Лекція 10.
Енергозбереження ізолюванняМ тепловіддаючих поверхонь
План лекції.
10.1. Ізолювання, як енергозберігаюче технічне рішення.
10.2. Закономірності втрат теплоти від товщини ізоляційного шару.
10.3. Теплові характеристики ізоляційних матеріалів.
10.4. Втрати теплоти від не ізольованих трубопроводів.
10.5. Розрахункові формули для визначення товщини ізоляційного шару трубопроводів та приклади розрахунку.
10.6. Приклади.
10.7. Співставлення ізоляційних матеріалів.
10.8. Визначення товщини ізоляційного шару для “холодних” трубопроводів.
10.1. Ізолювання, як фактор енергозбереження.
Ізолювання є багатоплановою сферою діяльності в напряму енергозбереження і включає в себе наступні аспекти:
1. ізолювання трубопроводів однорідною ізоляцією;
2. ізолювання трубопроводів багатошаровою ізоляцією (у разі температурної нестійкості матеріалу основного ізоляційного матеріалу);
3. ізолювання високотемпературних трубопроводів;
4. ізолювання трубопроводів з від’ємними температурами потоків, що транспортуються з урахуванням випадіння вологи з повітря на поверхні та в шарі ізоляції;
5. ізолюванні плоских та криволінійних поверхонь обладнання та споруд;
6. тощо.
На наших лекціях ми розглянемо тільки три аспекти проблеми, а саме:
7. ізолювання високотемпературних трубопроводів;
8. ізолювання плоских та криволінійних поверхонь;
9. ізолювання трубопроводів з від’ємними температурами потоків, що транспортуються.
На сьогодні, ізолювання в значній степені формалізовано і стандартизовано, враховуючи важливе значення його для енергозбереження.
Це означає, що розрахунок потрібної товщини ізоляційного шару та визначення втрат теплоти від ізольованих трубопроводів здійснюються за методологіями, затвердженими відповідними будівельними нормами і правилами.
Ці методології створені на базі відомих вам законів теплопередачі, але містять в собі певні директивні та обмежувальні параметри обов’язкові для використання.
Самостійне, на рівні власного розуміння законів теплопередачі, визначення товщини ізоляції допускається тільки у разі виконання навчальних розрахунків та розрахунків для промисловості, що мають на меті одержати орієнтовних результатів.
Ефект ізолювання, як фактора енергозбереження, полягає в тому що, гаряча (70 – 450 оС) поверхня трубопроводу або технологічного обладнання, у разі покриття її шаром ізоляційного матеріалу, втрачає у навколишнє середовище значно менше (на 70 – 90 %) теплоти у порівнянні з неізольованою поверхнею.
Теплотехнічний механізм ізолювання полягає у тому, що шар ізоляції створює для теплового потоку значний т.зв. “термічний” опір ізоляції – Rізол , визначається за формулою: (Rізол = δ ізол / λізол), який обумовлює:
- суттєве зменшення температури на поверхні ізоляційного шару – tізол.2,
- суттєве зменшення температурного перепаду для тепловіддачі – (tізол.2 – tн.с)
- суттєве зменшення втрат теплоти в навколишнє середовище – Qвтратізол , у відповідності до класичного рівняння тепловіддачі:
Qвтрат ізол = α ізол.2 · (tізол.2 – tн.с) · Fізол.2 (1.10)
де:
Qвтрат ізол – секундні втрати теплоти від ізоляційного шару трубопровода в навколишнє середовище, Вт або Дж/с;
αізол.2 – коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні ізоляційного шару до навколишнього середовища (наприклад, повітря), Вт/(м2.К);
tізол.2 – температура зовнішньої поверхні ізоляційного шару, яка втрачає теплоту у навколишнє середовище, оС;
tн.с – температура навколишнього середовища, оС;
Fізол.2 – площа зовнішньої поверхні ізоляційного шару, м2.
Наявність на зовнішній поверхні ізоляційного шару і створення ним термічного опору теплопередачі суттєво зменшують температуру поверхні, що втрачатиме теплоту в навколишнє середовище від tст2 до tізол.2, як показано на рис. 10.1.
Внаслідок появи цього “термічного” опору, температура поверхні, що втрачатиме теплоту в навколишнє середовище – суттєво зменшується, наприклад, від 150 oC до 45 – 60 oC.
Рис. 10.1. Характер зміни температури ізольованого трубопроводу.
10.2. Закономірності втрат теплоти ізольованим трубопроводом від товщини ізоляційного шару.
Слід мати на увазі, що втрати теплоти з поверхні ізоляційного шару в залежності від товщини шару ізоляції не є однозначними. Тобто не можна стверджувати однозначно, що чим товщий шар ізоляції, тим менші втрати теплоти.
Характер закономірності втрат теплоти від діаметру ізоляційного шару наведено на рис. 2.10.
Рис. 2.10. Характер зміни втрат теплоти від ізольованої поверхні трубопроводу (Qвтрат) від діаметру та товщини ізоляційного шару.
Як видно з рис. 2.10, із збільшенням товщини шару ізоляції теплові втрати ізольованого трубопроводу для малих діаметрів трубопроводів навіть збільшуються. І тільки за умови досягнення певного діаметру, який одержав назву критичного – Dізол.2 крит, ізольований трубопровід із збільшенням шару ізоляції починає втрачати менше теплоти.
Критичний діаметр ізольованого трубопроводу – Dізолкрит, м, розраховується за формулою:
Dізол.2 крит = 2·λізол/αізол.2 (2.10)
Таким чином, за умови Dізол < Dізолкрит збільшення товщини ізоляційного шару на трубопроводі призведе тільки до зростання втрат теплоти, які стають навіть більшими за втрати від неізольованого трубопроводу.
І тільки за умови Dізол.2 > Dізолкрит, у разі збільшення товщини ізоляції втрати теплоти будуть зменшуватись, гарантуючи ефект енергозбереження.
Наведену вище закономірність потрібно враховувати у разі ізолювання трубопроводів. Тобто, у разі визначення за будь якою методикою діаметру товщини ізоляційного шару потрібно переконатися, що визначений діаметр ізольованого трубопроводу – Dізол.2 буде більший за попередньо визначений Dізолкрит.
Дотримання цієї умови гарантує, що втрати теплоти ізольованого трубопроводу будуть меншими за втрати від неізольованого трубопроводу.
Наприклад, у разі ізолювання трубопроводу ізоляцією, що має теплопровідність – 0,15 Вт/м.К, і коефіцієнта тепловіддачі в навколишнє середовище – 9,4 Вт/м2.К Dізолкрит буде дорівнювати 0,032 м (32,0 мм).
Це означає, що трубопровід малого (15 мм – 32 мм), діаметру, будучи ізольованим шаром ізоляції, що матиме діаметр менший за критичний, буде мати втрати теплоти вищі за втрати від не ізольованого трубопроводу.
І тільки для підвищених (> 32 мм) діаметрів трубопроводів збільшення товщини ізоляції гарантуватиме зменшення втрат теплоти в навколишнє середовище.
Слід звернути увагу на те, що і разі покриття трубопроводу шаром ізоляції – δізол що раз більшої товщини, поверхня, що буде втрачати теплоту в навколишнє середовище –Fізол.2 збільшується, внаслідок збільшення діаметра ізольованого трубопроводу, у відповідності до рівняння:
Fізол.2= π·(Dтруб.2 + 2· δізол) (3.10)
Наприклад:
Діаметр неізольованого трубопроводу – 0,159 м.
Діаметр ізольованого трубопроводу з шаром ізоляції 0,03 м – 0,219 м.
Площа поверхні теплообміну 10 п.м неізольованого трубопроводу – 5,0 м2.
Площа поверхні теплообміну 10 п.м ізольованого трубопроводу – 6,88 м2 (на 36,7 % вища)
Але, одночасно, температура на зовнішній поверхні ізоляційного шару буде зменшуватись у відповідності до рівняння теплопровідності для ізоляційного шару:
tізол.2 ≈ tтрансп– q · δізол/ λізол (4.10)
Таки чином, у разі збільшення товщини ізоляційного шару на втрати теплоти в навколишнє середовище, у відповідності до рівняння (10.1), діють у протилежних напрямах два фактора:
- 1-й фактор – збільшення товщини ізоляції призводить до збільшення поверхні теплообміну – Fізол, і до збільшення втрат теплоти в навколишнє середовище;
- 2-й фактор – збільшення товщини ізоляційного шару призводить до зменшення температури на поверхні ізоляції – tізол.2 і до зменшення втрат теплоти в навколишнє середовище.
Але, завдяки тому, що швидкість зменшення температури на поверхні значно вища за швидкість збільшення поверхні, зростання товщини ізоляції призводить до зменшення втрат теплоти в навколишнє середовище. Такий результат є однозначним для трубопроводів, діаметр шару ізоляції яких є більшим за критичний діаметр ізоляції – Dізолкрит.
Довести це положення дозволяє порівняння похідних по товщині шару ізоляції від двох функцій, визначених рівняннями (3.10) і (5.10)
Перша похідна рівняння (5.8) має явно більше числове значення за числове значення першої похідної рівняння (3.10), що однозначно свідчить що зі збільшенням товщини ізоляції температурний перепад тепловіддачі зменшується значно швидше за зростання поверхні тепловіддачі.
Витрата палива, еквівалентна втратам теплоти визначається за відомою формулою співвідношення теплоти і палива з навчальної дисципліни “Джерела теплопостачання промислових підприємств”, а саме:
Впал екв = bt відп · Qвтрат ізол (5.10)
де:
bt відп – питома витрат умовного палива на відпущену теплову енергію від джерела енергопостачання (котельні, ТЕЦ, когенераційної установки), теплота якого транспортується по трубопроводу, що ізолюється, кг у.п/Гкал. Визначається за формулою:
bt відп = 123/ηtвідп (6.10)
Qвтратізол – теплота, що втрачається від ізольованого трубопроводу (або поверхні обладнання), кВт.
Втрати теплоти від неізольованих трубопроводів можуть досягати значних обсягів. Наприклад, неізольований трубопровід 325/9 мм і довжиною 10 м, в приміщенні, що має температуру +20 оС, що транспортує пару 120 оС, втрачає щосекундно 14,3 кДж (кВт) теплотиї, еквівалентно втраті 43,8 м3 газу за добу.
10.3. Характеристики ізоляційних матеріалів
Як ізоляційний матеріал використовуються матеріали, що мають низьку питому теплопровідність - λізол . Числові значення коефіцієнтів теплопровідності ізоляційних матеріалів знаходяться в діапазоні від 0,023 Вт/(м.К) до 0,66 Вт/(м.К). Нижче, в табл. 10.1, наведено характеристики деяких ізоляційних матеріалів.
Таблиця 10.1.
Характеристики ізоляційних матеріалів.
Назва ізоляційного матеріалу | Густина ізоляційного матеріалу, кг/м3 | Коефіцієнт теплопровідності ізоляційного матеріалу, Вт/(м.К) |
Мінеральна вата-200 | 0,070 | |
Мінеральна вата-100 | 0,056 | |
Мінеральна вата-50 | 0,048 | |
Пінополіуретан-80 | 0,041 | |
Пінополіуретан-60 | 0,035 | |
Пінополіуретан-40 | 0,029 | |
Пінополіуретан-32 | 0,023 | |
Пінополістирол-150 | 0,05 | |
Пінополістирол-100 | 0,041 | |
Пінополістирол-40 | 0,038 | |
Повітря (+10 оС) | 1,232 | 0,025 |
Аргон (+10 оС) | 1,70 | 0,017 |
Криптон (+10 оС) | 3,56 | 0,009 |
Гексафторид сірки (+10 оС) | 6,36 | 0,013 |
10.4. Втрати теплоти від ізольованих трубопроводів.
Загальноприйнятою практикою в розрахунках, пов’язаних з визначенням потрібної товщини ізоляції, є використання нормованих питомих втрат теплоти від ізольованої конструкції. Використовуються, як лінійні – qL, Вт/п.м, тобто втрати теплоти з одного погонного метра трубопроводу, так і поверхневі – qF, Вт/ м2, тобто втрати з одного квадратного метра зовнішньої поверхні ізольованого трубопроводу.
У разі необхідності визначення одного виду теплових втрат через інший використовуються наступні рівняння:
qF = qL ·π·Dзовн·1,0 (7.10)
qL= qF / π·Dзовн·1,0 (8.10)
де:
Dзовн – зовнішній діаметр поверхні ізольованого або не ізольованого трубопроводу, м.
Нижче, в табл. 10.2, наведено лінійні питомі втрати теплоти в навколишнє середовище від неізольованих труб різних діаметрів.
Таблиця 10.2
Лінійні питомі втрати теплоти в навколишнє середовище від не ізольованих труб
Діаметр труб, мм | Лінійні втрати теплоти – qL , Вт/п.м | |||
Різниця температур між трубою та повітрям навколишнього середовища (tст.2 – tн.с), оС. Прийнято, що tн.с = 10 оС за умов природної конвекції. | ||||
100 оС | 120 оС | 150 оС | 180 оС | |
89/4 | ||||
159/6 | ||||
219/6 | ||||
273/6 |
Втрати теплоти від неізольованих трубопроводів можна визначити трьома способами:
- визначивши qL (орієнтовно) за таблицею 10.2
- визначивши qL (орієнтовно) за емпіричною формулою:
qL = 6,8 ·(Dтруб.2)0,87· (tст.2 – tн.с)1,36, Вт/п.м (9.10)
o визначивши qF за класичною методикою на базі рівнянь теплопередачі та тепловіддачі від поверхні в навколишнє середовище.
10.5. Розрахункові формули для визначення товщини ізоляційного шару для трубопроводів.
У проблемі ізолювання гарячих трубопроводів або поверхонь обладнання вирішуються три практичні задачі, а саме:
1-ша задача: Визначити необхідний діаметр ізоляційного шару, з метою одержання визначених Замовником (або встановлених державними нормативами) втрат теплоти та визначити еквівалентну цим втратам кількість палива, що буде витрачатися у джерелі теплопостачання (в котельні або в ТЕЦ) .
2-га задача: Визначити кількість теплоти, що втрачається від неізольованого трубопроводу (або поверхні) та еквівалентної втратам теплоти кількості палива.
3-тя задача: Визначити фактичні втрати теплоти та та еквівалентну втратам теплоти кількість палива від існуючого ізольованого трубопроводу або поверхні.
В наведеній лекції буде розглянуто дві перші задачі ізолювання.
1-ша задача розв’язується за двома методами.
У відповідності до 1-го методу – розрахунок товщині ізоляційного шару здійснюється, виходячи з того, що вважається відомою (або за вимогою Замовника, або за вимогою державного нормативу) лінійна питома втрата теплоти з одного погонного метра ізольованої трубопроводу – qL, Вт/п.м. Числові значення qLнормуються відповідними нормативними документами, як для трубопроводів, розташованих в приміщенні, так і розташованих на відкритому повітрі (на відкритому повітрі нормовані втрати на 1,5 – 4,5 % вищі).
Нормовані лінійні втрати теплоти з поверхні ізольованих трубопроводів, розташованих в приміщенні або в тунелі, у разі тривалості роботи до 5000 год/рік, наведені в табл. 10.3.
Таблиця 10.3.
Нормовані лінійні питомі втрати теплоти в навколишнє середовище від ізольованих труб
Умовний діаметр трубопровода, мм | Лінійні втрати теплоти, Вт/п.м або Дж/(с·п.м) | |||
Температура теплоносія, що транспортується по трубопроводу оС. | ||||
100 оС | 125 оС | 150 оС | 200 оС | |
У відповідності до 2-го напряму – розрахунок товщині ізоляційного шару здійснюється, виходячи з того, що вважається відомою (або за вимогою Замовника, або за вимогою державного нормативу) температура на зовнішній поверхні ізоляційного шару – tізол.2, оС.
Нормовані температури на поверхні теплової ізоляції обладнання і трубопроводів наступні:
o 35 оС – у разі температури продукту, що транспортується по трубопроводу не вище 100 оС;
o 45 оС – у разі температури продукту, що транспортується по трубопроводу вище 100 оС і розташуванні трубопроводу в приміщенні;
o 55 оС – у разі розташуванні трубопроводу на відкритому повітрі і покритті ізоляції металом;
o 60 оС – те саме у разі інших видів покриття ізоляції.
Слід мати на увазі, що товщина ізоляційного шару, визначена за 2-м напрямом (за нормованою tізол.2) буде більша, визначеної за 1-м напрямом (за нормованою qL,), що є платою за безпеку обслуговуючого трубопроводи експлуатаційного персоналу.
Дата добавления: 2015-09-18; просмотров: 1124;