Сравнение расчетов теплоизоляции труб

Введение

Актуальность работы. По России тянутся десятки, сотни, тысячи километров трубопроводов, одни транспортируют газ, другие нефть, одни тепло и воду к нам домой, третьи вывозят отработанную жидкость из наших домов. Трубы работают везде, на заводах и фабриках, в школах и институтах, больницах, прачечных, они охлаждают турбины ГРЭС, они как вены человеческого тела опоясывают всю Россию, без них никуда.В зависимости от транспортируемой среды применяют следующие термины: водопровод, газопровод, паропровод, нефтепровод, воздухопровод, нефтепровод, кислотопровод, кислородопровод, бензопровод, молокопровод и др.Тепловая изоляция трубопроводов при заданной температуре на поверхности выполняется в том случае, когда теплопотери трубопровода не регламентированы, но в соответствии с требованиями безопасности необходимо защитить обслуживающий персонал от ожогов или уменьшить тепловыделение в помещении. В соответствии с санитарными нормами и требованиями СНиП 2.04.14-88 температура поверхности изолированных трубопроводов, находящихся в помещении, при температуре теплоносителя ниже 100°С не должна превышать 35°С, а при температуре теплоносителя 100°С или более не должна превышать 45°C. Теплоизоляция для предотвращения замерзания жидкости при остановке ее движения предусмотрена для трубопроводов, расположенных на открытом воздухе. Как правило, это справедливо для трубопроводов малого диаметра с небольшим количеством аккумулируемого тепла. Время, в течение которого теплоизоляция может защитить транспортируемую жидкость от замерзания при остановке ее движения, зависит от температуры жидкости и окружающего воздуха, скорости ветра, внутреннего диаметра, толщины и материала стенки трубопровода, параметров транспортируемой жидкости. К параметрам, влияющим на продолжительность периода до замерзания, относятся: плотность, температура замерзания, удельная теплоемкость, скрытая теплота замерзания.Чем больше скорость ветра и ниже температура жидкости (холодной воды) и окружающего воздуха, чем меньше диаметр трубопровода, тем больше вероятность замерзания жидкости. Использование изолированных неметаллических трубопроводов снижает вероятность замерзания холодной воды.Цель работы – сравнение двух методик расчета теплоизоляции трубы.Задачи:Охарактеризовать особенности теплоизоляции труб;Дать оценку двум методикам расчета теплоизоляции трубы.1 Особенности теплоизоляции трубПрименение теплоизоляции с целью предотвращения конденсации влаги из воздуха на поверхности изоляции выполняют для трубопроводов, расположенных в помещении, содержащем вещества с температурой ниже температуры окружающей среды, в том числе холодную воду. На толщину теплоизоляционного слоя для предотвращения конденсации влаги из воздуха на поверхности теплоизоляционной конструкции влияет относительная влажность окружающего воздуха, температура воздуха в помещении и вид защитного покрытия. При использовании покрытия с высоким коэффициентом излучения (неметаллического) расчетная толщина изоляции значительно меньше.На сегодняшний день особенно остро стоит вопрос теплоизоляции трубопроводов водяных тепловых сетей двухтрубной подземной канальной прокладки, при увеличении стоимости энергоносителей вопрос энергосбережения.На сегодняшний день не существует универсального теплоизоляционного материала, который подходил бы для всех трубопроводов. Для каждого отдельного проекта необходимо подобрать свой теплоизоляционный материал, который обеспечит выполнение необходимых задач по теплоизоляции трубопровода.К основным требованиям, предъявляемым к теплоизоляционным материалам и конструкциям, относятся следующие:- тепловая эффективность;- эксплуатационная надежность и долговечность;- пожарная и экологическая безопасность.Основными показателями, характеризующими физические, технические и эксплуатационные свойства теплоизоляционных материалов, являются: плотность, теплопроводность, термостойкость, сжимаемость и эластичность (для мягких материалов), прочность на сжатие при 10% деформации (для жестких и полужестких материалов), вибростойкость, формоустойчивость, горючесть, водостойкость и стойкость к химически агрессивным средам, содержание органических веществ и биостойкость[1].Тепловая эффективность промышленных теплоизоляционных конструкций определяется в первую очередь коэффициентом теплопроводности теплоизоляционного материала, который определяет необходимую толщину теплоизоляционного слоя, а, следовательно, нагрузку на утепляемый объект, конструктивные и монтажные характеристики теплоизоляционного материала. структура. Расчетные значения коэффициента теплопроводности принимаются с учетом его зависимости от температуры, степени уплотнения теплоизоляционных материалов в конструкции, шва конструкции, наличия крепежных элементов. При выборе теплоизоляционного материала учитывают: термостойкость теплоизоляционных материалов, возможную линейную усадку, потерю прочности и массы, степень выгорания связующего при нагреве, прочностные и деформационные характеристики утепляемого объекта, допустимые нагрузки на опоры и утепляемые поверхности и другие влияющие факторы.Долговечность теплоизоляционных конструкций зависит от их конструктивных особенностей и условий эксплуатации, в том числе от расположения утепляемого объекта, режима работы оборудования, степени агрессивности окружающей среды, интенсивности механических воздействий. Срок службы теплоизоляционного материала и теплоизоляционной конструкции в целом во многом определяется качеством защитного покрытия [6].Требования пожарной безопасности определяются нормами технологического проектирования для конкретных производств с учетом положений СНиП 41-03-2003 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов». Для таких отраслей промышленности, как газовая, нефтехимическая, химическая, производство минеральных удобрений, ведомственными нормами допускается применение в составе теплоизоляционных материалов только негорючих и трудногорючих материалов (группы НГ и Г1 при испытаниях по ГОСТ 30244-94). структуры. При выборе материалов учитываются не только показатели горючести теплоизоляционного слоя и защитного покрытия, но и поведение теплоизоляционной конструкции в условиях пожара в целом. Пожароопасность теплоизоляционных конструкций, наряду с другими факторами, зависит от термостойкости защитного покрытия, его механической прочности в условиях пожара.Санитарно-гигиенические требования особенно важны при проектировании объектов с технологическими процессами, требующими высокой чистоты, например, в микробиологии, радиоэлектронике, фармацевтической промышленности. В этих условиях используются материалы или конструкции, не допускающие загрязнения воздуха внутри помещений. На сегодняшний день на российском рынке достаточно много утеплителей для трубопроводов, они выпускаются в виде матов, трубок, сегментов, цилиндров и полуцилиндров, рулонной изоляции, в виде мастик и красок, в виде услуги по напылению теплоизоляции. Трубопроводы также могут быть предварительно изолированы, т.е. на рынке предлагается готовое решение купить трубу, которая уже имеет теплоизоляцию и гидроизоляцию (при необходимости) [2].2 Сравнение расчетов теплоизоляции трубМетодика 1.Определение средней разности температурСредняя температура подсолнечного масла:Определение критерия РейнольдсаГде V2 – cкорость движения хлористого натрия при V2 =1м/сdвн – внутриний диаметр трубок; dвн = 0,021 м;V2 – коэффициент кинематической вязкости хлористого натрия при t2 = 65.5 cОпределение критерия НуссельтаКритерий Pr 2 при t 2=106,6 CКоэффициент теплоотдачи от стенок труб к подсолнечному маслуКоэффициент теплоотдачи a 1 от насыщенного пара 2 к трубкам:Температура пленки конденсатаРазность температурКритерий ГалилеяКритерий КуттеладзеКритерий Нуссельта для расчета теплоотдачи к одному ряду горизонтальных трубКоэффициент теплоотдачи для верхнего ряда трубокЧисло труб в одном ходе (пучок)Число трубок по наружной стороне шестиугольника определяем из зависимостиСредний коэффициент теплоотдачи для всего пучка трубТеоретический коэффициент от пара к подсолнечному маслуПринимаем коэффициент использования поверхности теплообмена =0,9. Тогда расчетный коэффициент теплопередачиТепловая нагрузка аппаратаПоверхность теплообменаДлина трубокДействительная поверхность теплообменаРасход греющего параМетодика 2. Расчет допустимых теплопотерь трубопроводаQ=cр·ṁ(tвх-tвых)где ср- теплоемкость воды, 4,19 кДж/(кг·К) при t=10ºC табл. П.З.[2]ṁ- массовый расход, кг/сtвх- температура воды на входе в трубопровод, ºСtвых- температура воды на выходе из трубопровода, ºСДля расчета потерь тепла в окружающую среду используют формулу:Где q - тепловой поток на единицу длины, t1- температура воды; t2 - температура воздуха окружающей среды; d1- внутренний диаметр трубы,α1-коэффициент теплоотдачи от воды к стенке, λ1-теплопроводность стали, d2 - наружный диаметр трубы, α2 - коэффициент теплоотдачи от наружной стенки к окружающей среде.Коэффициент теплоотдачи α1, входящий в уравнение, характеризует интенсивность теплоотдачи. Его можно найти из формулы:;Число Нуссельта Nu характеризует интенсивность теплообмена на границе твердое тело - жидкость.λж-теплопроводность Вт/м·К(справочная величина)d-определяющий линейный размер. При течении жидкости в круглых трубах за определяющий размер принимают внутренний диаметр трубы. При поперечном обтекании цилиндра под углом φ за определяющий диаметр принимают наружный диаметр d2.При течении жидкости в трубеВ первую очередь необходимо определить режим течения воды. Как говорилось выше, определяющим критерием режима течения является число Рейнольдса:Скорость течения жидкости W в трубе определяем из формулы для расхода:=ρwsгде W - скорость движения жидкости или ветра, м/сДля расчета теплоотдачи в случае турбулентного потока внутри труб и каналов рекомендуют следующую формулу Михеева [2, стр.271]:Для расчета теплоотдачи в случае ламинарного потока внутри труб и каналов рекомендуют следующую формулу:- число Грасгофа учитывает действие в потоке жидкости термогравитационной силы;Pr- число Прандтля характеризует собой механизм и способность распространения теплоты(справочная величина);Расчет теплоотдачи при обтекании цилиндраЕсли Re<103 режим движения ламинарныйЕсли Re>103 режим движения турбулентныйЕсли угол атаки β менее 900, то коэффициент теплоотдачиβ =Nu∙εβεβ =(sinβ)1/2Определение допустимых потерь тепла в окружающую среду=cр·ṁ(tвх-tвых)= 4,2∙70·(100-90)=2940кДж/сРасчет коэффициента теплоотдачи при течении жидкости в трубеДля определения режима течения на первом участке рассчитаем число Рейнольдса:G=ρwsгде G- массовый расход воды, кг/сS-площадь живого сечения, м2ρ- плотность воды, кг/м3Re1>Reкр=2320, следовательно режим течения турбулентный.Pr=1,85 при температуре воды 950С. принимаем равным 1.Расчет коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании цилиндраεв=(sin40)1/2=0.8Рассчитываем коэффициент теплопередачигде δ - толщина изоляционного слоя, м.Q=к·L∙S(tср-tн)где Sн- наружная площадь трубы, м2=2300 м длина трубопровода.Определение толщины изоляции1=14,5·2300·110·0,86=3661кВтQ2=11,7·2300·110·0,86=2544кВтQ3=8·2300·110·0,86=1741 кВтQ4=7,2·2300·110·0,86=1564кВтРезультаты расчетов заносим в таблицу.1234Толщина изоляции δ, м0.0010,0020,0030,004Q, кВт3661254417411564По полученным данным строим график зависимости теплопотерь от толщины изоляции.Расчет тепловой изоляции по СП 41-103-2000,где λиз- коэффициент теплопроводности основного слоя, Вт/(м∙ºС);∑R- термическое сопротивление изоляционной конструкции, (м∙ºС) /Вт. ,где τср- расчетная средняя температура теплоносителя, ºС;t0- расчетная температура окружающей среды, ºС;qн- норма потерь теплоты, Вт/м, принимаемая по табл. 4.16[1]dн- наружный диаметр теплопровода, м.

Заключение

При сравнении значений k видно, что коэффициент теплопередачи с поверхности теплоизоляции, имеющей коэффициент теплопроводности λiz = 0,036 Вт/(м·К), будет меньше, чем с поверхности теплоизоляции. голая чистая труба. Поэтому потери тепла будут меньше.К теплоизоляционным материалам относятся те, у которых коэффициент теплопроводности λ ≤ 0,2 Вт/(м°С).Толщина изоляции для трубопровода в моих условиях составила 1,8 мм, а если посчитать по стандарту, то 54 мм.В строительстве промышленной теплоизоляции необходимо расширить применение современных высокоэффективных теплоизоляционных изделий из минеральных и стеклянных волокон отечественного и зарубежного производства. Относительно высокая стоимость, например, стеклопластиковых и минераловатных теплоизоляционных цилиндров компенсируется их более высокой тепловой эффективностью, эксплуатационной надежностью и долговечностью.Долговечность теплоизоляционных материалов в ограждающих конструкциях или в конструкциях теплоизоляции оборудования и трубопроводов следует определять в зависимости от типа конструкций и условий эксплуатации на основании многолетних наблюдений и обследований конструкций, находящихся в эксплуатации.Внедрение в практику проектирования теплоизоляции оборудования и трубопроводов, дифференцированных по регионам территориальных стандартов, с учетом фактических цен на тепловую энергию и теплоизоляционные материалы, применение качественных теплоизоляционных и защитно-покрывных материалов и энерго- эффективных структур направлена ​​на экономию топливно-энергетических ресурсов в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве и является реальным, быстро окупаемым мероприятием по реализации программы энергосбережения в Российской Федерации.Повышение энергоэффективности утепляемых объектов, совершенствование нормативной базы, методов, средств расчета и проектирования теплоизоляции, расширение номенклатуры и улучшение качества применяемых теплоизоляционных и облицовочных материалов направлены на решение проблемы энергосбережения и экономии топлива. и энергоресурсов в энергетике, промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве России.

Список использованной литературы
Хрусталев Б.М., Кувшинов Ю.Я., Копко В.М. Теплоснабжение и вентиляция М.: Изд-во АСВ, 2005.-576 с., 129ил.Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен М.: Издательский дом МЭИ, 2006.- 550 с.Кутателадзе С. С., Боришанский В. М. Справочник по теплопередаче. - М.: Гостехиздат, 1959.- 414 С.Казанцев Е. И. Промышленные печи. - М.: Металлургия, 1975.- 368 С.Миснар В. Д. Теплопроводность твёрдых тел, газов и жидкостей. - М.: Наука, 1973. - 445 с.Исаченко В. П. Теплопередача. - М.: Энергия, 1969. - 439 С.Ривкин С. Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. - М.: Энергия, 1980. - 80 С.Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. - М.: Мир, 1983. - 511С.Орлов М.Е. Тепломассообмен М.: УлГТУ, 2005. 138 с.