Теплоизоляционные материалы

В промышленности широко используются как естественные, так и искусственные теплоизоляционные материалы. Опыт эксплуатации теплоизолированных трубопроводов выявил следующие основные требова­ния к свойствам материалов тепловой изоляции: низкий коэффициент теплопроводности, достаточную механическую прочность, эластичность и способность к упругому восстановлению, теплостойкость, химическую нейтральность, водонепроницаемость, достаточно высокую адгезию к материалу трубы, стойкость против разъедания насекомыми и грызунами, экономичность и ряд других.

Низкая теплопроводность теплоизоляционных материалов.

Обуслов­ливается особенностью их структуры, благодаря которой внутренние ее поры заполнены газом, преимущественно воздухом — плохим про­водником тепла. Уменьшение объемов пор, т.е. увеличение плотности теплоизоляции, приводит к тому, что увеличивается теплопередача по твердому скелету изоляции и, следовательно, ухудшаются теплофизических свойства материала. С увеличением размера пор теплопровод­ность снижается и стремится к теплопроводности газа или воздуха, заполняющих поры. Увеличение объема пор целесообразно до опреде­ленных пределов, так как возможно увеличение коэффициента тепло­проводности вследствие влияния передачи тепла конвекцией и радиаци­ей. Кроме того, увеличение объема пор ведет к повышению гигроскопич­ности и хрупкости теплоизоляционного материала.

Механическая прочность.

Теплоизоляции должна обеспечить работо­способность конструкции под воздействием собственного веса трубо­провода, нагрузок, возникающих при укладке трубы в каналы или тран­шею и др. Кроме того, теплоизоляционныйматериал должен обладать эластичностью и способностью к упругому - восстановлению, соответ­ствующими уровню температурных деформаций.

При наземной укладке труб, применяя защитные кожухи, можно повысить механическую прочность теплоизоляционной конструкции и снизить ее водопоглощение.

Теплоизоляционные материалы в зависимости от их структуры можно подразделить на ячеистые (пенополиуретан, полистирол), грану­лированные (вспученные перлит и керамзит) и волокнистые (асбест, минеральная вата). Наибольшее распространение в последние годы получил пенополиуретан: Он плохо адсорбирует влагу, обладает низкой проницаемостью для паров влаги, стоек к растворителям. Низкая водо-адсорбционная способность и паропроницаемость обеспечиваются благо­даря тому, что около 95 % ячеек закрыты. Опыт экс­плуатации трубопроводов показал, что теплоизоляция из пенополиуретана отвечает высоким требованиям и может успешно применяться в са­мых сложных условиях.

Другой эффективный теплоизоляционный материал — пенополистирол производят из гранул, получаемых суспензиционной полимеризацией стирола в присутствии парообразователя, например изопентана. Струк­тура пенополистирола ячеистая с закрытыми порами, что обеспечивает низкую влагопроницаемость.

В настоящее время для теплоизоляции трубопроводов широко ис­пользуются материалы на основе вспученного перлита, получаемого из кислых стекловатых горных пород вулканического происхождения при интенсивном их нагреве. В результате объем исходного сырья увеличи­вается в 10—20 раз и образуются зерна с высокопористой структурой. Плотность вспученного перлита колеблется от 40 до 250 кг/м³, а коэф­фициент теплопроводности от 0,04 до 0,08 Вт/(м°С).

Битумоперлит.

Получают в результате смешения вспученного перли­та с битумом, нагретым, до температуры 180°С. Битумоперлит исполь­зуется как гидро- и пароизоляция.

Достаточно хорошим теплоизоляционным материалом является так­же стекловолокно.

Существует несколько конструктивных решений тепловой изоляции. В качестве общих элементов они включают теплоизоляционную массу и защитный кожух. Последний предназначен для защиты материа­ла теплоизоляции от механических повреждений, попадания влаги из поч­вы и атмосферы, действия солнечных лучей. Попадание влаги нежела­тельно, так как замещение в порах воздуха, являющегося плохим про­водником тепла, влагой приводит к повышению коэффициента тепло­проводности тепловой изоляции. Отрицательное действие солнечных лу­чей связано с ускорением старения теплоизоляционного материала и потерей заданных свойств.

Для изготовления защитного кожуха или покрытия используют в основном алюминий, эструдированный пластик, полиэтилен, битумную мастику с крафт-бумагой; рубероид, изол.

Во многих конструкциях предусмотрены устройства для закрепле­ния теплоизоляции на трубопроводе, выполненные в виде хомутов, защелок, застежек-молний, скоб и т.д. Широко распространены для этой цели завальцовывание кромок защитной оболочки или их сварка.

Толщина изоляции паропровода определяется по формуле

, (11.7)

где d_н — наружный диаметр трубы трубопровода;

d_из — диаметр изоля­ции по наружной окружности.

Отношение d_из/d_п определяется в зависимости от способа про­кладки трубопровода:

при бесканальной прокладке

, (11.8)

где _из, - коэффициент теплопроводности соответственно изоляции и грунта;

Т_т, Т_гр - температура соответственно теплоносителя (пара) и грунта, К;

q - потери тепла паропроводом, Дж/(м² -ч);

h - глубина заложения паропровода, м.

При прокладке в каналах

, (11.9)

где a_{из в} — коэффициент теплопередачи от воздуха к внутренней по­верхности канала, Дж/(м²ч-К);

d_экв — эквивалентный внутренний диа­метр канала

,

где — эквивалентный радиус канала, м,

,

где F — площадь поперечного сечения канала, м²;

S — периметр сечения, м); при воздушной прокладке

(11.10)

где а_в - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубы в воздух

_,

где — коэффициент теплопередачи радиацией

(11.11)

где с — коэффициент излучения, принимаемый для металличес­ких поверхностей равным 4, для изоляционных материалов и покрытий равным 4,5;

Т_пов - температура поверхности трубы, К;

Т_в — температура окружаю­щего воздуха К,

- коэффициент теплоотдачи конвекцией; определя­ется в зависимости от скорости ветра и диаметра трубы:

если wd < 0,8 м²/с,

то (11.12)

если

то (11.13)

При отсутствии ветра ω = 0, если ΔTd < 9,81·10^-2, то

. (11.14)

Если 9,8·10^-2< ΔTd³ <6,49 d^-6, то

(11.15)

где ω – скорость ветра, м/с;

d – Наружный диаметр трубы, м;

Δ Т – температурный перепад между поверхностью и окружающим воздухом, К.

Расчет паропроводов

Сначала определяют общее падение давления в паропроводе

Δ p = Δр_л + Δр_м (11.16)

и потери напора

H = h_л + h_м, (11.17)

где Δр_л – линейные потери давления, МПа;

Δр_м – потери давления в местных сопротивлениях, МПа;

h_л – потери напора в линии, м;

h_м – потери напора в местных сопротивлениях.

Линейные потери давления могут быть определены:

По заданной скорости пара, диаметру и длине паропровода

(11.18)

где λ – коэффициент гидравлического сопротивления;

L – длина паропровода, м;

по объемному расходу пара

(11.19)

где υ – объёмный расход пара, м³/ч;

по расходу

(11.20)

где γ – плотность пара, кг/м³.

По заданному расходу и состоянию пара в начале паропровода для паропровода низкого давления (р = 0,2-0,3, МПа)

(11.21)

где р₁ – давление пара в начале паропровода, МПа;

Т₁ и Т₂ – температура пара в начале и в конце паропровода, К.

Коэффициент сопротивления в трубах зависит от относительной шероховатости и числа Re.

Потери давлений в местных сопротивлениях определяют по формуле

(11.22)

Потери напора в местных сопротивлениях паропровода могут быть так же выражены через эквивалентную длину

(11.23)

Значения коэффициентов местных сопротивлений ζ

Вентили проходные:

нормальные бочкообразные…………………………………………4,5-5,5

с обтекаемой формой корпуса………………………………………2,5-3,5

прямоточные с наклонным шпинделем…………………………… 0,8-1,6

прямоточные с расширенным проходом…………………………0,4-0,8

кованные малого диаметра……………………………………… 7-10

Задвижки:

полнопроходные……………………………………………………01,0,25

с суженным проходом…………………………………………… 0,4-4

Клапаны:

обратные подъемные………………………………………………4-6

обратные поворотные…………………………………………… 1,3

Краны:

проходные…………………………………………………………0,6-2

угловые…………………………………………………………… 0,4

водоотделители……………………………………………………8-12

Компенсаторы:

лирообразные гладкие……………………………………………1,7

волнистые…………………………………………………………2,5

линзовые одноволновые………………………………………… 1,2

сальниковые разгруженные…………………………………… 0,2

Отводы:

гладкие изогнутые под углом 90^°……………………………… 0,25

гладкие изогнутые под углом 90^°, сварные…………………… 0,4

Тройники сварные врезные:

при движении по магистрали……………………………………0,5

при движении из ответвления в магистраль……………………1,25

при движении из магистрали в ответвления……………………2,1

при разветвлении потока из магистрали……………………….. 1,25

при слиянии потоков из магистрали…………………………… 2

Полное падение давления в паропроводе

(11.24)

где L_пр – приведенная длина паропровода

L_пр=L+L_экв=L(1+с),

(здесь с = L_экв/L – коэффициент местных потерь)

В зависимости от схемы паропровода, его длины и загруженности местными сопротивлениями с = 0,2...0,8. В коротких и сильно загруженных паропроводах с достигает 1,5.

Пропускную способность паропровода (в кг/ч) определяют по формуле

(11.25)

диаметр трубопровода – по заданному расходу и допустимому падению давления:

(11.26)

Количество конденсата. образовавшегося в паропроводе, определяется по формуле

b = ql/r₁, (11.27)

где q - часовая потеря тепла на 1 м, кДж;

r₁ – теплота парообразования, кДж/кг.

Расчетный расход пара при заданном количестве его на конце паропровода.

g_p=g_k + b/2, (11.28)

где g - количество пара, необходимого на конце паропровода, кг/ч.

При прокладке паропроводов на нефтебазах устанавливают компенсирующие устройства, которые предотвращают разрушение паропроводов от деформации (табл. 11.2).