8. Тепловой расчёт теплопровода

Экономическая эффективность систем централизованного теплоснабжения при современных масштабах теплового потребления в значительной мере зависит от тепловой изоляции оборудования и трубопроводов. Тепловая изоляция служит для уменьшения тепловых потерь и обеспечения допустимой температуры изолируемой поверхности. Борьба за снижение транспортных потерь тепла в теплопроводах является важнейшим средством экономии топливных ресурсов. Дополнительные затраты, связанные с нанесением тепловой изоляции и антикоррозионных покрытий, относительно невелики и составляют 5—8% от общей стоимости тепловых сетей, но качественное изолирование повышает стойкость металла против коррозии, в результате которой существенно увеличивается срок службы трубопроводов.

Теплоизоляционные материалы непосредственно контактируют с внешней средой, для которой свойственны непрерывные колебания температуры, влажности и давления. В крайне неблагоприятных условиях находится теплоизоляция подземных и особенно бесканальных теплопроводов. Ввиду этого теплоизоляционные материалы и конструкции должны удовлетворять ряду требований. Соображения экономичности и долговечности требуют, чтобы выбор теплоизоляционных материалов и конструкций производился с учетом способов прокладки и условий эксплуатации, определяемых внешней нагрузкой на теплоизоляцию, уровнем грунтовых вод, температурой теплоносителя, гидравлическим режимом работы тепловой сети и др. Материалы, используемые в качестве теплоизолятора, должны обладать высокими теплозащитными свойствами и низким водопоглощением в течение длительного срока эксплуатации. Водопоглощение и гидрофобность (свойство поверхностного водоотталкивания) имеют важное значение для сохранения начальных теплофизических свойств теплоизоляционного материала и для экономии теплоснабжения. Коэффициент теплопроводности большинства сухих изоляционных материалов изменяется в пределах 0,05—0,25 Вт/м °С, с увлажнением коэффициент теплопроводности увеличивается иногда в 3-4 раз Теплоизоляционные свойства одних и тех же материалов существенно ухудшаются и с увеличением объемной плотности.

Тяжелая теплоизоляция разрушающе действует на удерживающую сетку и проволоку, провисшая теплоизоляция обрывается с трубопровода и оборудования и не выполняет своего прямого назначения. В связи с этим изоляционные материалы и бандажное крепление (сетка, проволока) должны обладать высокой механической и коррозионной стойкостью, способной противостоять воздействию внешней нагрузки и влажности. Высокие требования предъявляются к химической чистоте изоляторов. Изоляционные материалы, содержащие химические соединения, коррозионно-агрессивные по отношению к металлу, не допускаются к применению, так как при увлажнении эти соединения легко вымываются из теплоизоляции, попадая на металлические поверхности, вызывают их коррозию. Наиболее агрессивными элементами являются серные и сернистые окислы (SO3, SO2), содержащиеся в большом количестве в различных шлаках и минеральных ватах. Шлаки и ваты относятся к числу качественных изоляторов, но содержание окислов серы более 3% делает их непригодными для применения во влажных условиях. Некоторые заполнители, как асбестит, асбозурит, древесные опилки, камышит и другие, в основном органические материалы, при увлажнении изменяют структуру, растрескиваются и загнивают, вследствие чего они также· не рекомендуются для теплоизоляции.

Область применения тепловой изоляции определяется температурной стойкостью вещества, способностью сохранять первоначальные тепловые и механические свойства при высоких температурах теплоносителей. Состояние тепловой изоляции и ее долговечность зависят также от режимов работы теплопровода. Практика эксплуатации показала, что теплопроводы, периодически отключаемые на сезонные ремонты, корродируют быстрее непрерывно действующих. В непрерывно действующих теплопроводах потоки тепла, проходящие через слой изоляции, поддерживают ее в постоянно сухом состоянии. При отключении сетей уменьшающиеся потоки тепла от остывающего теплоносителя не в состоянии противостоять диффузии влаги с поверхности слоя изоляции к поверхности труб.

В задачу теплового расчета входит решение следующих вопросов:

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 трубопровода ;

4. Выбор толщины изоляции.

Предварительный расчет

Определим эффективность изоляции двухтрубной тепловой сети d_н=0,219мм, проложенной надземным способом прокладке. Среднегодовая температура теплоносителя в подающем трубопроводе 58 ⁰С, в обратном 50 ⁰С. Среднегодовая температура +0,6. Изоляция - из пенополиуретана коэффициент теплопроводности λ_и=0,02 Вт/(м∙ºС). Покровный слой- из оцинковочной стали δ=0,0005 м, коэффициент теплопроводности λ_пс=46,5 Вт/(м∙ºС).

Примем толщину изоляции δ=0,06 м и покровного слоя δ=0,0005 м

Определяем термическое сопротивление покровного слоя :

_{Находим коэффициент теплоотдачи на поверхности теплопроводов:}

_{w- Cреднегодовая скорость ветра}

_{Термическое сопротивление на наружной поверхности покровного слоя}

Общее термическое сопротивление

_ΣRo= R_пс+R_пп=0,03438

Нормируемые теплопотери трубопроводов составляют

q₁=61Вт/м, q₂= 53Вт/м.

Находим термическое сопротивление теплопроводов:

Подающего:

Обратного:

Определяем термическое сопротивление слоя изоляции подающего и обратного теплопровода

Находим толщину основного теплоизоляционного слоя для подающего и обратного теплопроводов

м;

м;

Проверочный расчет

Принимаем по ГОСТУ 30732-2006

толщину изоляции для региона Западная Сибирь: δ=0,062м

d_пс=0,344; d_и=0,343;

Определяем термическое сопротивление изоляции :

Определяем термическое сопротивление покровного слоя :

_{Находим коэффициент теплоотдачи на поверхности теплопроводов:}

_{w- Cреднегодовая скорость ветра}

_{Термическое сопротивление на наружной поверхности покровного слоя}

Общее термическое сопротивление

_ΣRo= R_пс+R_пп+R_и=2,041+0,00001+0,034=2,076

_{Находим теплопотери:}

Полученные теплопотери не превышают 10% от принятых

Остальные результаты своди в таблицу (табл. 8.1):

Таблица 8.1

Расчет толщины изоляции для различных диаметров трубопровода

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
d	0,219	0,219	0,159	0,133	0,133	0,089	0,089	0,057	0,057
dи	0,339	0,339	0,279	0,253	0,253	0,209	0,209	0,177	0,177
dпс	0,340	0,340	0,280	0,254	0,254	0,210	0,210	0,178	0,178
Rпс	0,00001	0,00001	0,00001	0,00001	0,00001	0,00002	0,00002	0,00002	0,00002
αн	27,252	27,252	27,252	27,252	27,252	27,252	27,252	27,252	27,252
Rпп	0,034	0,034	0,034	0,034	0,034	0,034	0,034	0,034	0,034
ΣR	0,374	0,374	0,314	0,288	0,288	0,244	0,244	0,212	0,212
q1	61,480	61,480	51,040	47,560	47,560	38,280	38,280	38,280	38,280
q2	53,000	54,000	44,000	41,000	42,000	33,000	34,000	35,000	36,000
ΣR1	0,934	0,934	1,125	1,207	1,207	1,499	1,499	1,499	1,499
ΣR2	0,932	0,915	1,123	1,205	1,176	1,497	1,453	1,411	1,372
R1	0,559	0,559	0,810	0,919	0,919	1,255	1,255	1,287	1,287

Продолжение таблицы 8.1

1	2	3	4		5	6	7	8	9	10
R2	0,558	0,540		0,808	0,916	0,888	1,253	1,209	1,199	1,160
δ1	0,026	0,026		0,039	0,045	0,045	0,066	0,066	0,068	0,068
δ2	0,026	0,025		0,039	0,045	0,044	0,066	0,063	0,063	0,060
Прин.	0,062	0,062		0,055	0,043	0,043	0,043	0,043	0,033	0,033
dи	0,343	0,343		0,269	0,218	0,218	0,174	0,174	0,122	0,122
dпс	0,344	0,344		0,27	0,219	0,219	0,175	0,175	0,123	0,123
Rи	2,04121	2,0412		2,39221	2,24816	2,24816	3,05013	3,050132	3,462101	3,4621
Rпс	0,00001	0,00001		0,00001	0,00002	0,00002	0,00002	0,00002	0,00003	0,00003
αн	27,2525	27,252		27,2525	27,2525	27,2525	27,2525	27,25248	27,25248	27,2525
Rпп	0,03397	0,034		0,04328	0,05336	0,05336	0,06678	0,066777	0,095008	0,09501
ΣR	2,07519	2,0752		2,4355	2,30154	2,30154	3,11693	3,116928	3,557137	3,55714
q1	27,6601	27,66		23,568	24,9398	24,9398	18,4156	18,41557	16,13657	16,1366
q2	23,805	23,805		20,2833	21,4639	21,4639	15,8489	15,84894	13,88757	13,8876