2.6 Расчет толщины теплоизоляции

Все тепловыделяющие поверхности оборудования и ограждений должны быть теплоизолированы так, чтобы температура наружной поверхности изоляции не превышала 318 К (+45 ⁰С), а во взрывоопасных помещениях температура наружной поверхности оборудования или ограждения не должна превышать 308 К (+35 ⁰С). С целью недопущения вредных воздействий повышенной температуры поверхности оборудования применяется защитная теплоизоляция.

Для проведения расчета задаются следующие значения температур:

t_ВН. = 100 ⁰C – температура внутри рабочей камеры;

t_ПОВ = 45 ⁰C – температура на поверхности кожуха;

t_В = 20 ⁰C – температура окружающего воздуха.

Толщина изолируемой стенки оборудования (δ_ст) принимается равной 0,05 м.

Теплота, создаваемая внутри изолированного оборудования, переносится к поверхности конструкции и оттуда выносится через теплоизоляцию. Количество выносимой теплоты, Вт, определяется по формуле:

_{, (2.32)}

где k – суммарный коэффициент теплопроводности конструкции

(материала стенки оборудования и материала слоя изоляции),

Вт/ч ·м^{2 о}С, (таблица 2.13);

F – изолирующая площадь, м²;

, - температура внутри рабочей камеры (то есть внутри

оборудования) и температура на поверхности кожуха (на

внешней стенке оборудования), ⁰С.

Выведенное на поверхность тепло путем поверхностного излучения с нагретого тела отводится в окружающую среду и определяется по формуле:

, (2.33)

где – коэффициент теплоотдачи от поверхности к воздуху помещения,

кДж/(ч·м^{2 0}С);

– температура окружающего воздуха, ⁰С.

Коэффициент теплоотдачи от изолированной стенки к воздуху представляет собой сумму коэффициентов теплопередачи лучеиспусканием и конвекцией воздуха, то есть:

. (2.34)

Согласно закону Стефана-Больцмана энергетическая совместимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры, то есть:

, (2.35)

где - 5,67^.10^-8 Вт м^-2 К^-4 – постоянная Стефана-Больцмана.

Этот закон отражает равновесное излучение в замкнутой полости.

Используя эту зависимость и закон Вина, α(луч) можно выразить формулой:

, (2.36)

где Т_ПОВ и Т_В – абсолютные температуры поверхности кожуха и

окружающего воздуха соответственно, К;

е – степень черноты изолирующей поверхности, ≤ 1, (таблица 2.9).

Тепло переносится с вещественным потоком. Поэтому коэффициент α(конв) зависит от кинематических параметров перемещающейся окружающей газовой атмосферы и от физических свойств газа. В практических расчетах для оценки коэффициента α(конв) используется некоторая эмпирическая зависимость:

, (2.37)

где – число Нуссельта, величина безразмерная, характеризующая

интенсивность конвективного теплообмена между поверхностью

тела и потоком газа или жидкости; по существу является

критерием подобия;

λ– коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/мК, (таблица 2.11);

L – размер характерного параметра формы тела, находящегося в

конвектируемой среде, м.

Значение коэффициента теплопроводности газа (в данном случае воздуха) зависит от температуры среды, физических свойств (кинематическая вязкость), которые представляются критерием Прандтля (Рr) (Таблица 2.11).

В свою очередь, критерий Нуссельта представляется следующей эмпирической зависимостью:

, (2.38)

где С и n – некоторые эмпирические коэффициенты (таблица 2.12);

– критерий Грасгофта, который определяется следующей

зависимостью:

, (2.39)

где – коэффициент объемного расширения, β = 1÷(273+t_в), где t_в –

температура окружающего воздуха в ⁰С ;

g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с²;

ν – коэффициент кинематической вязкости, (15,3 ^. 10^-6м²/с);

t_изл – температура на излучающей поверхности, К;

t_в – температура окружающего воздуха, К.

Пользуясь таблицей 2.10, выбирается форма тела, находящегося в конвектируемой среде, например, цилиндр, и его характерный параметр L, который имеет размер в метрах. Для цилиндра – это диаметр со значением, к примеру, 5 м, то есть L =5 м. Подставив значения в формулу 2.39, определяется критерий Грасгофта., который необходим для дальнейших расчетов, в том числе критерия Нуссельта (формула 2.38).

Из таблицы 2.11, при t_в = 20 ⁰С устанавливается значение критерия Прандтля (Р_r) и вычисляется произведение критериев Грасгофта и Прандтля (G_rP_r). Пользуясь таблицей 2.12, определяются значения эмпирических коэффициентов (С, n), а также рассчитывается значение критерия Нуссельта

Определив все необходимые кинематические параметры окружающей среды, находится коэффициент α(конв) (формула 2.37) и суммарный коэффициент теплоотдачи от изолированной стенки к воздуху по формуле 2.34. Суммарный коэффициент теплопроводности конструкции k, Вт/ч·м²·⁰С, определяется из формул:

Q = k·F·(t_вн – t_пов) (2.40)

Q = α·F·(t_пов – t_в), (2.41)

где k - суммарный коэффициент теплопроводности конструкции,

Вт/ч·м² · ⁰С;

F – изолирующая площадь, м².

Приравнивая правые части выражений (2.40) и (2.41):

k·F·(t_вн – t_пов) = α·F·(t_пов-t_в), получается, что:

k = , (2.42)

Также суммарный коэффициент теплопроводности может определяться следующим образом:

k = 1 ; (2.43)

где δ_ст, δ_из – толщина изолируемой стенки оборудования и материала

изоляции, м;

λ_ст, λ_из – коэффициент теплопроводности стенки оборудования и

материала изоляции.

Выбрав изолирующий материал, значение коэффициента теплопроводности материала (_из) определяется из таблицы 2.13. Определив его коэффициент изоляции (_из), зная размер объекта (L), перепад температур из таблицы 2.15 определяется значение коэффициента теплопроводности стенки _ст. Выразив из формулы (2.43) _из, определяется толщина теплоизоляции, учитывая, что толщина стенки (δ_ст) равна 0,05м.

Необходимый для расчета справочный материал представлен в таблицах 2.9-2.15.

Таблица 2.9 – Значения степени черноты различных материалов

Материал	Значение
Лаковые краски	0,86
Асбетовый картон	0,86
Огнеупорные материалы	0,65-0,90
Шамотный кирпич	0,75
Красный кирпич	0,93
Фарфор глазурованный	0,92
Штукатурка шероховатая известковая	0,92

Таблица 2.10 – Размер характерного параметра формы тела

Формы тела	Характерный параметр
Цилиндр	Диаметр
Горизонтальный параллелепипед	Ширина
Вертикальный параллелепипед	Высота

Таблица 2.11 – Значения коэффициента теплопроводности, кинематической вязкости воздуха, Критерия Прандтля

Температура воздуха, 0С	Коэффициент теплопроводности, Вт/мК	Коэффициент кинематической вязкости, v, м2/с	Критерий Прандтля
10	0,0251	14,16	0,705
20	0,0259	14,06	0,703
30	0,0267	16,00	0,701
40	0,0276	16,96	0,699
50	0,0283	17,95	0,698

Таблица 2.12 – Значения эмпирических коэффициентов С и n

	C	n
1.10-3	0,5	0
1.10-3-5.102	1,18	1/8
5.102-2.107	0,54	1/4
2.107-1.1018	0,135	1/3

Таблица 2.13 – Коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов, Вт/м^{2 0}С

Изолирующий материал	Максимальная температура применения данного материала, 0С	Коэффициент теплопроводности Вт/м2 0С
Асбест гофрированный	350	0,059
Асбестовый шнур	450	0,120
Асбозурит мастичный М 600	900	0,160
Войлок отеплительный	100	0,44
Диатомитовые теплоизоляционные изделия Д 600	900	0,140
Маты минеральные на металлической сетке	600	0,045
Маты стекловатные прошивные	180	0,042
Пеношамотные изделия	1350	0,280
Совелит мастичный	500	0,099
Асбозуритовый штукатурный слой	350	0,23
Асбоцементный штукатурный слой	350	0,38
Ньювелит мастичный	350	0,077

Таблица 2.14 – Приближенные значения коэффициента теплоотдачи от стенки в

окружающую среду (α_конв), кДж/(ч^.м^{2 0}С)

Изолированный объект	В закрытом помещении		На открытом воздухе при скорости ветра, м/с
	Покрытие с малым коэффициентом излучения	Покрытие с высоким коэффициентом излучения	5	10	15
Горизонтальные трубопроводы	6	10	20	25	35
Вертикальные трубопроводы, плоские стенки	7	11	25	35	50

Таблица 2.15 – Приближенные значения коэффициента теплоотдачи для горизонтальных и вертикальных поверхностей (α_ЛУЧ), Вт/( ч·м^{2 0}С), кДж/(ч·м^{2 0}С)

Изолированный объект	Диаметр объекта, мм	Поверхности с малым коэффициентом излучения				Поверхности с высоким коэффициентом излучения
		Перепады температур, оС
		10	20	30	40	10	20	30	40
Горизонтальные трубопроводы с изоляцией	100	6,1	7,0	7,7	8,2	9,8	10,9	11,8	12,5
	120	5,9	6,8	7,5	8,0	9,6	10,7	11,6	12,2
	140	5,8	6,6	7,2	7,8	9,5	10,5	11,3	12,1
	160	5,7	6,5	7,1	7,7	9,4	10,4	11,2	12,0
	180	5,5	6,4	7,1	7,7	9,3	10,3	11,2	12,0
	200 и более	5,4	6,4	7,1	7,7	9,2	10,3	11,2	12,0
Вертикальные трубопроводы и оборудование		5,8	6,9	7,7	8,3	9,5	10,8	11,8	12,6