Лабораторная работа №4 Определение термического сопротивления изоляции

1. Цель и содержание работы

Цель работы: изучение термического сопротивления изоляции трубопроводов. Задачами исследования могут быть:

1. Определение зависимости линейного термического сопротивления от толщины и материала изоляции.

2. Подбор толщины и материала изоляции в зависимости от диаметра трубопровода при заданном значении теплопотерь по длине трубопровода.

3. Определение критического диаметра изоляции.

4. Зависимость теплопотерь от скорости теплоносителя и диаметра трубы.

5. Расчет экономической толщины изоляции в зависимости от стоимости теплопотерь и изоляции.

В ходе работы на модели реального трубопровода студенты экспериментально измеряют параметры, определяющие теплопередачу через многослойную цилиндрическую стенку. По полученным данным рассчитываются термическое сопротивление изоляции, потери тепла в трубопроводе, экономическая толщина изоляции. На основании анализа полученных результатов делаются выводы по работе.

2. Теоретические положения

При движении теплоносителя по трубопроводу происходит непрерывная утечка тепла в окружающую среду из-за значительной разности температур. Снижение потерь достигается применением тепловой изоляции трубопроводов. При хорошем состоянии изоляции тепловые потери не должны превышать 5 % от отпуска тепла. Использование изоляции имеет также эргономическое значение, вследствие снижения температуры наружной поверхности трубопровода, значение которой во избежание ожогов не должно превышать 60 ⁰С. Снижение тепловых потерь уменьшает падение температуры теплоносителя по длине трубопровода.

Тепло от горячего теплоносителя к окружающей среде передается через многослойную цилиндрическую стенку (рис. 1). Количество переданного тепла в единицу времени определяется по формуле

, (1)

г де Q_R - количество тепла, переданного от теплоносителя к окружающей среде в единицу времени, Вт; - средняя разность температур теплоносителя и окружающей среды, ⁰С; R_L - линейное термическое сопротивление трубы и изоляции, (мК)/Вт; L - длина трубы, м.

Величина равна

, (2)

где ₁ - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к внутренней поверхности трубы, Вт/(м²К); ₂ - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к окружающей среде, Вт/(м²К);  - теплопроводность материала стенки трубы, Вт/(мК); _из - теплопроводность слоя изоляции, Вт/(мК); d₁ - внутренний диаметр трубы, м; d - наружный диаметр трубы без изоляции, м; d₂ - наружный диаметр слоя изоляции, м.

Средняя разность температур теплоносителя и окружающей среды определяется как среднелогарифмическая:

,

где t₁₁ – температура теплоносителя на входе в трубопровод, С; t₁₂ – температура теплоносителя на выходе из трубопровода, С; t₀ - температура окружающей среды, ⁰С.

Расчет коэффициента теплоотдачи ₁ от теплоносителя к внутренней стенке трубы проводится по различным формулам в зависимости от режима течения в трубе:

- при развитом турбулентном стабилизированном течении (Re10000):

; (3)

- в переходной области (2300Re10000) для практических расчетов рекомендуется пользоваться приближенным уравнением:

; (4)

- при ламинарном течении (Re2300) при отсутствии свободной конвекции:

. (5)

В формулах (3) - (5) определяющая температура - средняя температура теплоносителя, определяющий размер - внутренний диаметр трубы;

- критерий Рейнольдса;

- критерий Нуссельта;

- критерий Прандтля;

где w - средняя скорость движения теплоносителя, м/с;  - коэффициент кинематической вязкости теплоносителя, м²/с; а - коэффициент температуропроводности, м²/с.

Свойства теплоносителя рассчитываются при определяющей температуре.

Теплоотдача от наружной поверхности изоляции к окружающей среде осуществляется двумя способами: лучеиспусканием и конвекцией. Коэффициент теплоотдачи ₂ равен

, (6)

где _2L - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/(м²К); _2K - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²К).

Коэффициент _2L рассчитывается по формуле

, (7)

где  - степень черноты наружной поверхности изоляции; С =5,67 Вт/(м²К⁴) – коэффициент излучения абсолютно черного тела; – средняя температура наружной поверхности изоляции, С.

Расчет коэффициента теплоотдачи _2К от наружной поверхности изоляции к окружающей среде можно производить по приближенным зависимостям:

- при естественной конвекции

; (8)

- при вынужденной конвекции

; (9)

где w₀ - скорость воздуха, м/с.

На входе в трубопровод температура теплоносителя равна t₁₁, тогда максимальное располагаемое количество тепла будет равно

, (10)

где с_p - изобарная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кгК); G - массовый расход теплоносителя, кг/с.

Количество тепла, которое потеряет теплоноситель при изменении его температуры от t₁₁ в начале трубопровода до t₁₂ в конце трубопровода, составит

. (11)

П ри выборе тепловой изоляции для покрытия трубопроводов необходимо учитывать изменение наружного диаметра. Рассмотрим уравнение (2). С увеличением наружного диаметра d₂ и неизменным наружным диаметром трубы d первое и второе слагаемые (обозначим их через R_C) в уравнении (2) будут постоянными, третье слагаемое будет увеличиваться, а четвертое – уменьшаться (рис. 2). Таким образом, линейное термическое сопротивление теплопередачи будет определяться характерным изменением термического сопротивления теплопроводности изоляции R_ и термического сопротивления теплоотдачи от наружной поверхности к окружающей среде R_.

Исследуя уравнение (2) на экстремум, можно получить значение внешнего диаметра трубы, соответствующего минимальному линейному термическому сопротивлению, называемому критическим диаметром цилиндрической стенки:

. (12)

При d₂  d_кр с увеличением d₂ полное термическое сопротивление теплопередачи снижается, т.к. увеличение наружной поверхности оказывает большее влияние на термическое сопротивление, чем увеличение толщины стенки.