Однотрубный теплопровод

При бесканальной прокладке термическое сопротивление теплопровода представляет собой сумму двух слагаемых – сопротивления слоя изоляции и сопротивления грунта (см. рис. 3.1).

R=Rи+Rгр, (3.24)

При наличии воздушной прослойки между изолированным трубопроводом и стенкой канала термическое сопротивление теплопровода определяется как сумма последовательно соединенных сопротивлений (см. рис. 3.2)

R=Rи+Rн+Rп.к+Rк+Rгр

, (3.25)

где Rи,Rн,Rп.к,Rк,Rгр - сопротивление соответственно слоя изоляции, наружной поверхности изоляции, внутренней поверхности канала, стенок канала и грунта.

Рис.3.2. Схема однотрубного теплопровода в канале

Температура воздуха в канале однотрубного теплопровода определяется из уравнения теплового баланса разрешенного относительно - температуры воздуха в канале

τ−tкRи+Rн=tк−t0Rп.к+Rк+Rгр , (3.26)

откуда tк=τRи+Rн+tоRп.к+Rк+Rгр1Rи+Rн+1Rп.к+Rк+Rгр, (3.27)

Изменение температуры теплоносителя вызывает тем меньшее изменение температуры воздуха в канале, чем больше термическое сопротивление изоляционной конструкции и чем меньше термическое сопротивление канала и грунта.

Температурное поле надземного теплопровода

Расчет температурного поля теплопровода производится на основании уравнения теплового баланса. При этом исходят из условия, что при установившемся тепловом состоянии количество теплоты, передающейся от теплоносителя к концентрической цилиндрической поверхности, проходящей через любую точку поля, равно количеству теплоты, уходящей от этой поверхности к наружной среде.

Для определения температуры поверхности изоляции необходимо уравнение теплового баланса относительно количества теплоты, подведенной от теплоносителя к поверхности изоляции и равной количеству теплоты, отведенной от поверхности изоляции к наружному воздуху

разрешить относительно , т.е.

Аналогично вычисляется температура любого промежуточного слоя изоляции. Для определения температуры наружной поверхности первого слоя двухслойной изоляционной системы, уравнение теплового баланса для которой записывается в виде

необходимо определить tx , т.е.

где Rи1,Rи2 - термические сопротивления первого и второго слоев изоляции; Rн - то же ее наружной поверхности.

Термическое сопротивление грунта

Термическое сопротивление грунта. В подземных теплопроводах в качестве одного из последовательно включенных термических сопротивлений участвует сопротивление грунта.

При расчете тепловых потерь теплопровода в грунте за температуру окружающей среды t₀ принимают, как правило. Естественную температуру грунта на глубине заложения оси теплопровода.

Только при малых глубинах заложения оси теплопровода h/d<2 за температуру окружающей среды принимают естественную температуру поверхности грунта.

Термическое сопротивление грунта может быть определено по формуле Форхгеймера (рис.3.1)

где λ_гр, - теплопроводность грунта; h - глубина заложения оси теплопровода; d - диаметр теплопровода.

Рис.1. Схема однотрубного бесканального теплопровода

При укладке подземных теплопроводов в каналах, имеющих форму, отличную от цилиндрической, в (3.18) вместо диаметра теплопровода подставляют эквивалентный диаметр канала d=П/π , (3.20) где П - периметр канала, м.

В тех случаях, когда h/d>2, формулу Форхгеймера можно упростить, принимая с некоторым приближением радикал равным . При этом допущении 2h/d

Теплопроводность грунта λ_гр зависит главным образом от его влажности и температуры. При температурах грунта t₀ = 10-40 ⁰С теплопроводность грунта средней влажности лежит в пределах 1,2-2,5 Вт/(м×К) или 1,05 – 2,15 ккал/(м×ч×0С). В таблице 3.2 приведены данные по теплопроводности грунтов различного состава [1].

Таблица 3.2. Теплопроводность грунта [1]

Вид грунта	Средняя плотность, кг/м3	Весовое влагосодержание грунта, %	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м×0С)
Песок	1480	4	0,86
	1600	5	1,11
		15	1,92
		23,8	1,92
Суглинок	1100	8	0,71
		15	0,9
	1200	8	0,83
		15	1,04
	1300	8	0,98
		15	1,2
	1400	8	1,12
		15	1,36
		20	1,63
	1500	8	1,27
		15	1,56
		20	1,86
	2000	5	1,75
		10	2,56
		11,5	2,68
Глинистые	1300	8	0,72
		18	1,08
		40	1,66
	1500	8	1,0
		18	1,46
		40	2,0
	1600	8	1,13
		27	1,93

При малой глубине заложения h/d<2 температура поверхности грунта над теплопроводом может существенно отличаться от естественной температуры поверхности грунта. Во избежание ошибок подсчет теплопотерь проводят по температуре наружного воздуха. В этом случае термическое сопротивление грунта (3.19) определяется не по действительной, а по приведенной глубине заложения оси теплопровода

hп=h+hф, (3.22)

где h_ф - толщина фиктивного слоя грунта, м; h - действительная глубина заложения теплопровода, м;

hф=λгр α, (3.23)

где α - коэффициент теплопередачи на поверхности грунта. Фиктивный слой имеет сопротивление равное сопротивлению поверхности.

По характеру теплового расчета следует различать одно- и многотрубные подземные теплопроводы. В однотрубных теплопроводах все термическое сопротивления включены параллельно друг другу и последовательно к цепи канал-грунт.