3. Лабораторные работы Работа № 1 расчет индивидуальных теплотехнических характеристик теплопроводов

Цель работы - знакомство с системой теплоснабжения и конструкциями теплопроводов; расчет коэффициентов тепловых потерь для типичных теплопроводов; определение влияния физических свойств теплоизоляционных материалов и конструктивных особенностей теплопроводов на коэффициенты тепловых потерь и выработка рекомендаций для выбора энергоэффективных теплопроводов.

Работа выполняется в течение 2-х академических часов.

Введение

Транспортировка тепла осуществляется с помощью теплопроводов. На рис.2 показан элемент современного теплопровода, изготовленного в заводских условиях, который включает водопроводную стальную трубу для транспортировки энергоносителя, тепловую изоляцию из пенополиуретана и защитный кожух из пластмассы. Данные теплопроводы являются перспективными и прокладываются непосредственно в грунте (рис.3, тип А), что сокращает затраты на их монтаж и эксплуатацию. В настоящее время в Беларуси наиболее распространены теплопроводы с прокладкой в непроходных каналах (рис.3, тип В) или с надземной прокладкой (рис.3, тип С)

Каждый из рассмотренных теплопроводов характеризуется наружным диаметром каналов D_н, толщиной стенки трубы δ, толщиной изоляции δ_и и защитного кожуха δ_к, расстоянием между трубами s и глубиной прокладки h.

Теплопроводы в каналах дополнительно включают размеры канала: ширину а и высоту b. На рис.2 основные размеры представлены в виде общепринятых символов и идентификаторов вычислительной программы СОNDORS.

Рис.2. Схема элемента

предварительно изолированного

теплопровода

Метод анализа

При транспортировке теплоты имеются потери в окружающую среду, величина которых зависит как от температуры теплоносителя и окружающей среды, так и от качества тепловой изоляции теплопроводов. Основной характеристикой теплоизоляционных материалов является коэффициент теплопроводности λ_и. Коэффициент теплопроводности зависит от применяемого материала и его влажности. С ростом влажности материала коэффициент теплопроводности увеличивается.

Интегральной индивидуальной характеристикой теплопроводов является коэффициент тепловых потерь К, который показывает, какой тепловой поток теряется теплопроводом длиной 1м при разности температур между теплоносителем и окружающей средой, равной одному градусу [4]. В качестве окружающей среды для надземного теплопровода выступает атмосферный воздух, а для подземных - грунт.

Рис.3. Схемы конструкций типичных теплопроводов: А - подземный теплопровод с заводской изоляцией; В - подземный теплопровод в непроходном канале; С - надземный теплопровод

Различаются два типа коэффициентов тепловых потерь. Первый коэффициент К₁ непосредственно связан с количеством теряемого тепла в окружающую среду, а второй - К₀ учитывает полезную теплоту, которая передается от более нагретого подающего теплопровода обратному. Тогда общий коэффициент тепловых потерь

(1)

Подающие и обратные надземные теплопроводы являются независимыми, и для них К₀=0. Коэффициент тепловых потерь К₁ надземного теплопровода есть обратная величина термического сопротивления:

(2)

где λ, λ_и, λ_к - коэффициенты теплопроводности соответственно трубы, изоляции и защитного кожуха, Вт/(м-°С); D_в, D_н, D_и, D_к - диаметры трубы, внутренний и наружный, наружные диаметры изоляции и защитного кожуха, мм.

Коэффициенты тепловых потерь К₁ и К₀ подземных теплопроводов определяются на основе синтеза экспериментальных и расчетных данных с учетом решения уравнения теплопроводности.

С учетом конструктивных особенностей теплопровода в непроходных каналах (тип В) и в соответствии со схемой, которая дана на рис.3, дополнительно рассчитываются наружный диаметр теплопровода с изоляцией и кожухом D_к, глубина прокладки теплопровода h′′ (DYBD), ширина канала a (BRED) и высота канала b (HOEJ):

D_К=D_И+2δ_И+2δ_К,

h^′′ = 0,5D_К+h, (3)

a =2,5D_К,

b = 1,5D_К.

Параметры h′′ , а и b являются исходными данными для теплопровода В.

В реальном случае эти параметры соответствуют номенклатурному ряду типоразмеров непроходных каналов.