3.2 Теплоизоляция горячих поверхностей

Для теплоизоляции применяют материалы, теплопроводность λ которых при температуре t = 50…100⁰С меньше 0,2 Вт/(мК). Если температура изолируемого объекта высокая, применяется многослойная теплоизоляция: сначала ставится материал, выдерживающий высокую температуру (высокотемпературный слой), а затем более эффективный материал с точки зрения теплоизоляционных свойств.

Толщина высокотемпературного слоя должна обеспечить на его поверхности температуру, не превышающую предельную температуру применения следующего слоя. Снаружи для повышения долговечности теплоизоляции целесообразно устраивать алюминиевые кожухи.

Тепловая изоляция, повышая рабочую температуру изолированных элементов, может резко сократить их срок службы. Решение о теплоизоляции должно быть проверено расчетом допустимых тепловых потерь объекта.

Целью расчета теплоизоляции является определение толщины слоя теплоизоляционного материала для обеспечения заданной температуры наружной поверхности оборудования и температуры воздуха в рабочей зоне.

Расчет производится с помощью теории подобия: процессы теплопередачи рассматриваются с использованием критериев подобия Грасгофа, Нуссельта, Прандтля 18.

Критерий Грасгофа отражает соотношение между подъемной силой, побуждающей всплывать нагретую массу среды, и силой вязкостного трения, препятствующей подъему нагретой массы для случая свободной конвекции:

, (72)

где g – ускорение свободного падения, м/с² (g = 9,81);

L – характерный размер тела, м (для цилиндра – диаметр, для горизонтального параллелепипеда – ширина, для вертикального параллелепипеда – высота);

ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с (таблица 29);

Т_из – температура на изолированной поверхности, К;

Т_в – температура воздуха в помещении, К;

β – коэффициент объемного расширения, К^-1:

.

Критерий Нуссельта характеризует отношение между интенсивностью теплоотдачи и температурным полем в пограничном слое потока:

, (73)

где Pr – критерий Прандтля, учитывающий физические свойства среды и ее способность к распространению теплоты (таблица 29);

с и n – эмпирические коэффициенты (таблица 30).

Таблица 29

Коэффициенты кинематической вязкости, теплопроводности воздуха и критерий Прандтля

Температура воздуха, К	Коэффициент кинематической вязкости ·10-6, м2с	Коэффициент теплопроводности воздуха , Вт/мК	Критерий Прандтля Pr
283	14,16	0,0251	0,705
293	15,06	0,0259	0,703
303	16,00	0,0267	0,701
313	16,96	0,0276	0,699
323	17,95	0,0283	0,698

Таблица 30

Эмпирические коэффициенты с и n для определения критерия Нуссельта

Произведение критериев Gr  Pr	Коэффициент с	Коэффициент n
1·10-3	0,5	0
1·10-3…5·10-2	1,18	0,125
5·102…2·107	0,54	0,25
2·107…1·1018	0,135	0,333

Коэффициент теплоотдачи от изолируемой стенки к воздуху путем лучеиспускания α_л, Вт/ (м²К):

(74)

где С₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/м²К⁴, С₀ = 5,7;

ε – степень черноты тела (таблица 31);

Т_вн – температура внутри аппарата, К (Т_вн = 273 + t_вн);

Т_из – температура на изолированной поверхности, К.

Таблица 31

Степень черноты  при полном излучении различных материалов

Материал	Температура, 0С	Степень черноты
1	2	3
Алюминий: полированный шероховатый сильно окисленный	20…1600 20…50 50…600	0,04…0,062 0,06…0,07 0,11…0,3
Алюминиевые краски	50…100	0,2…0,67
Железо: полированное окисленное гладкое оцинкованное блестящее оцинкованное окисленное	100…1000	0,14…0,38
	50…550	0,74…0,82
	30 30	0,23 0,28
Жесть белая старая	20	0,28
Окончание табл. 31
1	2	3
Сталь: листовая шлифованная окисленная шероховатая оцинкованная окисленная луженая блестящая	900…1100 30…400 24 25	0,52…0,61 0,8…0,98 0,276 0,043…0,064
Медь полированная	115	0,023
Чугун: шероховатый полированный окисленный расплавленный	40…250 200 239…600 1250…1350	0,95 0,11 0,64…0,78 0,28…0,29
Чугунное литье	50	0,81
Асбестовый материал: картон шифер ткань	20 20 20	0,96 0,96 0,78
Вода	0…100	0,95…0,98
Глина обожженная	50	0,91
Кирпич: обожженный огнеупорный высокоогнеупорный шамотный красный силикатный магнезитовый силиманитовый	50…1000 1000 1000 20…1250 20 20 1500 1500	0,65…0,75 0,65…0,75 0,82…0,87 0,59…085 0,88…0,93 0,66 0,39 0,29
Кирпичная кладка отштукатуренная	20	0,94
Краски масляные различных цветов	100	0,92…0,96
Лак: черный матовый черный блестящий, распыленный по железу белый жаропрочный	20…100 20 20…100	0,96…0,98 0,87…0,88 0,8…0,95
Стекло: обычное матовое	20…100 20	0,91…0,94 0,96
Цемент	20	0,54
Штукатурка шероховатая	0…100	0,91…0,93

Коэффициент теплоотдачи от изолируемой стенки к воздуху конвекций α_к, Вт/(м²К):

, (75)

где λ – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(мК) (таб- лица 29).

Суммарный коэффициент теплоотдачи от изолируемой стенки к воздуху α, Вт/(м²К):

. (76)

Количество теплоты, отдаваемое единицей поверхности тела в единицу времени в окружающую среду q, Вт/м²:

. (77)

Коэффициент теплопередачи k, Вт/(м²К):

. (78)

Толщина теплоизоляции δ_изол, м:

(79)

где λ_изол – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/(м²К) (таблица 32);

δ_ст – толщина изолируемой стенки м;

λ_ст – коэффициент теплопроводности изолируемой стенки, Вт/(м²К) (таблица 32).

Таблица 32

Коэффициент теплопроводности λ

Материал	Температура, оС	Коэффициент теплопроводности , Вт/(м2К):
1	2	3
Асбест: листовой ткань	30 50	0,12 0,11
Асбестовый картон	20	0,104
Асбоцемент листовой	20	0,29
Алюминий	0	204,0
Бетон	20	0,7…1,2
Бронза	20	64,0
Вата шлаковая	20	0,04
Вермикулит	20	0,006
Войлок шерстяной	30	0,05
Вода	0	0,58
Глина огнеупорная	450	1,04
Пробка натуральная	20	0,04
Дерево сосна	20	0,11
Древесный уголь	20	0,1…0,17
Железо	20	58,7
Картон гофрированный	20	0,06
Кварцевое стекло	20	1,36
Кирпич: изоляционный строительный	100 20	0,14 0,23…0,3
Кожа	30	0,16
Латунь	0	85,5
Медь	20	385
Олово	20	65
Пенопласт	20	0,04
Пеностекло	20	0,06
Перлитовый порошок	20	0,04
Поливинилхдлорид	20	0,17
Резина	0	0,16
Стеклянная вата	0	0,04
Стекло	20	0,7
Сталь: углеродистая нержавеющая	20 20	50,0 24,0
Чугун	0	63,0
Шамот	20	0,04
Штукатурка сухая изоляционная	20	0,06
Эбонит: плотный пористый	20 20	0,174 0,03

Примеры решения задач

ПРИМЕР 3.1. Рассчитать толщину теплоизоляции аппарата, изготовленного из углеродистой шлифованной стали. Толщина стенки d_ст = 10 мм, температура среды в аппарате 118⁰С. Характерный размер цилиндрического аппарата – диаметр D = 1,5 м. Температура изолированной поверхности не должна превышать 45⁰С, температура воздуха в помещении 23⁰С, допустимая температура на рабочем месте 24^оС. В качестве теплоизоляции используется войлок шерстяной.

РЕШЕНИЕ.

По таблице 29 интерполяцией определяем необходимые значения для температуры воздуха T_в = 296 K; ν = 15,33×10^-6; λ = 0,0261; Рr = 0,702.

Критерий Грасгофа:

Критерий Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи от изолируемой стенки к воздуху путем лучеиспускания α_л, Вт/(м²К):

Коэффициент теплоотдачи от изолируемой стенки к воздуху конвекцией α_k, Вт/(м²К):

Суммарный коэффициент теплоотдачи α, Вт/(м²К):

Количество теплоты, отдаваемое единицей поверхности тела в единицу времени, q, Вт/м²:

Коэффициент теплоотдачи k, Вт/(м²К):

Толщина теплоизоляции δ_изол, м:

Задачи для самостоятельного решения

ЗАДАЧА 3.8. В помещении с повышенной пожарной опасностью находится теплоизлучающее оборудование, характеристики которого приведены в таблице 33. Категория тяжести физических работ, выполняемых в помещении, указана по вариантам в таблице 33.

Выбрать материал теплоизоляции для обеспечения на поверхности оборудования температуры не выше 35^оС, определить необходимую его толщину с условием создания нормативных значений температуры воздуха на рабочем месте.

Таблица 33

Варианты заданий к задаче 3. 8

Вариант	Характеристики аппарата					Категория тяжести работ
	характерный размер, м	форма	материал	толщина стенки, мм	внутренняя температура, оС
1	1,5	цилиндр	сталь листовая шлифованная	5	140	I а
2	1,4	цилиндр	сталь окисленная шероховатая	6	145	I б
3	1,2	цилиндр	чугун шероховатый	7	150	II а
4	1,1	цилиндр	чугун полированный	8	155	II б
5	1,0	цилиндр	чугун окисленный	9	160	III
6	0,9	цилиндр	алюминий шероховатый	10	185	I а
7	0,8	горизонтальный параллелепипед	алюминий сильно окисленный	10	200	I б
8	0,9	горизонтальный параллелепипед	сталь листовая шлифованная	9	190	II а
9	1,0	горизонтальный параллелепипед	сталь окисленная шероховатая	8	195	II б
10	1,1	горизонтальный параллелепипед	чугун полированный	7	150	III
11	1,2	горизонтальный параллелепипед	чугун шероховатый	6	155	I а
12	1,3	горизонтальный параллелепипед	чугун окисленный	5	160	II а
13	1,8	вертикальный параллелепипед	алюминий шероховатый	5	170	III
14	1,5	вертикальный параллелепипед	алюминий сильно окисленный	6	225	I а
15	1,6	вертикальный параллелепипед	сталь окисленная шероховатая	7	230	I б