Расчет теплопотерь трубопроводов

Как произвести расчет тепловых потерь трубопроводов

Определение потерь тепла при транспортировке теплоносителя является задачей, результаты которой влияют на правильный выбор источника теплоэнергии. Определение действительных потерь тепловой энергии трубопроводами и сравнение их со стандартными величинами позволяет своевременно произвести ремонт теплотрассы с заменой труб или их теплоизоляции.

Факторы, влияющие на потери тепла трубопроводом

По существующим методикам в расчетах нормативных потерь тепла учитываются длина и диаметр трубопровода, температура носителя, температура окружающей среды. Значения относительных потерь тепла приводятся к величинам, кратным пяти. Данная методика мало соответствует действительности, поскольку не берет в расчет реальное состояние изоляции трубопроводов и утечки самого теплоносителя. (См. также: Монтаж твердотопливных котлов своими руками)

Однако, даже получив уточненные благодаря учету всех величин данные на всей протяженности значительной по длине трассы, нельзя говорить о достоверности этих данных для конкретного участка трубопровода.

Помимо основных параметров: протяженности и диаметра трубопровода, температуры носителя, воздуха и грунта, состояния изоляционного покрытия, на величину тепловых потерь существенное влияние оказывают скорость движения теплоносителя по трубе и количество и мощность потребителей, которые подсоединены к трассе. В случае наличия в системе мелких, находящихся на значительных расстояниях потребителей, потери тепла ощутимо возрастают. А компактная с несколькими крупными потребителями система практически не имеет теплопотерь.

Поэтому, если произведенный расчет тепловых потерь трубопроводов показывает значительные теплопотери для удаленных мелких потребителей, то целесообразной становится задача перевода таких сооружений на индивидуальное отопление. Эта методика также дает возможность определить участки наибольших потерь и показать экономический эффект от замены данного участка трубы. (См. также: Суммарные теплопотери на нагревание)

Установка теплосчетчиков – обеспечение точности расчетов

Подобное обследование теплопотерь точнее и удобнее всего производить при наличии у потребителей, хотя бы у большинства из них, теплосчетчиков. Самым приемлемым вариантом является теплосчетчик с почасовым сохранением данных в архиве.

Полученная благодаря счетчикам информация позволяет легко определить температуру теплоносителя в различных точках сети и его расход. Проведенные обследования и сравнение полученных данных показывают, что трубопроводы, проложенные в непроходных каналах и находящиеся в эксплуатации более 15 лет, имеют теплопотери, в 1,5 – 2 раза превышающие нормативные величины. Эти результаты действительны для труб, на которых нет видимых повреждений. А трубопроводы с видимыми повреждениями имеют теплопотери, в 4 – 6 раз превосходяшие величины, заложенные нормами.

Формула расчета величины теплопотерь

В качестве расчетной можно предложить формулу, учитывающую наличие теплоизоляции, ее толщину и физические свойства. (См. также: Выбор тёплого пола)

Q = 2π*Ктп*L*(Tr – Tu)/Ln* (D/d)

В этой формуле Q – это величина тепловых потерь, Вт; Ктп – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/м*с; L – протяженность трубопровода, м; Tr – температура теплоносителя; Tu – температура окружающей среды; π – число «пи»; D – наружный диаметр трубопровода с изоляцией; d – наружный диаметр трубы без изоляционного покрытия.

Данная формула позволяет с достаточно высокой степенью достоверности вычислить величину теплопотерь трубопроводом.

Теплообменные аппараты и приборы в легкой промышленности

Расчет тепловых потерь в окружающее пространство

Для уменьшения расхода теплоты необходим строгий учет тепловых потерь в технологическом оборудовании и тепловых сетях. Тепловые потери зависят от типа оборудования и трубопроводов, правильной их эксплуатации и вида изоляции.

Тепловые потери (Вт) рассчитывают по формуле

В зависимости от типа оборудования и трубопровода суммарное термическое сопротивление составляет:

для изолированного трубопровода с одним слоем изоляции:

для изолированного трубопровода с двумя слоями изоляции:

для технологических аппаратов с многослойными плоскими или цилиндрическими стенками диаметром более 2 м:

для технологических аппаратов с многослойными плоскими или цилиндрическими стенками диаметром менее 2 м:

сителя к внутренней стенке трубопровода или аппарата и от наружной поверхности стенки в окружающую среду, Вт/(м 2 – К); Хтр, ?.ст, Xj — теплопроводность соответственно материала трубопровода, изоляции, стенок аппарата, /-го слоя стенки, Вт/(м • К); 5СТ. — толщина стенки аппарата, м.

Коэффициент теплоотдачи определяют по формуле

или по эмпирическому уравнению

Перенос теплоты от стенок трубопровода или аппарата в окружающую среду характеризуется коэффициентом ан [Вт/(м 2 К)], который определяют по критериальным или эмпирическим уравнениям:

по критериальным уравнениям:

Коэффициенты теплоотдачи ав и ан рассчитывают по критериальным или эмпирическим уравнениям. Если горячим теплоносителем является горячая вода или конденсирующийся пар, то ав > ан, т. е. RB 2 – К)] рассчитывают по критериальным уравнениям:

по эмпирическим уравнениям:

Тепловая изоляция аппаратов и трубопроводов изготовлена из материалов с малой теплопроводностью. Хорошо подобранная тепловая изоляция позволяет снизить потери теплоты в окружающее пространство на 70 % и более. Кроме того, она повышает производительность тепловых установок, улучшает условия труда.

Тепловая изоляция трубопровода состоит в основном из одного слоя, покрытого сверху для прочности слоем листового металла (кровельная сталь, алюминий и др.), сухой штукатурки из цементных растворов и пр. В случае использования покровного слоя из металла его термическим сопротивлением можно пренебречь. Если покровным слоем является штукатурка, то ее теплопроводность незначительно отличается от теплопроводности теплоизоляции. В этом случае толщина покровного слоя составляет, мм: для труб с диаметром менее 100 мм — 10; для труб с диаметром 100—1000 мм — 15; для труб с большим диаметром — 20.

Толщина тепловой изоляции и покровного слоя не должна превышать предельной толщины, зависящей от массовых нагрузок на трубопровод и его габаритных размеров. В табл. 23 приведены значения предельной толщины изоляции паропроводов, рекомендуемые нормами проектирования тепловой изоляции.

Тепловая изоляция технологических аппаратов может быть однослойной или многослойной. Потери теплоты через тепловую

изоляцию зависят от вида материала. Теплопотери в трубопроводах рассчитывают на 1 и 100 м длины трубопроводов, в технологическом оборудовании — на 1 м 2 поверхности аппарата.

Слой загрязнений на внутренних стенках трубопроводов создает дополнительное термическое сопротивление переносу теплоты в окружающее пространство. Термические сопротивления R (м • К/Вт) при движении некоторых теплоносителей имеют следующие значения:

В трубопроводах, подающих технологические растворы к аппаратам и горячие теплоносители к теплообменным установкам, имеются фасонные части, в которых теряется часть теплоты потока. Местные потери теплоты (Вт/м) определяют по формуле

Коэффициенты местных сопротивлений фасонных частей трубопроводов имеют следующие значения:

При составлении табл. 24 расчет удельных тепловых потерь проводился для стальных бесшовных трубопроводов (давление 5 Па; температура воды — 50 и 70 °С; теплоизоляция выполнена в один слой из асбестового шнура, = 0,15 Вт/(м • К); коэффициент теплоотдачи а„ = 15 Вт/(м 2 – К).

Пример 1. Расчет удельных тепловых потерь в паропроводе.

Пример 2. Расчет удельных тепловых потерь в неизолированном трубопроводе.

Трубопровод стальной диаметром 108 мм. Диаметр условного прохода dy = 100 мм. Температура пара 110°С, окружающей среды 18 °С. Теплопроводность стали X = 45 Вт/(м • К).

Полученные данные свидетельствуют о том, что использование тепловой изоляции сокращает тепловые потери на 1 м длины трубопровода в 2,2 раза.

Удельные тепловые потери, Вт/м 2 , в технологических аппаратах кожевенного и валяльно-войлочного производства составляют:

Будет полезно:  Особенности применения фитингов, выполненных из нержавеющей стали

Пример 3. Расчет удельных тепловых потерь в технологических аппаратах.

1. Барабан «Гигант» изготовлен из лиственницы.

2. Сушилка фирмы «Хирако Кинзоку».

3. Баркас для крашения беретов. Изготовлен из нержавеющей стали [к = 17,5 Вт/(м-К)]; теплоизоляции нет. Габаритные размеры баркаса 1,5 х 1,4 х 1,4 м. Толщина стенки 8СТ = 4 мм. Температура процесса t = = 90 °С; воздуха в цехе /ср = 20 °С. Скорость воздуха в цехе v = 0,2 м/с.

Коэффициент теплоотдачи а может бьггь рассчитан следующим образом: а = 9,74 + 0,07 At. При /ср = 20 °С а составляет 10—17 Вт/(м 2 • К).

Если поверхность теплоносителя аппарата открыта, удельные тепловые потери от этой поверхности (Вт/м 2 ) рассчитывают по формуле

Индустриальная служба «Каприкорн» (Великобритания) предлагает использовать систему «Алплас» для уменьшения тепловых потерь с открытых поверхностей теплоносителей. Система основана на применении полых полипропиленовых плавающих шариков, почти полностью покрывающих поверхность жидкости. Опыты показали, что при температуре воды в открытом резервуаре 90 °С тепловые потери при использовании слоя шариков снижаются на 69,5 %, двух слоев — на 75,5 %.

Пример 4. Расчет удельных тепловых потерь через стенки сушильной установки.

Стенки сушильной установки могут быть изготовлены из различных материалов. Рассмотрим следующие конструкции стенок:

1. Два слоя стали толщиной 5СТ = 3 мм с расположенной между ними изоляцией в виде асбестовой плиты толщиной 5И = 3 см и теплопроводностью Хи = 0,08 Вт/(м • К).

2. Два слоя стали толщиной 5СТ = 3 мм и изоляцией в виде слоя стекловолокна толщиной 5И = 3 см и Хи = 0,04 Вт/(м • К).

3. Два слоя стали толщиной 5СТ = 3 мм и изоляцией в виде слоя шлаковаты толщиной 5И = 3 см и Хи = 0,076 Вт/(м • К).

Сравним удельные тепловые потери через стенки сушильной установки:

Как видно из расчетов, уменьшить потери теплоты можно за счет применения соответствующего вида изоляции.

В производственных условиях имеют место потери теплоты при утечке теплоносителя через неплотности соединений. В этом случае потери теплоты (кВт) определяют по формуле

Например, потери теплоты при утечке воды, температура которой 70 °С, через отверстие диаметром 5 мм со скоростью 0,5 м/с составляют

Расчет тепловых потерь трубопровода

Для эффективного отопления жилых и коммерческих зданий, а также помещений другого назначения необходимо обеспечить достаточное количество тепловой энергии, а для этого нужно обязательно учитывать потери тепла в трубопроводе . Для реализации данной задачи специалисты регулярно проводят расчёты потерь тепловой энергии. За основу расчётов берутся различные формулы, но наиболее часто учитывается методика, приведённая в СНиП 2.04.14 (касается тепловой изоляции трубопроводов). Формулу, описанная в указанном нормативном документе, можно использовать для любых видов трубопроводов (исключением являются сети по транспортировке жидкостей и газов с температурой ниже 0 °С).

Как осуществляется расчёт тепловых потерь

Расчёты потерь тепловой энергии выполняются с учётом плотности исходящего теплового потока через изолированные поверхности трубопроводов. Для определения нужного параметра мы будем пользоваться табличными данными из методического пособия СНиП в расчёте на один метр трубы. Расчёт тепловых потерь для труб иного диаметра и теплоносителей с иной температурой, которые не приведены в таблице, осуществляется при помощи методов интер- и экстраполяции.

Расчётные потери тепловой энергии трубопроводом определяются по формуле:

  • где q – значение удельной нормативной тепловой потери трубы длиной 1 метр, Вт/м (учитывается средняя температура теплоносителей и заданное количество годовой эксплуатации трубопровода – параметр определяют для каждого диаметра на основе табличных данных СНиП 2.04.14);
  • K – коэффициент, указывающий на степень дополнительных потерь тепла с опорных частей трубопроводов и запорной арматуры (берутся табличные данные);
  • B – коэффициент, указывающий на изменения плотности тепловых потоков через пенополиуретановую теплоизоляцию (для определения используются табличные значения СНиП 2.04.14);
  • L – общая длина трубопроводной сети, м.

Для выполнения расчётов необходимо определить температуру теплоносителей:

  • среднее значение температуры транспортируемой жидкости или газа за календарный год (для непрерывно работающей тепловой сети);
  • среднее значение за период, когда среднесуточная температура окружающей среды опускается ниже +8 °С (для тепловой сети, работающей в период отопительного сезона).

В случае с двухтрубной водяной тепловой сети берут такие расчётные значения температуры:

  • при температурном графике 180-70 по ДБН В.2.5-39 (трубы) / СНиП 2.04.14 ( изоляция трубопроводов ): +100 градусов на подачу, +50 на обрат;
  • 150-70: +90, +50;
  • 130-70: +65, +50;
  • 95-70: +55/+65, +50;
  • 80-50: +45 подача, +50 обрат.

Подобные расчёты не отображают фактические потери тепловой энергии, а только предназначены для определения нормативной величины, которую нельзя превышать согласно СНиП.

Способы снижения тепловых потерь

Помимо расчётов, также важно спланировать и принимать меры по снижению потерь тепла в трубопроводах . Для этих целей можно выполнять такие задачи:

  • периодически проверять состояние трубопроводов;
  • периодически осушать каналы;
  • менять ветхие и часто повреждаемые участки труб;
  • прочищать дренажи;
  • наносить / восстанавливать антикоррозионное, тепло- и гидроизоляционное покрытие;
  • повышать pH транспортируемой воды;
  • обеспечить качественную водоподготовку подпиточной жидкости;
  • организовать электрохимзащиту трубопровода;
  • восстанавливать гидроизоляцию на стыках между плитами перекрытия;
  • обеспечить вентиляцию каналов;
  • устанавливать сильфонные компенсаторы;
  • применять улучшенную трубную сталь и неметаллические трубопроводы;
  • в реальном времени определять фактические потери тепла с помощью устройств учёта тепловой энергии;
  • усилить надзор при аварийно-восстановительных работах;
  • использовать для теплоснабжения потребителей не центральные, а индивидуальные тепловые точки.

Определение теплопотерь через теплоизоляцию трубопроводов теплоснабжения при подземной прокладке в непроходных каналах

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 04.05.2016 2016-05-04

Статья просмотрена: 3950 раз

Библиографическое описание:

Кочеткова Ю. А., Рафальская Т. А. Определение теплопотерь через теплоизоляцию трубопроводов теплоснабжения при подземной прокладке в непроходных каналах // Молодой ученый. — 2016. — №10. — С. 249-253. — URL https://moluch.ru/archive/114/29548/ (дата обращения: 19.02.2020).

Проведено сравнение методик расчёта теплопотерь трубопроводами системы теплоснабжения для различных типов и плотности тепловой изоляции. Проведённые расчёты позволяют выбрать оптимальную толщину тепловой изоляции трубопроводов систем теплоснабжения и оценить потери теплоты.

Ключевые слова:тепловая изоляция, трубопроводы, теплоснабжение, тепловая сеть, тепловые потери.

За период эксплуатации тепловых сетей в системе централизованного теплоснабжения (СЦТ) Новосибирска (первая тепловая сеть диаметром Dу =350 мм и длиной L=2.0 км от ТЭЦ-1 была построена в 1938 году) нормы тепловых потерь (линейная плотность теплового потока) для сетей законодательно корректировались (в меньшую сторону) три раза. Это Нормы 1959 года, Нормы 1991 года и Нормы 1998 года. Так, например, последние Нормы линейных тепловых потерь от первых норм 1959 года уменьшены в среднем на 62 % для подземной прокладки в непроходных каналах.

Для прогнозирования доли тепловых потерь в тепловых сетях, качественного расчёта теплоизоляционных конструкций, учитывающего местные условия эксплуатации, ОАО «Новосибирскгортеплоэнерго» совместно с кафедрой «Теплогазоснабжения и вентиляция» НГАСУ (Сибстрин) была разработана методика расчета [1].

Процесс теплопередачи через стенки труб и слой теплогидроизоляционной конструкции, применяемых при строительстве и эксплуатации в системах теплоснабжения городов характеризуется законами теплопереноса тепловой энергии от транспортируемой горячей среды в окружающую холодную среду (воздух, грунт, вода), и наоборот от нагретого воздуха в канале к транспортируемой холодной среде. Как правило, транспорт горячей среды всегда сопровождается с вынужденными величинами тепловых потерь.

Будет полезно:  Принцип действия и варианты настройки балансировочного клапана

Тепловые потери являются функцией теплопроводности материалов и различием между величинами температур горячей и холодной среды:

а теплопроводность — функцией плотности и влажности применяемого теплоизоляционного материала: λи= ƒ(ρ, φ).

На практике, в качестве теплоизоляционных материалов, в большинстве случаев применяются — минераловатные маты и их аналоги, или пенополиуретан. В условиях эксплуатации, любой теплоизоляционный материал подвержен воздействию природных и техногенных факторов. К природным факторам можно отнести подтопление водами талого снега и дождя, повышенная влажность и туман, повышенный уровень грунтовых вод и т. д.; к техногенным факторам — подтопление водой из поврежденного трубопровода теплосети или смежных коммуникаций и т. д.

Это влечет к неизбежности увлажнения теплоизоляции, ее заиливания и ухудшения теплотехнических свойств (увеличения теплопроводности), уменьшения толщины теплоизоляционного слоя от проектных значений.

Наличие влаги в теплоизоляционных материалах характеризуется:

1) тремя состояниями насыщения:

– капиллярно-разобщенное или стыковое (состояние защемленной воды), когда большая часть объема пор теплоизоляционного материала занята воздухом и сообщена с воздухом, а вода занимает только суженную небольшую часть пор;

– канатное или чёточное, когда вода образует непрерывную сетку с воздушными пузырьками в центре пор, не взаимодействующими друг с другом и наружным воздухом;

– капиллярное (состояние влаго-насыщения), когда ячейки пор полностью заполнены водой;

2) тремя режимами тепло-массо-передачи:

– при объемной влажности (Vо > 4 %) — закритический режим, при котором отвод теплоты происходит за счет теплопроводности через теплоизоляционные материалы и за счет теплопроводности воды содержащийся в её порах;

– при объемной влажности (1 % ф ) через теплоизоляционные конструкции и коэффициента теплопроводности (λи) теплоизоляционного материала, что обеспечивает получение более точных результатов.

Тепловые потери от горячей среды к холодной через теплоизоляционные конструкции участка трубопроводов выражаются в виде суммарных тепловых потерь, Вт:

где q L , Вт/м — часовые линейные потери тепла на единицу длины (линейная плотность теплового потока) через стенку трубопровода, антикоррозионное покрытие, теплоизоляционный и покровный материалы, воздушная среду и стенку канала, а для действующих сетей дополнительно слой ржавчины и слой накипи на стенках трубопроводов.

q M , Вт/м — часовые местные потери тепла на единицу длины рассматриваемого объекта через теплопроводные нелинейные включения в теплоизоляционных конструкциях, которыми могут быть арматура, крепежные детали, подвижные и неподвижные опоры, сальниковые или сильфонные компенсаторы, воздушники или дренажные устройства;

L, м — длина рассматриваемого участка трубопровода;

Kм коэффициент дополнительных местных потерь теплоты к линейным потерям q L ), применяется при отсутствии данных по q M или невозможности их определения.

Значения коэффициента Kм принимается для металлических трубопроводов от 5 % до 20 %, для неметаллических до 70 %.

Суммарная плотность теплового потока подающим и обратным трубопроводами через стенку канала, Вт/м:

,(2)

tвк — расчётная температура воздуха в канале, С:

;(3)

где – средняя за отопительный сезон температура грунта по [2].

Термическое сопротивление теплоотдаче от воздуха в канале к поверхности стенки канала, мС/Вт:

.(4)

где αк — коэффициент теплоотдачи на поверхности стенки канала по [2], Вт/(м 2 С):

Внутренний и наружный эквивалентные диаметры канала, м:

,(5)

,(6)

где b, h — наружные размеры канала (рис. 1), к — толщина стенки канала.

Линейное термическое сопротивление теплоотдаче от наружной стенки канала к грунту, мС/Вт:

,(7)

где к — коэффициент теплопроводности стенки канала, Вт/(мС).

Термическое сопротивление теплоотдаче от наружной стенки канала к грунту, мС/Вт:

,(8)

гдеН — глубина заложения оси трубопровода от поверхности земли, м;

г — коэффициент теплопроводности грунта, принимаемый по [2], Вт/(мС).

Линейное термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты слоем теплоизоляционного материала трубопровода из закона теплопроводности Фурье, мС/Вт:

,(9)

гдеDн — наружный диаметр теплоизоляционной конструкции, м;

а, и — толщины антикоррозионного покрытия и изоляции трубопровода, м;

λи — коэффициент теплопроводности слоя изоляции, Вт/(мC).

Линейное термическое сопротивление теплоотдаче наружной стенки теплоизоляционной конструкции трубопровода в окружающую среду, мС/Вт:

,(10)

гдеп — толщина покровного слоя, м;

н — коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности покровного слоя теплоизоляционной конструкции, Вт/(м 2 C), который является суммой двух слагаемых:

где л, Вт/(м 2 C) — коэффициент теплоотдачи лучеиспускаением, который можно определить по формуле Стефана-Больцмана:

,(12)

где С — коэффициент лучеиспускания Стефана-Больцмана, который для поверхностей абсолютно четных тел, поглощающих все падающие лучи и ничего не отражающих, равен 0,277 Вт/(м 2 К 4 ), а для «серых» тел, к которым относятся наружные поверхности неизолированных трубопроводов и поверхности теплоизоляционных конструкций, находится в пределах (0,2140,243) Вт/(м 2 К 4 );

, C — температура излучающей поверхности покровного слоя теплоизоляции трубопровода;

к, Вт/(м 2 C) — коэффициент теплоотдачи конвекцией от горизонтального трубопровода к воздуху, который можно определить по формулам Нуссельта:

– при естественной конвекции воздуха:

,(13)

– при вынужденной конвекции воздуха (ветер или принудительная вентиляция):

,(14)

где w, м/с — скорость воздуха (ветра), которая при отсутствии данных принимается 10 м/с.

Значение коэффициента теплоотдачи н от наружной поверхности покровного слоя теплоизоляционной конструкции трубопровода с температурой (tп  150 C), можно определить в соответствии с (13) и (14) по приближённой формуле для канальной прокладки:

.(15)

Из формулы (2), с учетом подстановки (9) и (10), выводится формула для определения необходимой толщины слоя теплоизоляционного материала и трубопровода, м:

.(16)

Где число В — безразмерное значение величины натурального логарифма, которое находится по формуле:

.(17)

В качестве примера был рассчитан участок трубопроводов тепловых сетей от ЦТП-ц41 по ул. Орджоникидзе г. Новосибирска, длиной L = 166 м, при двухтрубной прокладке в непроходных каналах рис. 1. Продолжительность отопительного сезона в Новосибирске составляет 221 сутки или з = 5304 ч. Расчётная температура наружного воздуха для Новосибирска tно = -37 С. На рассматриваемом участке тепловая сеть двухтрубная, проложена в непроходных каналах марки КЛ 90х60, диаметр трубопроводов 108х4 мм, глубина заложения 2 м. Расчётный температурный график на ТЭЦ принят 150/70 С. Коэффициент дополнительных местных потерь теплоты Км = 1,2.

Рис. 1. Подземная прокладка трубопроводов в непроходных каналах

Расчёт проводился по нормативной линейной плотности теплового потока по методике [1] и по СП [2].

В расчёте, рекомендуемом СП [2] учитывается только эквивалентный внутренний диаметр канала, поэтому не учитывается значение линейного термического сопротивления кондуктивному переносу тепла слоем стенки канала, что влияет также на определение температуры воздуха в канале. Кроме того, в СП [2] не учитывается коэффициент стоимости теплопотерь, который для Новосибирска, например, составляет 0,95.

Расчёты были проведены для различных типов тепловой изоляции и сведены в таблицу 1. Как показали расчёты, во многих случаях требуемая толщина изоляции при расчёте по методике [1], учитывающей местные условия эксплуатации, оказывается выше.

Будет полезно:  Срок службы и возможности полипропиленовых труб

Сравнение толщины тепловой изоляции итеплопотерь трубопроводами по методике [1] ипо СП [2]

Тип

изоляции

Расчёт по методике [1]

Расчёт по СП [2]

tвк, С

из1, м

из2, м

Qтп, МВт

tвк, С

из1, м

из2, м

Qтп, МВт

6.6. Тепловой расчет трубопроводов

Цель теплового расчета сетей – определение толщины тепловой изоляции и падения температуры теплоносителя на данном участке трассы.

Толщину теплоизоляционного слоя определяют по нормам удельных потерь теплоты (табл. 6.10 и 6.11) или на основе технико-экономических расчетов. При этом толщина изоляции трубопровода данного диаметра условного прохода не должна превышать предельного значения, указанного в табл. 6.12.

Выбрав толщину производимого промышленностью изоляционного материала, определяют удельные потери теплоты трубопроводом длиной l, м, по формуле, Вт/м

где tт – среднегодовая температура теплоносителя, ºС; tо – среднегодовая температура окружающей среды (для подземной прокладки – среднегодовая температура грунта на глубине прокладки трубопровода), ºС; R – общее сопротивление теплопередаче, м׺С/Вт.

Нормы потерь теплоты для водяных тепловых сетей, Вт/м

Среднегодовая температура теплоносителя, º C

Нормы потерь теплоты при надземной прокладке паропроводов

Предельная толщина изоляции тепловых сетей, мм

Способ прокладки тепловых сетей

в непроходных каналах

Водяных, паровых и конденсатных

Однотрубный теплопровод. Общее сопротивление теплопередаче при надземной прокладке теплопровода

Сопротивление теплопроводности тепловой изоляции

Rи = ln, (6.40)

где λи – теплопроводность материала изоляции, Вт/(м׺С); dни и dви – наружный и внутренний диаметры изоляции, м.

Тепловое сопротивление наружной поверхности изоляции

Коэффициент теплоотдачи поверхности изоляции определяют по эмпирической формуле, Вт/(м 2 ∙ºС):

αн = 11,6 + 7, (6.42)

где υ – скорость движения воздуха у поверхности изоляции, м/с.

При подземной бесканальной прокладке тепловой сети для определения R пользуются также формулой (6.39), только вместо Rн подставляют тепловое сопротивление грунта Rгр, которое находят из выражений

Rгр = ln; (6.43)

Rст – тепловое сопротивление стенок канала, м׺С/Вт:

Rст = ln; (6.50)

Rгр – тепловое сопротивление грунта, окружающего канал, м׺С/Вт; определяется по формуле (6.43) или (6.44) с заменой dни на dэн; α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м 2 ∙°С), определяемый по формуле (6.42), принимая υ = 0; λст – теплопроводность стенок канала, Вт/(м ×°С); dэн и dэв – эквивалентные наружный и внутренний диаметры канала определяемые по формуле, м:

где А – площадь (наружного или внутреннего) поперечного сечения канала при соответственно наружном или внутреннем его периметре Р.

При определении потерь теплоты трубопроводами пользуются также формулами, что и для бесканальной прокладки, только вместо tгр подставляют значение средней температуры воздуха в канале tк. В двухтрубной тепловой сети

tк = . (6.52)

Значение tк может быть близким к температуре теплоносителя t2 в обратном трубопроводе. В этом случае его не покрывают тепловой изоляцией, что экономически выгодно.

Рассчитав удельные потери теплоты трубопроводами тепловой сети, сравнивают их значения с соответствующими нормами, приведенными в табл. 6.10 и 6.11. При несоответствии нормам расчет повторяют, пользуясь методами последовательного приближения, изменяя или толщину изоляции в допустимых пределах (см. табл. 6.12), или вид изоляционного покрытия.

Падение температуры теплоносителя – воды на участке трубопровода длиной l, м, находят из уравнения, °С:

Δt = , (6.53)

где β – коэффициент к длине трубопровода, учитывающий потери теплоты неизолированными компенсаторами, фланцевыми соединениями, арматурой. При надземной прокладке β = 1,25, при канальной – β = 1,2, при бесканальной – β = 1,15; Gт – расход теплоносителя, кг/с.

Падение энтальпии теплоносителя – пара, кДж/кг:

Δh (6.54)

Пример 6.4.Для участка двухтрубной надземной водяной тепловой сети длиной 80 м, работающей в течение года определить экономически целесообразную толщину теплоизоляции, выполненной из полуцилиндров пенопластовых марки ФРП – 1 (плотность конструкции 100 кг/м 3 ), удельные потери теплоты трубопроводами и падение температуры теплоносителя на длине участка. Наружный диаметр обеих труб 194 мм, расход теплоносителя 43,1 кг/с. Среднегодовая температура теплоносителя в подающем трубопроводе 65 о С, в обратном – 50 о С. Среднегодовая расчетная скорость ветра= 5,7 м/с. Среднегодовая температура наружного воздухаtо= + 2,7 о С.

Решение.Минимальная толщина полуцилиндров, изготавлимаемых промышленностью – 30 мм (приложение). Задаемся этой толщиной изоляции для предварительного расчета.

Наружный диаметр изоляции:

Теплопроводность изоляции по данным приложения:

для подающего трубопровода

ин= 0,043 + 0,00019(65+40)/2 = 0,053 Вт/м× о С,

для обратного трубопровода

ио= 0,043 + 0,00019(50 + 40)/2 = 0,0516 Вт/м× о С.

Сопротивление изоляции теплопроводности по (6.40) подающего трубопровода

м×°С/Вт,

м×°С/Вт.

Коэффициент теплоотдачи поверхности изоляции по (6.42)

и= 28,3 Вт/м 2 ×°С.

Тепловое сопротивление наружной поверхности изоляции:

Общее сопротивление теплопередачи подающего трубопровода:

R п = 0,809 + 0,058 = 0,856 м׺С/Вт.

R о = 0,831 + 0,058 = 0,875 м׺С/Вт.

Удельные потери теплоты по (6.38) подающим трубопроводом

Значения теплопотерь и для подающего и для обратного трубопроводов выше норм для данного диаметра труб, приведенных в таблице 6.10. Выбираем толщину изоляционного слоя для подающего 50 мм и обратного трубопроводов – 40 мм.

Проведем повторный расчет

мм,

мм,

м× о С/Вт,

м× о С/Вт,

= 1/3,14·0,294·21,7 = 0,050 м× о С/Вт,

= 1/3,14·0,274·21,7 = 0,053 м× о С/Вт,

R п = 1,249 + 0,050 = 1,299 м× о С/Вт,

R о = 1,065 + 0,053 = 1,118 м× о С/Вт,

Эти значения теплопотерь ниже норм для данного диаметра труб. Толщина изоляции значительно меньше предельной толщины для данного диаметра труб (табл. 6.12). Следовательно, по этим параметрам толщина тепловой изоляции выбрана правильно.

Падение температуры теплоносителя на длине участка определяем по формуле (6.53) подающего трубопровода:

о С,

о С.

Пример 6.5.Определить, как изменяются удельные тепловые потери трубопроводами, если они будут проложены в непроходном бетонном канале. Глубина заложения осей трубh= 1,5 м. Грунт песчаный (2000 кг/м 3 ), влажный (теплопроводность λгр= 2,0 Вт/м о С, температура на глубине прокладки трубtгр= 5 о С). Теплопроводность бетона во влажной среде λст= 1,86 Вт/м о С.

Решение.По формуле (6.51) определим эквивалентные наружный и внутренний диаметры канала (рис. 6.4)

dэн =м,

dэв =м.

Коэффициент теплоотдачи от воздуха канала к внутренней поверхности канала по (6.42) = 1 1,6 т.к.= 0.

Сопротивление теплоотдачи от воздуха канала к его внутренней поверхности по (6.41):

Rвн= 1/3,14м°С/Вт.

Рис. 6.4. к примеру 6.5.

Тепловое сопротивление стенок канала по формуле 6.50

Rст=м°С/Вт.

Так как отношение h/dэн п = 1,249 + 0,242 = 1,491м 2 °С/Вт,

R o = 1,065 + 0,242 = 1,307м 2 °С/Вт.

Условное дополнительное сопротивление по (6.45)

Rдоп=м 2 °С/Вт.

Температура воздуха в канале по (6.52)

tк=°С.

Подставляя вместо tгрзначенияtкпо (6.46) и (6.47) определяем удельную потерю теплоты

qп = Вт/м,

qо = Вт/м.

Удельные потери теплоты уменьшились в подающем трубопроводе в

раза, а в обратном трубопроводе враза.

Ссылка на основную публикацию