Основные задачи тепловых расчетов изоляционных конструкций

Тепловые расчеты изоляционных конструкций проводятся с целью определения тепловых потерь трубопроводов с заданной конструкцией тепловой изоляции при данном типе прокладки, а также с целью определения по заданным значениям этих потерь соответствующих толщин изоляционных слоев, выполняемых из материалов с известной теплопроводностью. В состав тепловых расчетов входит также определение изменений температур теплоносителя в теплосетях в результате их тепловых потерь и проверка температуры наружной поверхности тепловой изоляции, которая при прокладке в помещениях по нормам должна быть не выше 45°С при температуре воздуха в помещении 25°С. При надземной и подземной прокладке теплосетей в местах, доступных обслуживанию (туннели, коллекторы, камеры, эстакады), допускается повышение температуры поверхности тепловой изоляции до 60°С.

Максимальные допустимые тепловые потери трубопроводов тепловых сетей при различных типах прокладки оговорены в нормативных документах.

Исходной задачей теплового расчета теплосетей является температура теплоносителя на входе в рассматриваемый объект, обычно участок трубопровода, на протяжении которого диаметр труб и характеристика теплоизоляционной конструкции (толщина, теплопроводность отдельных слоев) остаются неизменными. Кроме того, при тепловых расчетах должна быть задана температура окружающей среды, воспринимающей тепловые потери от конструкций теплосетей. Характеристика окружающей среды определяется типом прокладки этих сетей, эти типы могут быть сведены к двум основным, соответствующим надземной и подземной прокладке сетей.

В первом случае окружающей средой для конструкции сетей является воздух (воздушная прокладка), а во втором – массив грунта, в котором проложены эти конструкции. К воздушной прокладке относятся все трубопроводы и оборудование тепловых сетей, расположенные внутри помещений или вне их на открытом воздухе.

В задачу теплового расчета входит решение следующих задач:
1) определение тепловых потерь теплопровода;

2) расчет температурного поля вокруг теплопровода, т.е. определение температур изоляции, воздуха в канале, стен канала, грунта;

3) расчет падения температуры теплоносителя вдоль теплопровода;

4) выбор толщины тепловой изоляции теплопровода.

В изолированном трубопроводе, окруженном наружным воздухом, теплота должна пройти через четыре последовательно соединенных термических сопротивления: внутреннюю поверхность трубы Rв, стенку трубы Rтр, слой изоляции Rи и наружную поверхность изоляции Rни. Суммарное сопротивление равно арифметической сумме последовательно соединенных сопротивлений, т.е.

R = Rв + Rтр + Rи + Rни. (5.18)

В практических расчетах первыми двумя сопротивлениями обычно пренебрегают. При учете только двух последних термических сопротивлений тепловая потеря надземного теплопровода определяется по формуле:

q = ( t - to ) / (R_и - R_н (5.19)

где q - удельные тепловые потери теплопровода, Вт/м; t - температура теплоносителя, °С; to - температура окружающей среды, °С; R_и и R_ни - термические сопротивления слоя изоляции и наружной поверхности изоляции.

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

q = ( t – to ) / Rни. (5.20)

В тепловом расчете встречаются два вида термических сопротивлений:

1). Сопротивление поверхности, в рассмотренном примере Rв и Rни; термическое сопротивление цилиндрической поверхности определяется по формуле ( из курса «Теплопередача»):

R = 1 / (π d α), (5.21)

где πd – площадь поверхности 1 м длины теплопровода, α – коэффициент теплоотдачи от поверхности.

2). Сопротивление слоя, в рассматриваемом примере Rтр и Rи. Выражение для термического сопротивления однородного цилиндрического слоя можно вывести из уравнения Фурье, и имеет вид:

R = 1/(2πλ) ln(dн/dвн), (5.22)

где λ – коэффициент теплопроводности слоя; dн, dвн – наружный и внутренний диаметры слоя.

Для теплового расчета существенное значение имеют только слои с большим термическим сопротивлением. Такими слоями являются тепловая изоляция, стенка канала. массив грунта и т. п. По этим соображениям при тепловом расчете изолированных теплопроводов обычно не учитывается термическое сопротивление металлической стенки.

Иногда тепловую изоляцию выполняют многослойной, исходя из различных допустимых температур для применяемых изоляционных материалов или по экономическим соображениям с целью частичной замены дорогих сортов изоляции более дешевыми. Термическое сопротивление многослойной изоляции равно арифметической сумме термических сопротивлений последовательно наложенных слоев.

Термическое сопротивление цилиндрической изоляции увеличивается с увеличением отношения наружного диаметра изоляции к внутреннему. Поэтому при применении многослойной изоляции первые слои следует укладывать из материала, имеющего более низкий коэффициент теплопроводности, что приводит к наиболее эффективному использованию изоляционных материалов.