Термическое сопротивление изоляционных конструкций надземных теплопроводов

В надземных теплопроводах между теплоносителем и наружным воздухом включены последовательно следующие термические сопротивления: внутренняя поверхность рабочей трубы, ее стенка, один или несколько слоев тепловой изоляции, защитный экран и наружная поверхность теплопровода. Первыми двумя тепловыми сопротивлениями в практических расчетах обычно пренебрегают. При учете только двух последних термических сопротивлений тепловые потери надземного теплопровода определяются по формуле (3.11)

Если теплопровод не изолирован, то R_н=0. В этом случае

Иногда тепловую изоляцию выполняют многослойной, исходя из различных допустимых температур для применяемых изоляционных материалов или экономических соображений с целью частичной замены дорогих материалов изоляции более дешевыми.

Термическое сопротивление многослойной изоляции равно арифметической сумме термических сопротивлений последовательно наложенных слоев

Rп=Rп1+Rп2+Rп3+…+Rпn

.

Термическое сопротивление цилиндрической изоляции увеличивается с увеличением отношения ее наружного диаметра к внутреннему. Поэтому в многослойной изоляции первые слои целесообразно укладывать из материала, имеющего более низкую теплопроводность, что приводит к наиболее эффективному использованию изоляционных материалов.

К такому же выводу приводит дифференциальный анализ термического сопротивления многослойной (например, двухслойной) изоляции.

Если изоляционная оболочка заданным наружным диаметром выполнена из двух различных теплоизоляционных материалов с теплопроводностями и , то тепловое сопротивление такой изоляционной оболочки

где D_r, D₁, D_н - наружные диаметры соответственно трубопровода, первого слоя изоляции, изоляционной оболочки.

Первая производная термического сопротивления по диаметру первого слоя

. (3.14)

Как видно из (3.14), при λ1<λ2 то D1Dr>0. Это значит, что при выполнении первого слоя изоляции из материала с более низкой теплопроводностью термическое сопротивление изоляционной конструкции увеличивается с ростом толщины этого слоя. Наоборот, при выполнении первого слоя из материала с более высокой теплопроводностью ( λ1>λ2 ) термическое сопротивление изоляционной конструкции снижается с ростом толщины первого слоя, так как в этом случае D1Dr<0.

Термическое сопротивление поверхности

Термическое сопротивление цилиндрической поверхности определяется в соответствии с соотношением

R=1/π∗d∗α ,(3.3)

где π*d - площадь поверхности 1 м длины теплопровода, м2; α - коэффициент теплоотдачи от поверхности, Вт/(м2*К).

Для определения термического сопротивления внутренней поверхности трубы теплопровода необходимо знать две величины: внутренний диаметр теплопровода - d_в и коэффициент теплоотдачи конвекцией от теплоносителя к поверхности трубы. Коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности трубы может быть подсчитан по выражению:

(3.4)

где λ – теплопроводность теплоносителя, Вт/(м•К); Re и Pr – критерии Рейнольдса и Прандтля.

При обычных режимах турбулентного течения горячей воды по трубам λ_k , вычисляемая по (3.4), настолько велика, что значение Rв=1/π∗dв∗αk можно не учитывать в дальнейших расчетах по причине его малости. По этой причине во всех последующих расчетах полагают, что температура внутренней поверхности трубы совпадает с температурой теплоносителя.

На границе сопряжения поверхности теплопровода с газообразной окружающей средой необходимо знать диаметр расположения этой поверхности сопряжения относительно центра трубы и коэффициент теплоотдачи от поверхности к газообразной среде. В этом случае коэффициент теплоотдачи от поверхности к окружающей газообразной среде (воздуху) представляет собой сумму двух слагаемых: коэффициента теплоотдачи излучением -α_л и коэффициента теплоотдачи конвекцией α_к , т.е.

α=αл+αк, (3.5)

Коэффициент теплоотдачи излучением α_л может быть подсчитан по формуле Стефана-Больцмана:

, (3.6)

где C - коэффициент излучения; t - температура излучающей поверхности, ⁰С.

Коэффициент излучения абсолютно черного тела, т.е. поверхности, которая поглощает все падающие на нее лучи и ничего не отражает, C = 5,67 Вт/(м²•К⁴)=4,9 ккал/(ч•м²•К⁴).

Коэффициент излучения «серых» тел, к которым относятся поверхности неизолированных трубопроводов, изоляционных конструкций и т.п., имеет значение 4,4 – 5,0 Вт/(м²•К⁴) = 3,8 – 4,3 ккал/(ч•м²•К⁴).

Коэффициент теплоотдачи от горизонтальной трубы к воздуху при естественной конвекции, Вт/(м²•К), можно определить по формуле Нуссельта

, (3.7)

где d - наружный диаметр изолированного теплопровода, м; t,t₀ - температуры поверхности и окружающей среды, ⁰С.

При вынужденной конвекции воздуха или ветра коэффициент теплоотдачи αк=4.65∗w0.7/d0.3 , (3.8) где w - скорость движения воздуха, м/с.

Формула (3.8) действительна при w > 1 м/с и d > 0,3 м.

Для вычисления коэффициентов теплоотдачи по формулам (3.6) и (3.7) необходимо знать температуру поверхности. Так как при определении тепловых потерь температура поверхности теплопровода обычно заранее неизвестна, задача решается методом последовательных приближений. Предварительно задаются коэффициентом теплоотдачи наружной поверхности теплопровода α , находят удельные потери q и температуру поверхности t , проверяют правильность принятого значения α.

При определении тепловых потерь изолированных трубопроводов проверочный расчет можно не проводить, так как термическое сопротивление поверхности изоляции невелико по сравнению с термическим сопротивлением слоя. Так, 100 %-ная ошибка при выборе коэффициента теплоотдачи поверхности приводит обычно к ошибке в определении теплопотерь 3-5%.

Для предварительного определения коэффициента теплоотдачи поверхности изолированного теплопровода, Вт/(м²×К), когда температура поверхности неизвестна, может быть рекомендована формула α=11.6+7w−−√, (3.9) где w - скорость движения воздуха, м/с.

Значения коэффициента теплоотдачи на поверхности изоляции приведены в таблице 6.1.

Таблица 3.1. Значения коэффициента теплоотдачи от изолированного теплопровода, Вт/(м² ×⁰С), [1]

Изолированный объект	В закрытом помещении		На открытом воздухе при скорости ветра3, м/с
	Покрытия с малым коэффициентом излучения1	Покрытия с высоким коэффициентом излучения2	5	10	15
Горизонтальные трубопроводы	7	10	20	26	35
Вертикальные трубопроводы, оборудование, плоская стенка	8	12	26	35	52
# К ним относятся кожухи из оцинкованной стали, листов алюминиевых сплавов и алюминия с оксидной пленкой К ним относятся штукатурки, асбоцементные покрытия, стеклопластики, различные окраски (кроме краски с алюминиевой пудрой) При отсутствии сведений о скорости ветра принимают значения, соответствующие скорости ветра 10 м/с