. Терморегуляторы представляют собой электронные устройства, которые с помощью датчиков температуры измеряют температуру обогреваемого объекта. В зависимости от измеренной текущей температуры и введенных установок производится включение / выключение системы электрообогрева.

Система управления, построенная на основе терморегуляторов, имеет как преимущества перед другими способами управления, так и некоторые существенные недостатки. К преимуществам данной системы можно отнести сравнительно невысокую стоимость, простоту построения и настройки системы, а также независимость каналов управления друг от друга. Недостатками данной системы управления является ее низкая информативность, высокая стоимость контрольных кабелей при большом количестве точек контроля и существенные ограничения при мониторинге работы системы.

Обратите внимание на выбранный способ разбиения трубопровода на участки обогрева. Здесь стандартным является обогрев одной нагревательной секцией участка магистральной трубы и одного ответвления.

Электрические параметры

Экран нагревательных кабелей должен быть заземлен в соответ­ствии с местными электрическими стандартами.

Активное сопротивление и сопро­тивление изоляции нагревательно­го кабеля необходимо проверять в обязательном порядке до и после установки. Значение сопротивления должно быть указано на табличке соединительной коробки.

Кабель датчика может быть удли­нен до любой разумной длины с помощью двухжильного контрольного кабеля с минимальным сечением жил 2×0,75 мм².

Распределение нагревательных секций по участкам обогрева трубопровода и способы крепления нагревательного кабеля

Кабель крепится к трубе с помощью алюминиевой клейкой ленты с интервалом приблизительно 25...30 см. При кре­плении кабеля к трубе он должен покрываться алюминиевой лентой по всей длине. Это предотвращает прямой контакт кабеля с изоляци­онным материалом и обеспечивает плотное прилегание нагреватель­ного кабеля к поверхности трубы.

Перед креплением нагреватель­ного кабеля к пластиковой трубе необходимо нанести алюминиевую ленту на место размещения кабе­ля, после чего поместить на нее кабель. Это является необходимым условием и обеспечивает лучшую передачу тепла к поверхности тру­бы. Кабель необходимо крепить в нижней части трубы и/или симметрично относительно поперечного сечения трубы.

Соединительная муфта между на­гревательным кабелем и холодным проводником также должна быть закреплена с помощью алюминие­вой ленты.

Кабель датчика крепится к трубе так же, как и нагревательный ка­бель. Наконечник на конце датчика необходимо покрыть алюминиевой лентой и разместить между кабель­ными линиями по возможности в верхней части трубы.

Запрещается прокладывать нагре­вательный кабель через вентили. Нагревательный кабель относительно жесткий, что упрощает его установку.

Кабель должен быть равномерно распределен по поверхности, пересечение резистивных кабелей запрещается.

Трубы обычно изолируются пеноматериалом, мине­ральной ватой или другим теплоизоля­ционным материалом, толщина которого выбирается в зависимости от величины теплопотерь. Для районов Крайнего Севера толщина теплоизоляции обычно сравнима с диаметром обогреваемой трубы.

Теплоизоляция должна иметь защиту от влаги, которая может привести к повреждению изоляции и сниже­нию её эффективности.

Выбирайте теплоизоляцию с достаточно большим внутренним диаметром, учитывая, что на обогреваемой трубе установлен снаружи нагревательный кабель.

Заключение

Итак, мы видим, что обогрев разветвлённых трубопроводов требует тщательной предварительной проектной работы. Из многих возможных решений следует выбрать оптимальное, как по типу применяемых кабелей (саморегулируемые или резистивные), так и по сочетанию «толщина теплоизоляции — схема укладки кабелей». Сложные схемы трубопроводов требуют также более продуманного подхода к терморегулированию системы, что в конечном итоге обеспечит экономичное управление обогревом при эксплуатации сложных и больших систем водоснабжения, водоотведения и канализации.