Аппараты в помещении

Для аппаратов с :

(40)

40 – 50⁰ С – наружная температура аппарата (стенки).

Теплоизоляция необходима для аппаратов, работающих при высокой температуре; а также главное её назначение – это уменьшение потерь энергии и создание нормальных условий труда (предотвращение ожогов, заметного повышения или понижения температуры в рабочих помещениях).

Требования к изоляционным материалам:

низкий коэффициент теплопроводности, малая объёмная плотность, минимальная гигроскопичность, химическая инертность и удобство укладки, устойчивость к рабочей температуре.

Теплоизоляторы бывают:

• неорганические (стеклянная, минеральная вата, ячеистый бетон, изделия из асбеста, керамика);

• органические (древесноволокнистые, торфяные, пробковые плиты, теплоизоляционные пластмассы).

Характеристики: теплопроводность , предельная температура, коэффициент теплоотдачи.

Плоская стенка

Толщина изоляции плоской стенки (или цилиндров с диаметром более 2 м.) рассчитывается по уравнению (41):

, (41)

где - удельный тепловой поток, ; - температуры рабочей среды в аппарате, ; - температура окружающего воздуха, ; - коэффициент теплоотдачи от рабочей среды к стенке аппарата, ; - коэффициент теплоотдачи от поверхности теплоизоляции к воздуху, ; - сумма термических сопротивлений стенки аппарата и изоляции, ; - толщина стенки (изоляции), ; - теплопроводность, .

При малом термическом сопротивлении стенки аппарата (например, стальной аппарат без футеровки) термическим сопротивлением стенки можно пренебречь:

, (42)

где - толщина изоляции, ; - теплопроводность изоляции, .

Определение толщины тепловой изоляции

Пример 2

Определить толщину асбестовой изоляции котла с температурой контактных газов 270⁰С. Температура поверхности изоляции 50⁰С. Коэффициент теплоотдачи от контактных газов к стенке . Котёл находится в помещении с температурой воздуха 20⁰С. Теплопроводность асбеста .

Решение

1. Коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к воздуху для аппаратов, находящихся в помещении, при температуре наружной поверхности изоляции менее 150⁰С можно рассчитать по эмпирической формуле (40):

, (40)

где - температура наружной поверхности изоляции, ; - температура окружающей среды (воздуха), .

В нашем примере , а . Тогда коэффициент теплоотдачи будет равен:

2. Определяем удельный тепловой поток по уравнению (43):

(43)

3. Из уравнения (41) находим толщину изоляции.

На Рис. 3 показано решение примера при помощи Mathcad.

Рисунок 3 – Расчёт толщины тепловой изоляции плоской стенки (Пример 2)

Цилиндрическая стенка (трубопровод)

Тепловой поток в случае цилиндрических стенок (труб) рассчитывается на 1 м. трубопровода по уравнению (44). На Рис. 4 приведена схема трубопровода с теплоизоляцией.

, (44)

где - тепловой поток на 1 м. трубопровода, ; - температура рабочей среды, ; - температура наружной поверхности, ; - температура окружающего воздуха, ; - диаметры неизолированного и изолированного трубопровода, ; - коэффициент теплоотдачи от рабочей среды к стенке трубы, ; - коэффициент

т еплоотдачи от поверхности теплоизоляции к воздуху, ; - теплопроводность изоляции, .

T_СР

Рисунок 4 – Трубопровод с тепловой изоляцией

В уравнении (44) не учитывается тепловое сопротивление материала трубопровода. Определение толщины изоляции сводится к решению уравнения (44) относительно величины диаметра изолированного трубопровода .

Пример 3

Определить толщину изоляции из мастичного совелита для трубопровода. Температура рабочей среды в трубопроводе 300⁰С. Трубопровод с внешним диаметром находится в закрытом помещении, температура воздуха в котором составляет 20⁰С. Допустимые потери тепла с одного погонного метра трубопровода составляет . Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке трубы составляет . Температура поверхности изолированного трубопровода равна 40⁰С.

На Рис. 5 приведено решение Примера 3 при помощи Mathcad.

Рисунок 5 – Расчёт толщины изоляции цилиндрической стенки

Уравнение теплового баланса решают относительно величины , которую используют для определения количества теплоносителей (хладагентов), расходуемых на проведение отдельных стадий процесса или на весь процесс в целом.

(24)

Расход пара на нагревание определяют по формуле (45):

, (45)

где - энтальпия греющего пара, ; - теплоёмкость конденсата; - температура конденсата, .

Расход электроэнергии на нагревание определяется по формуле (46):

, (46)

где - КПД электронагревательного прибора, принимаемый равным 0,75 – 0,95.

Расход топлива (газа – м³, мазута – кг) при обогреве топочными газами определяется по формуле (47):

, (47)

где - КПД печи, определяемый в результате её теплового расчёта; обычно он колеблется от 0,2 до 0,4; - теплота сгорания топлива, .

Расход теплоносителя на нагревание определяется по формуле (48):

, (48)

где - теплоёмкость теплоносителя, ; и - соответственно конечная и начальная температуры теплоносителя.

Наиболее распространёнными охлаждающими агентами являются вода, водные рассолы, воздух. Расход их определяют по формуле (49):

, (49)

где - теплоёмкость охлаждающего агента, ; и - соответственно конечная и начальная температуры охлаждающего агента.

Величина (тепло, которое необходимо подвести к аппарату или отвести от него для протекания процесса в регламентных температурных условиях) связана с теплотехническими характеристиками аппарата. Для непрерывного процесса:

, (50)

где - коэффициент теплопередачи, ; - теплообменная поверхность аппарата, ; - средняя полезная разность температур между теплоносителем (хладагентом) и реакционной массой в аппарате.

Уравнение (50) решают относительно ; последующие расчёты зависят от конструкции элементов теплообменной поверхности аппарата. Для аппаратов, у которых поверхность теплообмена лимитирована конструктивными особенностями (аппараты с рубашками, трубчатки), величину сравнивают с фактической поверхностью теплообмена . При этом возможны два случая:

1. ; условия теплообмена удовлетворительные, производительность аппарата не лимитируется скоростью теплообмена;

2. ; условия теплообмена неудовлетворительные, производительность аппарата при данных теплотехнических характеристиках лимитируется скоростью теплообмена; в этом случае следует рассмотреть возможности увеличения с учётом особенностей процесса и конструкции оборудования.

Если аппарат снабжён элементами теплообмена, поверхность которых можно изменить, то, исходя из величины , определяют размеры элементов и их число. Например, для змеевиков определяют число витков, принимая диаметр трубки и диаметр витка змеевика.