Журнал ТЕХСОВЕТ премиум

 

Традиционный способ защиты - прокладка труб ниже глубины промерзания грунта, которая для центральных областей России равна 1,4 м (рис. 1). Далеко не всегда имеется возможность уложить трубы на такую глубину. А в случае вечной мерзлоты это и бессмысленно. Теплоизолирование труб при их наружной прокладке также не защитит их от замерзания, так как расход воды в индивидуальных домах невелик.

Отличным решением проблемы могут служить различные варианты системы кабельного обогрева трубопроводов «Тепломаг».

Так для водопровода и канализации требуется, независимо от условий окружающей среды, поддерживать на трубопроводах и резервуарах положительную температуру, обычно 3-5°С. Открывая кран горячей воды, мы ожидаем, что она немедленно польется. Однако реально надо ждать пока сойдет остывшая вода. Все указанные проблемы может решить система «Тепломаг».

Система состоит из следующих основных элементов (рис.2):

·      кабельные нагревательные секции,

·      подсистема подачи питания

·      подсистема управления обогревом,

·      монтажные элементы,

·      тепловая изоляция.

Чтобы обеспечить бесперебойное функционирование трубопровода система обогрева должна выделять достаточное количество тепла. Рассмотрим как определяется линейная мощность системы обогрева для случая, когда труба проложена на открытом воздухе. На рис. 3 показана труба с тепловой изоляцией. На трубе, как мы уже говорили, следует поддерживать определенную положительную температуру. В расчетах по определению мощности обогрева в качестве температуры окружающего воздуха следует принимать минимальную для данного региона температуру. Необходимо также знать коэффициент теплопроводности и толщину теплоизоляции.

 

 

Линейная мощность обогрева может быть определена из соотношений:

Q = Tтр - Toc / R

R = ln (Dиз /Dтр) / 2 p l + 1 / p Dиз a

Dиз = Dтр + 2*d

где:  Tтр   - требуемая температура на трубе, °С

Toc - минимальная температура окружающей среды, °С

R     - термическое сопротивление теплоизоляции, м²*°С/Вт

Dтр - наружный диаметр трубы, мм

Dиз - диаметр по изоляции, мм;

d     - толщина теплоизоляции, мм;

l     - коэффициент теплопроводности, Вт / м*°С

a     - коэффициент теплоотдачи с поверхности трубопровода, Вт/ м²*°С

В качестве изоляции очень удобно использовать готовые теплоизолирующие трубки из вспененных резины или полиэтилена. Обычно они имеют толщину 15 - 30 мм и коэффициент теплопроводности 0,035 - 0,045 Вт / м*°С. Коэффициент теплоотдачи зависит в основном от того, где проходит трубопровод. Для трубопроводов, проходящих на открытом воздухе, величину a рекомендуется принимать равной 30, а для трубопроводов в помещениях - 10.

 

 

Примеры: определим линейную мощность обогрева водопроводной трубы диаметром 25 мм, изолированной пористой резиной и проложенной на открытом воздухе,  канализационной трубы диаметром 100 мм, проложенной в подвале и изолированной минеральной ватой.

 

 

Толщина теплоизоляции в первом случае 15 мм, а во втором 30 мм; коэффициент теплопроводности для пористой резины 0,035, а для минеральной ваты 0,05 Вт/м °С. Трубопроводы должны поддерживаться при температуре 5°С. Минимальная температура для открытого воздуха -35°С, а для подвала -20°С. Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Параметр	Единицы	Водопровод	Канализация
Диаметр трубы	мм	25	100
Толщина теплоизоляции	мм	15	30
Диаметр по изоляции	мм	55	160
Коэффициент теплопроводности	Вт/м °С	0,035	0,05
Коэффициент теплоотдачи	Вт/м2 °С	30	10
Термическое сопротивление	м2 °С/Вт	3,6	1,6
Разность температур	°С	40	25
Расчетные линейные теплопотери	Вт/м	11,1	15,7
Ожидаемые линейные теплопотери	Вт/м	13,8	19,6

 

При изложенном подходе не учитываются дополнительные потери, связанные с фланцами, фитингами, опорами. Поэтому расчетную величину тепловых потерь как правило увеличивают на 20 - 25%.

Как видно из полученных результатов для поддержания проходимости труб даже при минимальных зимних температурах требуются небольшие мощности. Повышение температуры окружающей среды приведет к тому, что трубы начнут разогреваться выше +5°С и терморегулятор будет периодически отключать нагрев.

Реализация системы обогрева будет зависеть от длины конкретного трубопровода и схемы его прокладки.

Положим, что водопроводная труба подает воду из скважины в дом. Охлаждаемая часть трубы в колодце имеет длину 2 м, отрезок трубы на воздухе длиной 4 м и на последнем участке труба проходит через стену дома толщиной 0,3 м. Все три участка невелики по длине и существенно различаются по условиям теплоотдачи. Обогрев подобной трубы лучше всего решить с помощью секции саморегулирующегося кабеля марки 17FSLe2-CT с линейной мощностью 17 Вт/м. Полная мощность секции будет равна 17 х (2+4+0,3) = 107 Вт. Внешний вид кабеля показан на рис. 4.

Саморегулирующиеся секции обладают рядом несомненных достоинств:

·      учитывая, что тепловыделение происходит в полупроводящей полимерной матрице, расположенной между двумя токопроводящими жилами, кабель может использоваться даже в виде очень короткой секции (начиная от 20 -30 см), что очень удобно для небольших трубопроводов;

·      кабель локально, буквально на участке в 2-3 см, может автоматически изменять свое тепловыделение при изменении условий теплоотдачи или при неодинаковых условиях теплоотдачи по длине трубы, как в рассмотренном примере;

·      благодаря этому же свойству кабель отвечает высоким требованиям безопасности, поскольку никогда не перегревается.

 

 

 

Канализационная труба, как мы уже говорили, проходит в подвале и имеет длину 13 м. Для ее обогрева может использоваться как саморегулирующаяся секция того же кабеля 17FSLe2-CT, уложенного по спирали, так и секция резистивного кабеля постоянной мощности марки НО (рис. 5) с линейной мощностью 10 Вт/м, уложенная параллельно трубе в две нитки.

Длина саморегулирующейся секции будет во столько раз больше длины трубы, во сколько раз ожидаемые теплопотери больше линейной мощности, в нашем случае длина секции будет равна 15 м, а полная мощность 255 Вт. Длина резистивной секции естественно будет равна 26 м; полная мощность 260 Вт. В обоих случаях подключение питания можно будет выполнить на одном конце трубы.

Резистивный кабель заметно дешевле саморегулирующегося, но он может использоваться только в виде секций стандартной длины и мощности, причем по всей длине обогреваемого трубопровода должны быть одинаковые условия теплоотдачи. Минимальная длина резистивной секции 26 м.

Управление нагревом в обоих случаях можно осуществить через терморегулятор РТ 007 «Тепломаг», настроенный на температуру +5°С ( рис. 6). Если температура трубы опускается ниже этого значения - обогрев включается и предохраняет трубу от замерзания.

 

 

Для обеспечения немедленного функционирования системы горячего водоснабжения, построенной по схеме: накопительный нагреватель и незамкнутая система трубопроводов, следует использовать другой вариант системы «Тепломаг». Вдоль всех трубопроводов прокладывается одна нитка саморегулирующегося кабеля, назначение которого поддерживать воду в трубе при температуре 50-55°С. Если температура окружающего воздуха равна 20°С, а труба диаметром 20 мм имеет изоляцию из пористой резины толщиной 15 мм, то проведя расчеты аналогично тому, как это показано выше, мы получим, что мощность обогрева должна быть равна 9-10 Вт/м. Именно такую мощность нагревательный кабель должен выделять при температуре 55°С. Учитывая, что мощность саморегулирующихся кабелей существенно зависит от температуры, находим подходящий кабель. Это HW-P, тепловыделение которого при 55°С равно 8 Вт/м. но при понижении температуры трубы растет и достигает 31 Вт/м при 10°С.

Рис. 7. График работы системы поддержания температуры на трубе горячей воды.

 

 

Система поддержания температуры работает таким образом. Все время пока вода стоит кабель греется и поддерживает на трубе и в воде температуру 55°С, но когда в трубы поступает более горячая вода из накопителя кабель снижает свое тепловыделение (рис. 7). Стоит воде остановиться и начать остывать и процесс повторяется. Достоинство системы в том, что не надо ждать пока сольется из труб остывшая вода, уменьшается расход воды, схема трубопроводов может быть предельно простой. С другой стороны обогрев трубопроводов горячего водоснабжения, действуя совместно с накопительным нагревателем, позволяет ускорить достижение рабочих температур в системе горячего водоснабжения при ее запуске. 

Пример реализации. Суммарная длина труб горячего водоснабжения отдельно стоящего  дома имеет длину 20-50 м. Такой же будет длина нагревательных секций, мощность системы обогрева в рабочем режиме составит 200-500 Вт. Получать электропитание и включаться система обогрева трубопроводов должна совместно с накопительным подогревателем воды. Оснащать эту систему терморегулятором имеет смысл только в том случае, если дом периодически выводится в режим консервации. При этом система обогрева начинает играть роль противообледенительной системы, рассмотренной выше.

Зачастую водопровод оснащается накопительным баком.. Такие баки как правило устанавливаются на не обогреваемых чердаках. Предотвратить замерзание воды в баке также поможет система «Тепломаг».

Расчет удельных теплопотерь бака (Вт/м²) выполняется аналогично расчету потерь трубопровода, но при расчете термического сопротивления стенок используется формула

R = d / l + 1 / a

где: d - толщина теплоизоляции стенок бака, мм

Суммарная мощность системы обогрева будет равна произведению площади стенок бака на удельные тепловые потери (при условии, что крышка бака также теплоизолирована).

Пример реализации. Накопительный бак в среднем имеет емкость 1000 л и размеры порядка 1,0х1,0х1,2 м. Положим, что он имеет теплоизоляцию толщиной 50 мм, выполненную из импрегнированной минеральной ваты с коэффициентом теплопроводности 0,04 Вт/м°С. В баке требуется поддерживать температуру до 5°С, а температура на чердаке может опускаться до -30°С. Результаты расчетов приведены в таблице 2.

Как видно из приведенных данных для предотвращения замерзания такого бака понадобится система обогрева мощностью не более 250 Вт, которая может быть реализована путем укладки на стенках бака саморегулирующейся или резистивной нагревательной секции указанной мощности. Поверх нагревательных секций следует смонтировать тепловую изоляцию.

Параметр	Единицы	Бак	Стенки	Крышка	Дно
Длина	мм	1000	1000	1000	1000
Ширина	мм	1000	1000	1000	1000
Высота	мм	1200	1200	*	*
Площадь поверхности	м2	6,8	4,8	1	1
Объем	м3	1,20
Наполнение бака	м3	1
Толщина теплоизоляции	мм		50	50	50
Коэффициент теплопроводности	Вт/м °С		0,04	0,04	0,04
Коэффициент теплоотдачи	Вт/м2 °С		10	10	6
Термическое сопротивление	м2 °С/Вт		1,4	1,4	1,4
Температура в баке	°С	5	5,0	5,0	5,0
Температура окружающая	°С	-30,0	-30,0	-30,0	-30,0
Разность температур	°С		35,0	35,0	35,0
Расчетные удельные теплопотери	Вт/м2		25,9	25,9	24,7
Расчетные суммарные теплопотери	Вт	175,1	124,4	25,9	24,7
Ожидаемые суммарные теплопотери	Вт	218,8	155,6	32,4	30,9

 

Таким образом, мы показали, что система «Тепломаг» позволяет решить ряд вопросов непрерывного функционирования водопроводных и канализационных систем отдельно стоящего здания:

·      при незначительных затратах электроэнергии предотвращает замерзание трубопроводов и резервуаров с водой;

·      значительно улучшает функционирование системы горячего водоснабжения.