Расчет экранной изоляции трубопроводов систем теплоснабжения

В системах теплоснабжения для изоляции трубопроводов широко применяется пенополиуретан в качестве утеплителя, обладающий низким значением коэффициента теплопроводности. Предельная температура эксплуатации для различных марок пенополиуретана находится в пределах от 80 до 200°C, поэтому возникает необходимость его защиты от перегрева с помощью нанесения алюминиевой фольги на внутреннюю поверхность скорлупы.

Расчет экранной тепловой изоляции трубопроводов систем теплоснабжения

(И.Г. Беляков, А.Ю. Вытчиков, Л.Д. Евсеев)

В системах теплоснабжения для изоляции трубопроводов широко применяется пенополиуретан в качестве утеплителя, обладающий низким значением коэффициента теплопроводности. Предельная температура эксплуатации для различных марок пенополиуретана находится в пределах от 80 до 200°C, поэтому возникает необходимость его защиты от перегрева с помощью нанесения алюминиевой фольги на внутреннюю поверхность скорлупы.

Между скорлупой и трубопроводом создается воздушный зазор, величина которого существенно влияет на перепад температур между наружной поверхностью трубопровода и пенополиуретаном. Схематизация процесса теплообмена в изолированном трубопроводе представлена на рис.1.

Рис.1.
Теплообмен в изолированном трубопроводе

Расчет толщины теплоизоляционного слоя был выполнен для трубопроводов, расположенных на открытом воздухе с температурой теплоносителя от 100 до 150°C.

Математическая постановка рассматриваемой задачи примет следующий вид:

где:

q₁ - плотность теплового потока, проходящего через конструкцию, Вт/м;
t - температура теплоносителя, °C;
t₀ - температура окружающей среды, принимаемая равной средней температуре отопительного периода (t₀=-5,2°C г. Самара);
d_y - условный диаметр трубопровода, м;
d_н - наружный диаметр трубопровода, м;
d_из1, d_из2 – внутренний и наружный диаметр скорлупы из пенополиуретана, м;
- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции, принимаемый равным 29 Вт/(м² °C) согласно приложению 9, СНиП 2.04.14-88 "Тепловая изоляция оборудования трубопроводов". М., 1999;
λ, λ_из1, λ_из2 - коэффициент теплопроводности материала трубопровода, воздушной прослойки и пенополиуретана соответственно, Вт/(м °C).
Коэффициент теплопроводности воздушной прослойки определяется с учетом конвекции и теплопередачи излучением:

где: λ_м - значение коэффициента теплопроводности воздуха, Вт/(м °C);
- коэффициент конвекции, учитывающий влияние естественной конвекции >= 1
- коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м²°C);
- толщина воздушной прослойки, м.;

Для нахождения коэффициента конвекции рекомендуется использовать критериальное уравнение, полученное М.А. Михеевым при 10³ < Gr • Pr < 10⁶.

В приведенном выше уравнении за определяющий размер следует принять толщину прослойки, а за определяющую температуру – среднюю температуру воздуха.

где:
g – ускорение свободного падения, м²/с;
– коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с;

– коэффициент объемного раширения воздуха, 1/°К;

– средняя температура воздуха в прослойке, °C;

– разность температур поверхностей слоев, °C;
Pr – критерий Прандтля.

где: – приведенная степень черноты для системы параллельных пластин, имеющих степени черноты

– коэффициент излучения абсолютного черного тела;

– температуры поверхностей пластин, °К;

Рис.2.
Зависимость перепада температур дельта t от величины воздушного зазора

На рис.2 представлена зависимость перепада температур между наружной поверхностью трубопровода и внутренней поверхностью скорлупы дельта t от величины воздушного зазора при d_у = 0,82 м.

Толщина слоя теплоизоляции, выполненной из пенополиуретана марки ППУ-110, составляет 16 мм.