6.6. Тепловой расчет трубопроводов

Цель теплового расчета сетей – определение толщины тепловой изоляции и падения температуры теплоносителя на данном участке трассы.

Толщину теплоизоляционного слоя определяют по нормам удельных потерь теплоты (табл. 6.10 и 6.11) или на основе технико-экономических расчетов. При этом толщина изоляции трубопровода данного диаметра условного прохода не должна превышать предельного значения, указанного в табл. 6.12.

Выбрав толщину производимого промышленностью изоляционного материала, определяют удельные потери теплоты трубопроводом длиной l, м, по формуле, Вт/м

q = (t_т – t_o)/R, (6.38)

где t_т – среднегодовая температура теплоносителя, ºС; t_о – среднегодовая температура окружающей среды (для подземной прокладки – среднегодовая температура грунта на глубине прокладки трубопровода), ºС; R – общее сопротивление теплопередаче, м׺С/Вт.

Таблица 6.10

Нормы потерь теплоты для водяных тепловых сетей, Вт/м

Наружный диаметр трубы, мм	Подземная прокладка				Надземная прокладка
	Среднегодовая температура теплоносителя, º C
	50	65	90	100	50	70	100	150
32	23	29	37	44	17	28	36	54
57	29	36	46	55	24	32	46	67
76	34	40	52	62	29	38	52	77
89	36	44	57	66	33	42	58	82
108	40	49	63	72	36	48	64	90
159	49	60	76	87	44	56	76	109
219	59	72	92	106	53	66	91	128
273	70	84	105	120	62	77	101	145
325	79	94	116	134	70	88	116	163

Таблица 6.11

Нормы потерь теплоты при надземной прокладке паропроводов

Наружный диаметр трубы, мм	57	76	89	108	133	159	219	273	325
Нормы потерь теплоты, Вт/м	116	128	140	152	168	180	210	240	268

Таблица 6.12

Предельная толщина изоляции тепловых сетей, мм

Диаметр условного трубопровода dу, мм	Способ прокладки тепловых сетей
	надземный	в непроходных каналах
	Водяных, паровых и конденсатных	Паровых	Водяных и конденсатных
25	70	70	60
50	100	100	80
100	150	150	90
150	160	160	100
200	180	180	100
250	180	180	100
300	190	190	100

Однотрубный теплопровод. Общее сопротивление теплопередаче при надземной прокладке теплопровода

R = R_и + R_н . (6.39)

Сопротивление теплопроводности тепловой изоляции

R_и = ln, (6.40)

где λ_и – теплопроводность материала изоляции, Вт/(м׺С); d_ни и d_ви – наружный и внутренний диаметры изоляции, м.

Тепловое сопротивление наружной поверхности изоляции

R_н = 1/(πd_ниα_н) . (6.41)

Коэффициент теплоотдачи поверхности изоляции определяют по эмпирической формуле, Вт/(м²∙ºС):

α_н = 11,6 + 7, (6.42)

где υ – скорость движения воздуха у поверхности изоляции, м/с.

При подземной бесканальной прокладке тепловой сети для определения R пользуются также формулой (6.39), только вместо R_н подставляют тепловое сопротивление грунта R_гр, которое находят из выражений

при h/d_эн ³ 2

R_гр = ln; (6.43)

при h/d_эн < 2

R_гр = ln, (6.44)

где λ_гр – теплопроводность грунта, Вт/(м×°С). Для грунтов средней влажности λ_гр = 1,2 … 2,5 Вт/(м×°С); h – глубина заложения оси трубопровода, м.

Двухтрубный теплопровод. При двухтрубной подземной бесканальной прокладке вокруг теплопроводов в грунте образуются температурные поля, которые, воздействуя одно на другое, способствуют уменьшению теплопотерь каждой трубой в отдельности. Взаимное влияние одной трубы на другую учитывается условным дополнительным сопротивлением, определяемым по формуле Е. П. Шубина

R_доп = ln, (6.45)

где b – расстояние между осями труб, м.

Удельные потери теплоты двухтрубным теплопроводом определяют по следующим уравнениям, Вт/м:

для подающего трубопровода

q₁ = , (6.46)

для обратного трубопровода

q₂ = , (6.47)

где t₁ и t₂ – расчетные температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, ºС.

При подземной прокладке сети в непроходных каналах тепловые потоки от каждого трубопровода нагревают воздух в канале, затем общий тепловой поток через стенки канала рассеивается в грунте. Определяя R по формуле (6.39), вместо R_н подставляют R_к.

Тепловое сопротивление канала

R_к = R_вп + R_ст + R_гр, (6.48)

где R_вп – сопротивление теплоотдаче от воздуха канала к его внутренней поверхности, м×^оС/Вт;

R_вп = 1/(πd_эвα); (6.49)

R_ст – тепловое сопротивление стенок канала, м׺С/Вт:

R_ст = ln; (6.50)

R_гр – тепловое сопротивление грунта, окружающего канал, м׺С/Вт; определяется по формуле (6.43) или (6.44) с заменой d_ни на d_эн; α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²∙°С), определяемый по формуле (6.42), принимая υ = 0; λ_ст – теплопроводность стенок канала, Вт/(м ×°С); d_эн и d_эв - эквивалентные наружный и внутренний диаметры канала определяемые по формуле, м:

d_э = 4А/P, (6.51)

где А – площадь (наружного или внутреннего) поперечного сечения канала при соответственно наружном или внутреннем его периметре Р.

При определении потерь теплоты трубопроводами пользуются также формулами, что и для бесканальной прокладки, только вместо t_гр подставляют значение средней температуры воздуха в канале t_к. В двухтрубной тепловой сети

t_к = . (6.52)

Значение t_к может быть близким к температуре теплоносителя t₂ в обратном трубопроводе. В этом случае его не покрывают тепловой изоляцией, что экономически выгодно.

Рассчитав удельные потери теплоты трубопроводами тепловой сети, сравнивают их значения с соответствующими нормами, приведенными в табл. 6.10 и 6.11. При несоответствии нормам расчет повторяют, пользуясь методами последовательного приближения, изменяя или толщину изоляции в допустимых пределах (см. табл. 6.12), или вид изоляционного покрытия.

Падение температуры теплоносителя – воды на участке трубопровода длиной l, м, находят из уравнения, °С:

Δt = , (6.53)

где β – коэффициент к длине трубопровода, учитывающий потери теплоты неизолированными компенсаторами, фланцевыми соединениями, арматурой. При надземной прокладке β = 1,25, при канальной – β = 1,2, при бесканальной – β = 1,15; G_т – расход теплоносителя, кг/с.

Падение энтальпии теплоносителя – пара, кДж/кг:

Δh (6.54)

Пример 6.4.Для участка двухтрубной надземной водяной тепловой сети длиной 80 м, работающей в течение года определить экономически целесообразную толщину теплоизоляции, выполненной из полуцилиндров пенопластовых марки ФРП – 1 (плотность конструкции 100 кг/м³), удельные потери теплоты трубопроводами и падение температуры теплоносителя на длине участка. Наружный диаметр обеих труб 194 мм, расход теплоносителя 43,1 кг/с. Среднегодовая температура теплоносителя в подающем трубопроводе 65^оС, в обратном – 50^оС. Среднегодовая расчетная скорость ветра= 5,7 м/с. Среднегодовая температура наружного воздухаt_о= + 2,7 ^оС.

Решение.Минимальная толщина полуцилиндров, изготавлимаемых промышленностью – 30 мм (приложение). Задаемся этой толщиной изоляции для предварительного расчета.

Наружный диаметр изоляции:

d_ни= 0,194 + 2·0,03 = 0,254.

Теплопроводность изоляции по данным приложения:

для подающего трубопровода

_ин= 0,043 + 0,00019(65+40)/2 = 0,053 Вт/м×^оС,

для обратного трубопровода

_ио= 0,043 + 0,00019(50 + 40)/2 = 0,0516 Вт/м×^оС.

Сопротивление изоляции теплопроводности по (6.40) подающего трубопровода

м×°С/Вт,

обратного трубопровода

м×°С/Вт.

Коэффициент теплоотдачи поверхности изоляции по (6.42)

_и= 28,3 Вт/м² ×°С.

Тепловое сопротивление наружной поверхности изоляции:

R_н= 1/3,14·0,254·21,7 = 0,044 м׺С/Вт.

Общее сопротивление теплопередачи подающего трубопровода:

R^п= 0,809 + 0,058 = 0,856 м׺С/Вт.

Обратного трубопровода

R^о= 0,831 + 0,058 = 0,875 м׺С/Вт.

Удельные потери теплоты по (6.38) подающим трубопроводом

q_п= (65 – 2,7)/0,856 = 72,8 Вт/м,

обратным

q_о= (50 – 2,7)/0,875 = 54 Вт/м.

Значения теплопотерь и для подающего и для обратного трубопроводов выше норм для данного диаметра труб, приведенных в таблице 6.10. Выбираем толщину изоляционного слоя для подающего 50 мм и обратного трубопроводов – 40 мм.

Проведем повторный расчет

мм,

мм,

м×^оС/Вт,

м×^оС/Вт,

= 1/3,14·0,294·21,7 = 0,050 м×^оС/Вт,

= 1/3,14·0,274·21,7 = 0,053 м×^оС/Вт,

R^п = 1,249 + 0,050 = 1,299 м×^оС/Вт,

R^о= 1,065 + 0,053 = 1,118 м×^оС/Вт,

q_п= (65 – 2,7)/1,299 = 47,9 Вт/м,

q_о = (50 – 2,7)/1,118 = 42,3 Вт/м.

Эти значения теплопотерь ниже норм для данного диаметра труб. Толщина изоляции значительно меньше предельной толщины для данного диаметра труб (табл. 6.12). Следовательно, по этим параметрам толщина тепловой изоляции выбрана правильно.

Падение температуры теплоносителя на длине участка определяем по формуле (6.53) подающего трубопровода:

^оС,

^оС.

Пример 6.5.Определить, как изменяются удельные тепловые потери трубопроводами, если они будут проложены в непроходном бетонном канале. Глубина заложения осей трубh= 1,5 м. Грунт песчаный (2000 кг/м³), влажный (теплопроводность λ_гр= 2,0 Вт/м^оС, температура на глубине прокладки трубt_гр= 5^оС). Теплопроводность бетона во влажной среде λ_ст= 1,86 Вт/м^оС.

Решение.По формуле (6.51) определим эквивалентные наружный и внутренний диаметры канала (рис. 6.4)

d_эн =м,

d_эв =м.

Коэффициент теплоотдачи от воздуха канала к внутренней поверхности канала по (6.42) = 1 1,6 т.к.= 0.

Сопротивление теплоотдачи от воздуха канала к его внутренней поверхности по (6.41):

R_вн= 1/3,14м°С/Вт.

Рис. 6.4. к примеру 6.5.

Тепловое сопротивление стенок канала по формуле 6.50

R_ст=м°С/Вт.

Так как отношение h/d_эн < 2, то тепловое сопротивление грунта находим по формуле (6.44)

.

Общее тепловое сопротивление подающего трубопровода

R^п= 1,249 + 0,242 = 1,491м² °С/Вт,

R^o= 1,065 + 0,242 = 1,307м² °С/Вт.

Условное дополнительное сопротивление по (6.45)

R_доп=м² °С/Вт.

Температура воздуха в канале по (6.52)

t_к=°С.

Подставляя вместо t_грзначенияt_кпо (6.46) и (6.47) определяем удельную потерю теплоты

- подающим трубопроводом

q_п = Вт/м,

- обратным трубопроводом

q_о = Вт/м.

Удельные потери теплоты уменьшились в подающем трубопроводе в

раза, а в обратном трубопроводе враза.