Визначення товщини ізоляційного шару трубопровода у разі нормування лінійних питомих втрат – qL.

В практиці визначення товщини ізоляційного шару трубопровода у разі нор­му­вання q _L існують два підходи:

1-й підхід – полягає у тому, що використовується методологія, яка базуєть­ся на закономірностях тепловіддачі від плоских поверхонь. Ця методологія суттєво спро­­щує розрахунок товщини ізоляції, але надає орієнтовний результат, дещо ме­н­ший за істи­ний, і використовується для труб великого (D > 2 м) діаметру.

2-й підхід – полягає у тому, що використовується методологія, яка базується на закономірностях тепловіддачі від криволінійних поверхонь. Ця методологія уск­ладнює розрахунок товщини ізоляції, але надає точний результат і викорис­то­вується для труб малого (D < 2 м) діаметру.

Структура вихідних даних для розрахунку товщини ізоляційного шару «га­ря­чого» трубопроводу містить 13 параметрів, а саме:

- зовнішній діаметр трубопровода (наприклад, 219 мм);

- товщина стінки трубопровода (наприклад, 6 мм);

- теплопровідність матеріалу трубопровода (наприклад, 17 Вт/(м.К);

- теплопровідність ізоляційного матеріалу (наприклад, 0,07 Вт/(м.К);

- питома густина ізоляції (наприклад, 200 кг/м³);

- нормована температура зовнішньої поверхні ізоляційного шару(наприклад для трубопроводу в приміщенні з людьми – 45 ^оС);

- нормована питома лінійна втрата теплоти від ізоляційного шару(наприклад, для трубопровода в приміщенні – 70 Вт/п.м);

- температура потоку, що транспорується по трубопроводу (наприклад, 100 ^оС);

- температура навколишнього повітря (наприклад, 15 ^оС);

- розрахунковий коефіцієнт тепловіддачі від ізоляційного шару до навколиш­нього повітря (наприклад, 9,4 Вт/м².К)

- питома витрата умовного палива у джерела теплопостачання, що транспор­тує енергоносій (наприклад, 168,8 кг у.п/Гкал);

- ціна палива – природного газу (наприклад, 3000 грн/тис. м³);

- ціна ізоляції (наприклад, 600 грн/т).

10.5.1.1. Товщина ізоляційного шару для трубопроводів великого діаметру (D > 2 м) визначається за формулою:

δ_ізол = λ_ізол (R _о – R _ст – 1/α_ізол.2) (10.10)

де:

λ_ізол – коефіцієнт теплопровідності ізоляційного матеріалу, Вт/(м.К)

R _о – термічний опір теплопередачі всієї теплоізоляційної конструкції, м².К/Вт.

Визначається за формулою:

R _о = (t _трансп – t _н.с)/ q _F^норм (11.10)

де:

t _трансп – температура потоку, що транспортується по трубопроводу, ^оС.

t _н.с – температура навколишнього середовища, ^оС.

q _F ^норм – нормовані питомі поверхневі втрати теплоти в навколишнє середо­ви­ще, Вт/м²). Визначаються за формулою (8.4).

R _ст – термічний опір стінки трубопроводу, м².К/Вт. Визначається за формулою:

R _ст = δ_ст / λ_ст (10.12)

де:

δ_ст – товщина стінки трубопроводу, м;

λ_ст – теплопровідністьматеріалу трубопроводу, Вт/м.К.

α_ізол.2 – коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні ізоляційного шару до навколишнього середовища, Вт/ (м².К). Визначається:

- для трубопроводів, розташованих у приміщеннях, за формулою:

α_ізол.2 = 9,4 + 0,052 (t _ізол.2 – t _н.с) (10.13)

де:

t _ізол.2 – температура зовнішньої поверхні ізоляційного шару, ^оС.

t _н.с – температура навколишнього середовища, ^оС.

Для орієнтовних розрахунків приймається – α₂= 9,4 Вт/м².К.

- для трубопроводів, розташованих на відкритому повітрі, за формулою:

α₂ = 4,1 · V _повіт ^0,8 · D _ізол.2^{– 0,2} (10.14)

де:

V – швидкість вітру, м/с;

D _ізол.2 – діаметр зовнішньої поверхні ізоляційного шару, м.

В результаті опрацювання вихідних даних і розрахунку за формулою 10.10 товщина ізо­ля­ційного шару – δізол для трубопроводу, зазначеного у вихідних даних, стано­вить 0,051 м (51 мм).

10.5.1.2. Товщина ізоляційного шару для трубопроводів середнього та мало­го діамет­ру (D < 2 м) визначається за формулою:

δ_ізол = D _зовн · (В – 1)/2 (10.15)

де:

D _зовн - зовнішній діаметр трубопроводу, м

B – допоміжний параметр. Визначається із рівняння:

Ln(B) = 2·π· λ_ізол· [ R _L.о – R _L.ст – 1/(α_ізол.2 ·π · (D _зовн+0,1))] (10.16)

де:

R _L – загальний лінійний термічний опір ізольованого трубопроводу. Визнача­ється за формулою:

R_L.о = (t_трансп – t_н.с)/q_L ^норм (10.17)

R _L.ст – лінійний термічний опір стінки трубопровода Визначється за формулою:

R_L.ст= 1/(2·π· λ_ізол) · Ln (D_зовн/D_внутр) (10.18)

Ізол.2 – коефіцієнт тепловіддачі від зовнішнього шару ізоляції до навколиш­ньо­го середовища (повітря). Визначається за формулами (10.13), (10.14).

В результаті опрацювання вихідних даних і розрахунку за формулою 10.15 тов­щина ізо­ля­ційного шару – δізол для трубопроводу, зазначеного у вихідних даних, стано­вить 0,055 м (55 мм), тобто вище визначеного за формулою 10.10.

10.6. Приклади.

Практичний інтерес для фахівця з енергозбереження становить визначення втрат теплоти від ізольованих та не ізольованих трубопроводах у абсолютних одиницяx – Q_втр, наприклад, у ккал/год, та кількості пари, що сконденсується в паропроводі, внаслідок тепловіддачі в навколишнє середовище – D_конд, напри­к­лад, у кг/год. Ця методологія дозволяє у разі відомого (або визначеного вами) значення питомої втрати теплоти з поверхні паропроводу – q_L, Вт/п.м визна­чи­ти очікувану перевитрату пари в трубопроводі, що транспортує грійну пару до теплосприймаючого обладнання (підігрівника, випарного апарата, тощо).

Кількість втраченої теплоти гарячим (теплим) трубопроводом в навколишнє середовище – Q_втр , ккал/год, визначається за формулою:

Q_втр = q_L · L_труб · (Δt_факт / Δt_розр) · 10 ^–3 · 3600 / 4,19 (10.19)

де:

L_труб – довжина паропроводу, м;

Δt_факт– фактичний температурний перепад (поверхня трубопроводу–навко­лиш­­нє середовище), ^оС;

Δt_розр– розрахунковий температурний перепад (поверхня трубопроводу– нав­ко­лишнє середовище), що був використаний при визначенні q_L, ^оС;

10 ^–3 – коефіцієнт, що корегує співвідношення Вт і кВт, Вт/кВт;

3600 – коефіцієнт, що корегує співвідношення секунд і години, с/год;

4,18 - коефіцієнт, що корегує співвідношення кВт – ккал за годину, кВт/(ккал/год).

Наприклад, неізольований паропровід насичено пари, довжиною 45 м і діа­мет­ром 630 мм, маючи q_L– 3000 Вт/п.м буде втрачати в навколишнє середовище щогодинно – 116000 ккал/год. Див. розрахунок за ф-лою (10.19):

Q_втр = 3000 · 45,0 · (130/130) · 10 ^–3 · 3600 / 4,19 =116000

Годинна кількість пари, що може сконденсуватися в паропроводі, у разі транс­портування насиченої пари, еквівалентна втратам теплоти визначається а формулою:

D_конд = Q_втр / (і"_пари – і'_конд) · 10 ^–3 · 3600 (10.20)

де:

і"_пари – ентальпія насиченої пари, що транспортується в паропроводі, кДж/кг;

і'_конд – ентальпія насиченого конденсату, що утворюється уразі конденсації пари, кДж/кг;

Наприклад, в неізольованому паропроводі, по якому транспортується наси­чена водяна пара, довжиною 45 м і діа­мет­ром 630 мм, що має q_L= 3000 Вт/п.м, і втрачає в навколишнє середо­ви­ще щогодинно – 116000 ккал/год теплової енер­гії буде конденсуватися 215,0 кг пари/год. Див. розрахунок за ф-лою (10.20):

D_конд = (116000 · 4,19 / 2260) · 10^–3 = 215,0.

Зниження температури перегрітої пари, що транс­портується паропроводом, еквівалентне втратам теплоти визначається за формулою:

Δt_зниж = Q_втр / (G_пари · c_пари) · 10 ^–3 · 3600 (10.21)

де:

G_пари – масова витрата перегрітої пари в паропроводі, т/год;

с_пари – теплоємність перегрітої пари в паропроводоі, кДж/кг·К;

Наприклад, в неізольованому паропроводі, довжиною 45 м і діа­мет­ром 630 мм, що має q_L= 3000 Вт/п.м, і втрачає в навколишнє середо­вище 116000 ккал/ год теплової енергії щогодинно, температура потоку перегрітої пари з масо­вою витратою 55,0 т/год знизиться на 3,7 ^оС. Див. розрахунок за ф-лою (10.21):

Δt_зниж = (11600 · 4,19 · 10^–3 / (55,0 · 2,4)) = 3,7.

10.7. Співставлення ізоляційних матеріалів.

Нижче, наведено, як приклад, визначення теплових втрат та економії вугілля у разі заміни ізоляційного матеріалу – мінвати 200 (λ= 0,07 Вт/м.К) пінополі­у­ре­­­та­ном-32, що має меншу теплопровідність (λ= 0,023 Вт/м.К) для трубо­проводів різних діаметрів.

Втрати теплоти та еквівалентні ним витрати палива (вугілля) визначені для ді­-

аметрів трубопроводів 159/6 мм, 219/6 мм, 273/6 мм та 325/6 мм довжиною 10 м кожний. Результати розрахунків зведені нижче до таблиць 10.4 та 10.5.

Таблиця 10.4