Свод правил по проектированию и строительствуСП 41-103-2000"Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов"(одобрен постановлением Госстроя РФ от 16 августа 2000 г. N 81) стр. 2

; (9)

и далее, начиная со 2-го слоя, на границах (i-1)-го и i-го слоев

; (10)

температура на наружной поверхности i-слоя n-слойной стенки:

. (11)

Для цилиндрических многослойных изоляционных конструкций структура формул для расчета распределения температур имеет вид:

; ; (12)

; (13)

; (14)

. (15)

Значения поверхностной и линейной плотности тепловых потоков, входящих в формулы (8)-(15), определяются по (1)-(3), а термические сопротивления - по (5)-(7).

При применении формул (1), (3) необходимо знать коэффициенты теплопроводности изоляционных слоев. Поскольку они зависят от температуры, должны быть известны средние температуры каждого слоя, для определения которых необходимо знать температуры на границах слоев. Для их расчета обычно используется метод последовательных приближений путем проведения нескольких расчетных операций.

На первом этапе, принимая для всех слоев среднюю температуру изоляции обычно равную полусумме температур внутренней и наружной среды, находят при этой температуре теплопроводность всех теплоизоляционных слоев. Затем, по (1), (3) определяют значения или и по (8)-(11) для плоской и по (12)-(15) цилиндрической стенок рассчитывают температуры на границах слоев и средние температуры каждого слоя.

На втором этапе по найденным на первом этапе средним температурам слоев вновь определяют теплопроводность всех слоев, затем находят плотности потоков тепла и снова рассчитывают послойные температуры, и так далее до требуемой точности расчета. Например, до тех пор, пока послойные температуры на k-м и (k-1)-м шаге будут отличаться не более чем на 5%. Обычно для этой цели необходимо проведение не более 3-4 расчетных операций.

Значительное место в промышленной изоляции занимают теплоизоляционные конструкции подземных сооружений, основной особенностью которых является контакт с массивом окружающего грунта, что в значительной степени усложняет их тепловой расчет по сравнению с конструкциями, контактирующими с атмосферой.

Анализ температурных полей и тепловых потоков в теплоизоляционных конструкциях и в граничащих с ними грунтом позволил заключить, что непосредственно в теплоизоляции с достаточной для инженерных расчетов точностью температурное поле можно считать одномерным. Это позволит определить их термическое сопротивление по формулам (5)-(7).

Плотность теплового потока через теплоизоляционные конструкции, граничащие с грунтом, определяется в этом случае по формулам (1)-(4), в которых термические сопротивления внешней теплоотдаче и заменяются термическим сопротивлением грунта, зависящим от конфигурации изолируемого объекта, расположения его в массиве грунта и теплопроводности последнего.

2.2. Расчет тепловой изоляции трубопроводов и оборудования

Расчет тепловых потерь через изолированную поверхность оборудования и трубопроводов в общем случае следует выполнять для плоских поверхностей по формулам (1), (2), а для криволинейных по формулам (3), (4). Однако анализ особенностей теплообмена в теплоизоляционных конструкциях промышленных объектов позволяет существенно упростить расчетные формулы.

Термическое сопротивление теплоотдаче от внутренней среды к внутренней поверхности стенки изолируемого объекта для жидких и даже газообразных сред по сравнению с термическим сопротивлением кондуктивному переносу теплоты в изоляции составляет весьма незначительную величину и может не учитываться.

Исключение составляет весьма редкий случай, когда внутри объекта находится газовая среда и теплообмен между ней и внутренней поверхностью стенки осуществляется за счет естественной конвекции.

Стенки изолируемого промышленного оборудования и трубопроводов обычно изготовлены из металла, теплопроводность которого в 100 раз и более превышает теплопроводность изоляции, вследствие этого термическим сопротивлением стенки без заметного снижения точности расчета можно пренебречь.

Таким образом, основными расчетными формулами для определения тепловых потерь изолируемого оборудования являются:

для плоских поверхностей и криволинейных диаметром более 2 м

; (16)

для трубопроводов диаметром менее 2 м

, (17)

где K - коэффициент дополнительных потерь, учитывающий теплопотери через теплопроводные включения в теплоизоляционных конструкциях, обусловленных наличием в них крепежных деталей и опор (таблица 1).

Таблица 1

Значения коэффициента дополнительных потерь К

┌─────────────────────────────────────────────────────┬─────────────────┐
│ Способ прокладки трубопроводов │ Коэффициент К │
├─────────────────────────────────────────────────────┼─────────────────┤
│На открытом воздухе, в непроходных каналах, тоннелях│ │
│и помещениях: для стальных трубопроводов на подвижных│ │
│опорах, условным проходом, мм: │ │
│ │ │
│до 150 │ 1,2 │
│150 и более │ 1,15 │
│на подвесных опорах │ 1,05 │
│для неметаллических трубопроводов на подвижных и│ 1,7 │
│подвесных опорах │ │
│Бесканальная │ 1,15 │
└─────────────────────────────────────────────────────┴─────────────────┘

Термическое сопротивление кондуктивному переносу слоев изоляции и внешней теплоотдаче в (16), (17) определяется по формулам (5), (6), в которых теплопроводность изоляции принимается по приложению А, а коэффициент теплоотдачи на поверхности изоляции - по таблице 2.

Таблица 2

Значения коэффициента теплоотдачи ,

┌───────────────────┬────────────────────┬──────────────────────────────┐
│ Изолированный │В закрытом помещении│ На открытом воздухе при │
│ объект │ │ скорости ветра ***, м/с │
│ ├──────────┬─────────┤ │
│ │Покрытия с│Покрытия │ │
│ │ малым │с высоким│ │
│ │коэффицие-│коэффици-│ │
│ │ нтом │ ентом │ │
│ │излучения*│излучения│ │
│ │ │ ** │ │
│ │ │ ├───────────┬────────┬─────────┤
│ │ │ │ 5 │ 10 │ 15 │
├───────────────────┼──────────┼─────────┼───────────┼────────┼─────────┤
│Горизонтальные │ 7 │ 10 │ 20 │ 26 │ 35 │
│трубопроводы │ │ │ │ │ │
├───────────────────┼──────────┼─────────┼───────────┼────────┼─────────┤
│Вертикальные │ 8 │ 12 │ 26 │ 35 │ 52 │
│трубопроводы, │ │ │ │ │ │
│оборудование, │ │ │ │ │ │
│плоская стенка │ │ │ │ │ │
├───────────────────┴──────────┴─────────┴───────────┴────────┴─────────┤
│* К ним относятся кожухи из оцинкованной стали, листов алюминиевых│
│сплавов и алюминия с оксидной пленкой. │
│** К ним относятся штукатурки, асбестоцементные покрытия,│
│стеклопластики, различные окраски (кроме краски с алюминиевой пудрой). │
│*** При отсутствии сведений о скорости ветра принимают значения,│
│соответствующие скорости 10 м/с. │
└───────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

2.2.1. Расчет тепловой изоляции по нормированной плотности теплового потока

Определение толщины изоляции по заданной потере тепла является наиболее распространенным случаем расчета тепловой изоляции. Расчет может производиться исходя из нормативных плотностей теплового потока ( , ) и как завершающий этап более сложного расчета, в результате которого определяются тепловые потери, удовлетворяющие производственно-техническим и технологическим требованиям.

Для определения толщины однослойной плоской и цилиндрической поверхности с диаметром 2 м и более используется формула

(18)

Для цилиндрической поверхности диаметром менее 2 м предварительно из уравнения

207 × 63 пикс.     Открыть в новом окне

(19)

определяют величину InВ, где ; при этом приближенные значения следует принимать по таблице 3.

Таблица 3

Ориентировочные значения

┌───────┬───────────────────────────────────────┬───────────────────────┐
│Услов- │ Внутри помещений │ На открытом воздухе │
│ ный ├───────────────────┬───────────────────┤ │
│диаметр│Для поверхностей с │Для поверхностей с │ │
│трубы, │малым коэффициентом│ высоким │ │
│ мм │ излучения │ коэффициентом │ │
│ │ │ излучения │ │
│ ├───────────────────┴───────────────────┴───────────────────────┤
│ │ при температуре теплоносителя, °С │
│ ├─────┬──────┬──────┬──────┬──────┬─────┬───────┬───────┬───────┤
│ │ 100 │ 300 │ 500 │ 100 │ 300 │ 500 │ 100 │ 300 │ 500 │
├───────┼─────┼──────┼──────┼──────┼──────┼─────┼───────┼───────┼───────┤
│ 32 │0,50 │ 0,35 │ 0,30 │ 0,33 │ 0,22 │0,17 │ 0,12 │ 0,09 │ 0,07 │
│ 40 │0,45 │ 0,30 │ 0,25 │ 0,29 │ 0,20 │0,15 │ 0,10 │ 0,07 │ 0,05 │
│ 50 │0,40 │ 0,25 │ 0,20 │ 0,25 │ 0,17 │0,13 │ 0,09 │ 0,06 │ 0,04 │
│ 100 │0,25 │ 0,19 │ 0,15 │ 0,15 │ 0,11 │0,10 │ 0,07 │ 0,05 │ 0,04 │
│ 125 │0,21 │ 0,17 │ 0,13 │ 0,13 │ 0,10 │0,09 │ 0,05 │ 0,04 │ 0,03 │
│ 150 │0,18 │ 0,15 │ 0,11 │ 0,12 │ 0,09 │0,08 │ 0,05 │ 0,04 │ 0,03 │
│ 200 │0,16 │ 0,13 │ 0,10 │ 0,10 │ 0,08 │0,07 │ 0,04 │ 0,03 │ 0,03 │
│ 250 │0,13 │ 0,10 │ 0,09 │ 0,09 │ 0,07 │0,06 │ 0,03 │ 0,03 │ 0,02 │
│ 300 │0,11 │ 0,09 │ 0,08 │ 0,08 │ 0,07 │0,06 │ 0,03 │ 0,02 │ 0,02 │
│ 350 │0,10 │ 0,08 │ 0,07 │ 0,07 │ 0,06 │0,05 │ 0,03 │ 0,02 │ 0,02 │
│ 400 │0,09 │ 0,07 │ 0,06 │ 0,06 │ 0,05 │0,04 │ 0,02 │ 0,02 │ 0,02 │
│ 500 │0,075│ 0,065│ 0,06 │ 0,05 │ 0,045│0,04 │ 0,02 │ 0,02 │ 0,016 │
│ 600 │0,062│ 0,055│ 0,05 │ 0,043│ 0,038│0,035│ 0,017 │ 0,015 │ 0,014 │
│ 700 │0,055│ 0,051│ 0,045│ 0,038│ 0,035│0,032│ 0,015 │ 0,013 │ 0,012 │
│ 800 │0,048│ 0,045│ 0,042│ 0,034│ 0,031│0,029│ 0,013 │ 0,012 │ 0,011 │
│ 900 │0,044│ 0,041│ 0,038│ 0,031│ 0,028│0,026│ 0,012 │ 0,011 │ 0,010 │
│ 1000 │0,040│ 0,037│ 0,034│ 0,028│ 0,026│0,024│ 0,011 │ 0,010 │ 0,009 │
│ 2000 │0,022│ 0,020│ 0,017│ 0,015│ 0,014│0,013│ 0,006 │ 0,006 │ 0,005 │
├───────┴─────┴──────┴──────┴──────┴──────┴─────┴───────┴───────┴───────┤
│Примечания │
│1. Для промежуточных значений диаметров и температуры величина R_н(L)│
│определяется интерполяцией. │
│2. Для температуры теплоносителя ниже 100°С принимаются данные,│
│соответствующие 100°С. │
└───────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

Затем находят величину В и определяют требуемую толщину изоляции по формуле

. (20)

При определении требуемой толщины двухслойной теплоизоляционной конструкции, которая обычно применяется тогда, когда температуростойкость основного изоляционного материала оказывается ниже температуры стенки изолируемого объекта и непосредственно на изолируемую поверхность укладывается предохранительный слой из более температуростойкого материала. Расчет производится следующим образом. Толщина первого предохранительного слоя определяется из условия, чтобы температура между обоими слоями не превышала максимальной температуры применения основного изоляционного материала.

Для плоской стенки и цилиндрических объектов с диаметром 2 м и более для расчета толщины первого слоя применяется формула

. (21)