2.1.3.2. Розрахунки ефективності теплової ізоляції

1.Загальні задачі ізолювання. Теплова ізоляція представляє конструкцію з матеріалів, які розміщені зовні поверхні теплового і холодильного обладнання, а також, трубопроводів для зменшення теплових втрат. Застосування теплової ізоляції дозволяє підтримувати необхідні параметри тепло – і хладоносіїв в установках та апаратах, сприяє підвищенню продуктивності установок і інтенсифікації технологічних процесів, які відбуваються в них. Завдяки тепловій ізоляції також поліпшуються умови праці в робочих приміщеннях, знижується температура повітря, існує менша небезпека опіку обслуговуючого персоналу.

Теплові втрати окремими тепловими агрегатами, наприклад печами металургійної і силікатної промисловості, складають до 10...20 % витраченої теплоти. Теплова ізоляція дозволяє зменшувати до 70 %, а в ряді випадків до 90...95 % кількість теплоти, яка втрачається в навколишнє середовище [33].

Для оцінки ефективності теплоізольованих конструкцій прийнято користуватись коефіцієнтом ефективності ізоляції

(2.1.3.1)

де і– втрати теплоти неізольованою і ізольованою трубою (апаратом).

Для сучасних ізольованих конструкцій теплопроводів = = 0,85…0,95 [33].

Теплові розрахунки ізолювання конструкцій дозволяють вирішувати такі задачі:

визначити теплові втрати ізольованого обладнання (апаратів, трубопроводів) при заданій конструкції ізоляції;

визначити необхідну товщину ізоляції при заданих або допу-стимих теплових втратах обладнання;

визначити товщину ізоляції по заданій температурі її поверхні;

визначити температурне поле заданої конструкції (температури її поверхні або проміжних шарів);

визначити по заданій конструкції ізоляції падіння температури теплоносія в залежності від часу або довжини теплопроводу;

визначити кількість конденсату, який утворюється при тран-спортуванні пари.

2.Втрати теплоти ізольованим обладнанням. Для апаратів з плоскими поверхнями або циліндричних з діаметром більше 2 м витрати теплоти визначаються за формулою [35]

, Вт,

(2.1.3.2)

де q– питома теплова втрата апарату, Вт/м²; R– сумарний термічний опір на шляху потоку теплоти від теплоносія до навколишнього середовища, (м² ·К)/Вт;F– поверхня апарату, м²; t– середня температура теплоносія,^○С;t_о – температура навколишнього середовища,^○С.

Для плоскої поверхні сумарний термічний опір визначається за формулою

,

(2.1.3.3)

де – термічний опір тепловіддачі з боку внутрішньої поверхні стінки апарату;– термічний опір теплопровідності стінки;– теж шару ізоляції;– термічний опір тепловіддачі з боку зовнішньої поверхні ізоляції;– коефіцієнти тепловіддачі від теплоносія до внутрішньої поверхні стінки апарату і від поверхні ізоляції в навколишньому середовище, Вт/(м² ·К);– коефіцієнти теплопровідності матеріалу стінки та ізоляції, Вт/(м∙К);– товщина стінки апарату і шару ізоляції, м.

Для багатошарової ізоляції

(2.1.3.4)

Теплові витрати сферичної поверхні можуть бути розраховані з достатньою точністю за формулою для плоскої стінки.

Коли ізольований апарат має на окремих частинах теплову ізоляцію з різним термічним опором, питомі теплові втрати визначаються для кожної частини окремо, а теплові втрати всієї тепловіддаючої поверхні апарату складаються з суми здобутків питомих теплових втрат на поверхнях кожної частини. Крім того, знайдене значення теплових втрат необхідно помножити на коефіцієнт к_і, який враховує втрати теплоти через підпори апарату, арматуру і неізольовані частини по-верхні (к_і = 1,1...1,3).

Сумарні теплові втрати ізольованим апаратом в загальному вигляді визначаються з виразу

(2.1.3.5)

Для циліндричних апаратів діаметром менше 2 м теплові втрати визначаються за формулою

Вт,

(2.1.3.6)

де – втрати теплоти з 1 м довжини апарату (трубопроводу), Вт/м.

Складові формули (6.3) для сумарного термічного опору циліндричного сосуду або трубопроводу визначаються як:

;	(2.1.3.7)
	(2.1.3.8)
	(2.1.3.9)
	(2.1.3.10)

де R_в,R_cт,R_і,R_з – термічний опір внутрішньої поверхні стінки, стінки шару ізоляції і зовнішньої поверхні ізоляції, (м∙К)/Вт;d_віd_тр – вну-трішній і зовнішній діаметри сосуду (трубопроводу), м;d_з – зовнішній діаметр з урахуванням товщини шару ізоляції, м.

Коли ізоляція багатошарова, вираз (6.9) приймає вид

(2.1.3.11)

де d_к,d_к-1 – зовнішній і внутрішній діаметри з урахуванням шарів ізоляції.

В практичних розрахунках теплових втрат термічними опорами R_в іR_ст , як правило, зневажають, зважуючи на їх малі значення.

Коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні ізоляції апарату складається з коефіцієнтів тепловіддачі випромінюваннямі конвекцією

(2.1.3.12)

Числові значення визначаються за відповідними формулами курсу теплопередачі.

Для наближених розрахунків згідно [33] коефіцієнт тепловіддачі поверхні апарату може бути визначеним за формулою

Вт/(м2∙К),

(2.1.3.13)

де – температура зовнішньої стінки ізоляції; для неізольованого трубопроводу приймають(t – температура теплоносія),^оС;w– швидкість повітря, м/с.

Коли значення t_зневідомо, можна застосувати формулу [33]

Вт/(м2К).

(2.1.3.14)

3. Визначення нераціональних втрат теплоти неізольованими теплопроводами. Визначення нераціональних втрат теплоти неізольованими теплопроводами ведеться за формулою

кВт,	(2.1.3.15)

де – лінійна питома втрата теплоти неізольованого і ізольованого трубопроводу, Вт/м.

Для визначення нераціональних втрат теплоти неізольованим трубопроводом необхідно знати:

який теплоносій протікає в трубопроводі;

яка максимальна розрахункова температура теплоносія (визначається згідно проекту та шляхом виміру);

температуру поверхні неізольованого трубопроводу (визначається шляхом виміру);

температуру навколишнього середовища (визначається шляхом виміру) ;

діаметр і довжину неізольованої частини трубопроводу (визначаються шляхом виміру або по технічній документації).

В залежності від засобу виміру температури поверхні трубопроводу (прилади інфрачервоного випромінювання, контактні термометри опору чи ртутні термометри ) вибирається і місце для виміру.

Якщо довжина трубопроводу більше ніж 100 м, то необхідно виміряти температуру поверхні на початку та в кінці довжини неізольованої труби. Середня температура поверхні труби визначається за формулою

(2.1.3.16)

де t_піt_к – температура поверхні на початку і в кінці довжини неізольованої труби,^oС.

При проведенні вимірів необхідно користуватись приладами, які пройшли Державну повірку.

Втрати теплоти трубопроводами залежать від способу їх про-кладки, а також від впливу сусідніх трубопроводів (при підземній прокладці).

Прокладка трубопроводів буває наземна, підземна безканальна та підземна канальна.

Рекомендації по виконанню вимірів, які наведені вище, в основному справедливі при наземній прокладці трубопроводів.

Наземна прокладка.Конструкцію теплопроводу наземної прокладки наведено на рис. 2.1.3.1.

Рис. 2.1.3.1. Схема наземного теплопроводу

Теплові втрати неізольованого теплопроводу визначаються за формулою (2.1.3.6). Як було зазначено вище,R_віR_ст можна зневажити. Тоді лінійна питома теплова втрата ізольованого наземного трубопроводу визначається за формулою

Вт/м.

(2.1.3.17)

Для неізольованого трубопроводу

Вт/м.

(2.1.3.18)

В ряді випадків ізольовану конструкцію виконують багатошаровою з урахуванням температуростійкості ізоляційних матеріалів, їх вартості та ін.

Вираз для R_iдля багатошарової ізоляції має вигляд

(2.1.3.19)

В формулах (6.17) і (6.18) це термічний опір поверхні ізольованого і неізольованого трубопроводів. Вони визначаються за формулами

	(2.1.3.20)
	(2.1.3.21)

де – коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні ізольованого і неізольованого трубопроводів в навколишнє середовище;– загальна товщина шарів ізоляції .

З виразу (6.19) видно, що при однаковій товщині шарів ізоляції термічний опір ізоляції збільшується з ростом відношення зовнішнього діаметру ізоляції до внутрішнього. Отже найбільший ефект від застосування ізоляції буде отриманий, коли перші шари будуть виконані з ізоляційного матеріалу з низьким коефіцієнтом теплопровідно-сті.

Числові значення коефіцієнтів теплопровідності матеріалів приймають по довідникам і другій нормативній документації.

При сталому тепловому режимі трубопроводу кількість теплоти , яка переноситься від теплоносія в навколишнє середовище, буде однаковою в будь-якій циліндричній поверхні ізольованої конструкції. Тому можна записати стосовно, наприклад, до двошарової ізоляційної конструкції (рис. 6.1) трубопроводу наступні рівняння

(2.1.3.22)

З цих рівнянь можуть бути получені вирази для визначення температури поверхні ізоляції і її проміжного шару

	(2.1.3.23)
, оС	(2.1.3.24)

де – термічний опір першого і другого шарів ізоляції.

З урахуванням виразів (6.17) і (6.18) формула (6.15) для розра-хунку нераціональних втрат теплоти неізольованим трубопроводом при його наземній прокладці буде мати вигляд

кВт	(2.1.3.25)

Підземна безканальна прокладка.При безканальній прокладці трубопроводу (в ґрунт або в засипку) розрахунок теплових втрат виконується за формулою (2.1.3.6). При цьому за температуру навколишнього середовища приймають природну температуру ґрунту на глибині закладання теплопроводу. При малих глибинах закладання осі теплопроводу () за температуру навколишнього середовища приймають природну температуру поверхні ґрунту (рис. 2.1.3.2).

Рис. 2.1.3.2. Схема однотрубного безканального теплопроводу

Тепловий опір при цьому складається з опору шарів ізоляції і опору ґрунту

(2.1.3.26)

Коли трубопровід неізольований, то . Відповідно для ізольованого та неізольованого трубопроводів вираз для втрат теплоти з 1 м довжини трубопроводу:

	(2.1.3.27)
	(2.1.3.28)

де R_гр.і і R_гр.н– термічний опір ґрунту для ізольованого і неізольованого трубопроводів.

Термічний опір ґрунту визначається за формулою Форгеймера [33]

(2.1.3.29)

де – коефіцієнт теплопровідності ґрунту, Вт/(м∙К);h– глибина закладання осі теплопроводу, м;– зовнішній діаметр теплопрово-

ду, м.

Коефіцієнт теплопровідності ґрунту залежить від його структури, вологості і температури. За даними [33] можна прийняти наступні значення , Вт/(м·К) на глибині 1,5 м при температурі 5^оС Вт/(м∙К):

вологі ґрунти – 1,75...3,5;

сухі ґрунти – 0,85...2,3;

при відсутності даних про характер ґрунту – 1,75.

При прокладці теплопроводів відношення звичайно більше 2...2,5. В цих випадках формулу Форгеймера можна спростити, коли прийняти радикал рівним. Тоді вираз (2.1.3.29) приводиться до виду [33]

(2.1.3.30)

Нераціональні втрати теплоти неізольованим трубопроводом, прокладеним в ґрунті, визначаються за формулою:

кВт	(2.1.3.31)

При безканальній прокладці кількох теплопроводів останні впливають один на одного. Кожна труба створює навколо себе темпера-турне поле. Це впливає на теплові втрати сусідніх труб.

При розрахунках теплових втрат багатотрубної безканальної прокладки Є.П. Шубін пропонує враховувати взаємний вплив сусідніх труб додатковим умовним термічним опором R_o .

Для двотрубного теплопроводу (рис. 6.3) за Є.П.Шубіним [33]

(2.1.3.32)

де – глибина закладання осі теплопроводу від поверхні землі, м;в – горизонтальна відстань поміж вісями труб, м.

Визначення теплових втрат двотрубного безканального теплопроводу виконується за формулами:

– для першої труби

(2.1.3.33)

– для другої труби

(2.1.3.34)

де – температури теплоносія в першій і другій трубах^оС;– термічний опір першого і другого теплопроводів поміж теплоносієм та ґрунтом.

Рис. 2.1.3.3. Схема двотрубного безканального теплопроводу (І, ІІ - теплопроводи)

Термічний опір для теплопроводів визначається за формулою (2.1.3.26). Термічний опір ґрунту визначається за формулою (2.1.3.30).

Нераціональні втрати теплоти двотрубного безканального неізольованого теплопроводу визначається за формулами:

– для першої труби

(2.1.3.35)

– для другої труби

(2.1.3.36)

де – втрати теплоти з 1 м довжини неізольованого першого і другого теплопроводів;– втрати теплоти з 1 м довжини ізольованого першого і другого теплопроводів.

Підземна канальна прокладка.Конструкцію теплопроводу підземної канальної прокладки наведено на рис. 2.1.3.4. При виконанні теплових розрахунків така конструкція умовно розглядається як закладений в ґрунт теплопровід, по якому рухається тепле повітря з температуроюt_к.

Рис. 2.1.3.4. Схема однотрубного теплопроводу в каналі

Таким чином, задачею теплового розрахунку підземної канальної прокладки є в першу чергу визначення температури повітря в каналі.

При сталому тепловому режимі кількість теплоти, яка підводиться від теплоносія в канал, дорівнює кількості теплоти яка відводиться з каналу в ґрунт. Для ізольованого однотрубного теплопроводу можна записати рівняння

(2.1.3.37)

де – температури теплоносія і повітря в каналі,^оС;– температура ґрунту на глибині осі теплопроводу і каналу,^оС;– термічні опори шару ізоляції, зовнішньої по-верхні ізоляції, внутрішньої поверхні каналу, стінок каналу і ґрунту.

З виразу (2.1.3.37) визначається

(2.1.3.38)

Далі визначаються теплові втрати каналу по формулі (2.1.3.27).

Нераціональні втрати неізольованим однотрубним теплопроводом визначаються за формулою (2.1.3.15).

Тепловий розрахунок багатотрубного теплопроводу, який прокладено в каналі (рис. 2.1.3.5), виконується за аналогічною схемою.

Рис. 2.1.3.5. Схема багатотрубного теплопроводу в каналі (І, ІІ - теплопроводи)

В тепловому балансі приймається, що сумарна теплота, яка передається від трубопроводів повітрю каналу, дорівнює теплоті, яка відводиться від повітря каналу через його стінки в ґрунт

,	(2.1.3.39)

звідки

(2.1.3.40)

де– термічні опори трубопроводів поміж теплоносіями і повітрям каналу;R_о –термічний опір поміж повітрям каналу і навко-лишнім ґрунтом.

Для каналів некруглого перерізу визначається еквівалентний діааметр

(2.1.3.41)

де f – площа перерізу каналу, м²;р– периметр каналу, м.

4. Місцеві втрати теплоти.В системах теплопостачання крім втрат теплоти по довжині траси – лінійних (від трубопроводів) враховуються також місцеві втрати в фасонних частинах, опірних конст-рукціях, арматурі, фланцях і таке інше.

Щоб спростити обслуговування арматури та фланців, вони часто залишаються неізольованими. Це призводить до значних втрат теплоти. Неізольований вентиль віддає в навколишнє середовище стільки ж теплоти, як 1 м неізольованої труби такого же діаметру. Неізольовані фланці, які мають меншу поверхню, віддають біля половини цієї кількості.

Загальні втрати теплоти теплопроводом складаються з лінійних і місцевих

.	(2.1.3.42)

Лінійні втрати теплоти ,

тоді

(1+ β),

(2.1.3.43)

де – питомі теплові втрати на 1 м довжини трубопроводу, Вт/м;LiL_e– будівельна і еквівалентна довжина теплопроводу, м; β– коефіцієнт, який враховує додаткові (місцеві) втрати теплоти.

По рекомендаціям [33] в практичних розрахунках можна прийняти β .

Нераціональні втрати теплоти неізольованим теплопроводом оцінюється за формулою

, кВт

(2.1.3.44)

де – втрати теплоти неізольованим і ізольованим теплопроводом.

5. Вибір оптимальної товщини ізоляції.Для вибору оптимальної товщини ізоляції теплопроводу потрібно враховувати вимоги з боку виробничого процесу, включаючи охорону праці, а також норма-тивні теплові втрати, які встановлені для даного виробництва за допомогою техніко-економічних розрахунків.

До виробничих вимог відноситься, наприклад, забезпечення заданої температури в паропроводі по його довжині при транспортуванні перегрітої пари окремим абонентам.

Впливає також на вибір товщини ізоляції необхідність підтримання по умовам техніки безпеки температури поверхні ізоляції теплопроводів, які прокладені в виробничих приміщеннях або в прохідних каналах, не вище за 40...50 ^оС.

По вказаним вище виробничим вимогам визначається мінімально необхідна товщина ізоляції, але вона може бути прийнята більшою на основі техніко-економічних розрахунків.

Збільшення товщини ізоляції веде, з одного боку, до економії палива шляхом зменшення теплових втрат, з іншого боку – до росту капітальних вкладень на споруду ізоляції.

Оптимальна товщина ізоляції відповідає мінімальним витратам. До них відносяться:

капітальні витрати на генерацію теплоти, яка відводиться в навколишнє середовище;

витрати на підпорні конструкції теплопроводів;

витрати на земельні роботи і побудову споруд при підземних прокладках та ін.

Як відомо, мінімальний термічний опір ізольованого циліндричного трубопроводу має місце при значенні критичного діаметру ізоляції, яке розраховується по формулі

, м,	(2.1.3.45)

де – коефіцієнт теплопровідності матеріалу ізоляції, Вт/м·^оС;– коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні ізоляції в навколишнє середовище, Вт/(м²·К).

При критичному діаметрі ізоляції термічний опір набуває міні-мального значення, а теплові втрати максимальні.

З формули (2.1.3.45) видно, що критичний діаметр d_кне залежить від зовнішнього діаметру трубопроводуd_з , товщини ізоляціїі коефіцієнту тепловіддачі(від рідини або газу до внутрішньої стінки труби), а залежить тільки від теплопровідності ізоляціїі коефіцієнта тепловіддачі.

Коли , то при накладанні послідовних шарів ізоляції товщина її буде збільшуватись і, нарешті, діаметр ізольованого трубопроводу досягне значення. В цьому випадку по мірі збільшення товщини ізоляції до значеннятеплові втрати будуть зростати і перевищувати теплові втрати неізольованого трубопроводу. При подальшому збільшені товщині ізоляції відd_кртеплові втрати будуть зменшуватись.

Коли , то при будь-якій товщині ізоляції її застосування з даним значеннямзабезпечить зменшення теплових втрат. Чим більше товщина ізоляції тим менші теплові втрати.

Коефіцієнт тепловіддачі для трубопроводів, які прокладені в закритих приміщеннях (при^оС), можна приблизно визначити за формулами (2.1.3.13), (2.1.3.14), або

Вт/(м2·К).

(2.1.3.46)

Як приклад визначимо для труби, яка покрита різними ізоляційними матеріалами: бетономазбестом

= 0,11 Вт/(мК), совелітом

По формулі (6.45) при маємо:

– для бетону

– для азбесту

– для совеліту

Отже ізоляція з бетону при заданому значеннібуде відносно ефективна, коли зовнішній діаметр труби, яка ізолюється, буде більшеНайменше значенняd_крбуде для ізоляції із совеліту.