Методика розрахунку ізоляції

Головною задачею розрахунку теплової ізоляції є визначення товщини ізолюючого шару. Для вирішення цієї задачі задаються матеріалом і конструкцією ізолюючого шару. Товщина ізолюючого шару не повинна бути більшою за граничні значення, які встановлюють на підставі практичних міркувань та для запобігання громіздкості ізольованих конструкцій. Для плоских поверхонь і великих циліндричних резервуарів допускають товщину ізоляції не більше 250 мм [17], а мінімальну товщину – 30-40 мм.

Ізолюючий матеріал і його товщину вибирають на підставі техніко-економічних міркувань. Спочатку встановлюють допустимі втрати теплоти у довкілля, вибирають температуру на зовнішній поверхні ізоляції , а потім визначають середню температуру ізоляції, за якою обчислюють значення та її товщину .

Допустимі втрати теплоти у довкілля регламентуються залежно від умов роботи і діаметру апарату. Значення допустимих втрат у довкілля визначають з довідкової літератури. В додатку (табл. 11) наведені допустимі значення втрати теплоти у довкілля для ізольованих апаратів, які експлуатують у виробничому приміщенні при температурі 25 ^ОС (детальніше про вибір нормативних втрат теплоти у довкілля можна дізнатися з довідкової літератури, наприклад [18]).

Процес теплопередачі через ізольовану гарячу плоску або циліндричну стінку можна розбити на наступні стадії:

1. Теплообмін між теплоносієм і внутрішньою стінкою резервуара.

2. Передача теплоти через стінку резервуару, шар ізоляції та кожух резервуару.

3. Теплообмін між поверхнею ізоляції (поверхнею кожуха) і довкіллям.

Термічним опором тепловіддачі від гарячого середовища до стінки і самої стінки можна знехтувати, а температуру внутрішньої стінки резервуару вибирають рівною температурі гарячого середовища . Знаючи температури на внутрішній та зовнішній поверхнях ізоляції, можна визначити потрібну її товщину і , після чого треба виконати перевірочний розрахунок середньої температури ізоляційного шару і температури на поверхні ізоляції. Якщо знайдені дані не збігаються із заданими температурами, роблять перерахунок доти, поки вони не збігатимуться.

Наприклад, втрати теплоти у довкілля вибираємо згідно з табл. 11 додатку (для резервуару діаметром 1000 мм і температурі теплоносія 150 ^ОС втрати теплоти не повинні перевищувати 1257 кДж/год), задаємося температурою на поверхні ізоляції 28 ^ОС, вибираємо ізолюючий матеріал за табл. 10 додатку, розраховуємо за формулою представленою у цій таблиці і товщину . . Якщо при перевірочному розрахунку отримуємо втрати теплоти у довкілля більше ніж 1257 кДж/год, то температуру на поверхні ізоляції зменшують, наприклад, до 26 ^ОС, і розрахунки повторюють до тих пір, поки втрати теплоти у довкілля стануть меншими від допустимих.

Зауваження. Зменшувати втрати теплоти у довкілля значно нижче допустимих значень недоцільно з точки зору зростання товщини ізолюючого шару, громіздкості резервуару та зростання його собівартості.

Рівняння теплопровідності для встановленого теплового потоку через одношарову плоску стінку:

, (102)

де, – питомий тепловий потік (питоме теплове навантаження), Вт/м²;

– тепловий потік (витрата теплоти), Вт;

– площа поверхні стінки, м²;

– температура гарячої і холодної поверхні ізольованої стінки, К або ⁰С;

– термічний опір стінки, (м²К)/Вт;

– товщина стінки, м;

– коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мК).

Рівняння теплопровідності для встановленого теплового потоку через багатошарову плоску стінку:

. (103)

Рівняння теплопровідності для встановленого теплового потоку через одношарову циліндричну стінку:

, (104)

де – середня площа циліндричної поверхні, м²;

– довжина циліндра, м;

– внутрішній і зовнішній діаметри циліндричної стінки, м.

Рівняння теплопровідності для встановленого теплового потоку через багатошарову циліндричну стінку:

, (105)

де – зовнішній і внутрішній діаметри циліндричної багатошарової стінки, м.

Перевірити температуру на поверхні ізоляції можна за формулою:

для плоскої стінки:

,

звідки:

; (106)

для циліндричної:

,

звідки:

; (107)

де – коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні апарату у довкілля.

Для розрахунку втрат теплоти у довкілля для апаратів, які експлуатуються у закритих приміщеннях (при температурі довкілля 20-25 ^ОС) і температурі на поверхні кожуху до 150 ^ОС розраховують за формулою [19]:

(108)

В даному випадку – сумарний коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням і конвекцією у Вт/(м²К).

Підсумовуючи сказане, запишемо повне рівняння втрат теплоти ізольованою циліндричною поверхнею:

, (109)

або:

Аналізуючи формулу (106), можна побачити, що із збільшенням зростає , але одночасно зменшується , тобто із збільшенням можливе таке становище, коли товстий шар ізоляції дасть дуже малий ефект. Разом із тим, зростання шару ізоляції приводить до зростання поверхні теплообміну, і може привести до зростання втрат теплоти у довкілля. На це треба зважити, вибираючи її товщину. Вибираючи ізоляцію, необхідно уникати надмірної її товщини і застосовувати ізоляційні матеріали з малим , інакше теплові втрати можуть не тільки не зменшуватися, а навіть і зростати.

Для захисту шару ізоляції від механічних пошкоджень підчас транспортування або експлуатації і надання резервуару відповідного зовнішнього вигляду шар ізоляції рекомендують захищати кожухами з тонколистової сталі, які фарбують у відповідний колір.

Отже, алгоритм розрахунку ізоляції наступний:

1. Визначаємо допустимі втрати теплоти у довкілля.

2. З техніко-економічних міркувань вибираємо ізолюючий матеріал.

3. Приблизно задаємося бажаною температурою на зовнішній поверхні ізоляції.

4. Визначаємо і .

5. Перевіряємо температуру на зовнішній поверхні ізоляції, якщо розрахункова температура незначно відрізняється від вибраної, визначаємо реальні втрати теплоти у довкілля і порівнюємо з допустимими, якщо температура відрізняється значно в більшу або меншу сторону, то її змінюють відповідним чином і повторюють розрахунок спочатку.

IV. ДЕФЕКТИ ЗВАРЮВАЛЬНИХ ШВІВ ТА ЇХ КОНТРОЛЬ

Невеликі резервуари, які виготовляють на машинобудівних заводах, переважно зварюють автоматичним зварюванням під шаром флюсу. Місця, які недоступні для автоматичного зварювання, зварюють ручним електродуговим зварюванням. Крупногабаритні резервуари, які зварюють на виробничих майданчиках, а також металічні конструкції, стики, технологічні трубопроводи і т. ін. також переважно зварюють ручним електродуговим зварюванням.

Зварювальні шви – це досить відповідальні місця резервуарів, тому для них передбачено низку випробовувань на відсутність тріщин або інших дефектів.

Дефекти зварювальних швів суттєво впливають на механічні та експлуатаційні властивості резервуару. Причиною появи дефектів може бути неправильно вибрана технологія зварювання, порушення режиму зварювання, використання непридатного матеріалу зварювального електроду або флюсу та інше.

Головними дефектами зварювальних з’єднань є: пори, раковини, жужільні включення, непроварювання, тріщини, залишкові напруження.

Експериментально встановлено, що поодинокі пори, раковини і жужільні включення, які знаходяться всередині шва (закриті), при статичних навантаженнях на міцність з’єднання не впливають. Якщо пора або жужільне включення виходить на поверхню шва, то такі місця є концентраторами напружень, які суттєво зменшують міцність зварювального з’єднання. Непроварені місця і тріщини негативно впливають на роботу зварювальних з’єднань при будь-яких навантаженнях і температурі нижчій 0 ^ОС. При пониженій температурі шов у цьому місці переходить до крихкого стану, різко знижується границя втомної міцності і статична міцність.

Залишкові напруження знижують корозійну стійкість конструкційного матеріалу.

Існує багато способів контролю якості зварювального з’єднання, які дозволяють виявити з певною точністю наявність, глибину залягання та геометричні розміри вище перелічених дефектів. Застосування того чи іншого методу контролю залежить від ступеня відповідальності зварювального шва, його товщини, а також наявності контрольного обладнання. Тому в кожному конкретному випадку той чи інший метод контролю вибирають на підставі техніко-економічних міркувань.