Тепловой расчет трубопроводов.

Задачи теплового расчета:

1) определение тепловых потерь теплопровода;

2) расчет температурного поля вокруг теплопровода;

3) расчет падения температуры по длине теплопровода;

4) выбор толщины тепловой изоляции.

Для цилиндрических поверхностей с диаметром менее 2 м тепловой поток от теплоносителя в окружающую среду можно определить

,

где q – удельные тепловые потери теплопровода на единицу длины, Вт/м;

R – суммарное термическое сопротивление, м∙К/Вт, которое определяется суммой термических сопротивлений.

,

где R_в - термическое сопротивление внутренней поверхности трубы;
R_ст - термическое сопротивление стенки трубы;

R_и - термическое сопротивление слоя изоляции;

R_н - термическое сопротивление наружной поверхности изоляции;

t – температура теплоносителя;

t_о - температура окружающей среды.

 

где d_в, d_тр – внутренний и наружный диаметры трубопровода;

d_н – наружный диаметр с учетом слоя изоляции.

В практических расчетах R_в, R_ст можно пренебречь в виду малости.

Рассмотрим наиболее значимые термические сопротивления.

Термическое сопротивление наружной поверхности.

 

Для определения термического сопротивления поверхности теплопровода необходимо знать две величины: диаметр и коэффициент теплоотдачи поверхности. Диаметр трубопровода при тепловом расчете является заданным. Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности к окружающему воздуху представляет собой сумму двух слагаемых – коэффициента теплоотдачи излучением и коэффициента теплоотдачи конвекцией.

.

Раздельное определение коэффициентов теплоотдачи излучением и конвекцией не обеспечивает надлежащей точности расчета ввиду сложности определения исходных параметров. Поэтому сложный теплообмен характеризуют коэффициентом теплоотдачи от наружной поверхности и определяют по приближенным формулам.

Для объектов на открытом воздухе α_н можно определить:

,

для объектов в закрытых помещениях с температурой поверхности менее 150^о

,

где t_о – температура окружающей среды.

Для теплового расчета существенное значение имеют только слои с большим термическим сопротивлением.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ НАДЗЕМНЫХ ТЕПЛОПРОВОДОВ

Основной задачей теплового расчета всех видов прокладок является выбор конструкции тепловой изоляции, обеспечивающий минимум тепловых потерь и допустимое падение температуры теплоносителя. В ряде случаев производят определение температурного поля вокруг теплопровода.

Удельные тепловые потери теплопроводов воздушной прокладки составляют в Вт/м:

,

где R_и и R_н – термические сопротивления слоя изоляции и наружной поверхности теплопровода.

Тепловое сопротивление изоляции трубопроводов увеличивается с ростом отношения наружного диаметра изоляции к внутреннему, поэтому при применении многослойной изоляции целесообразно первые слои укладывать из материала с более низким коэффициентом теплопроводности.

Расчет температурного поля теплопровода производится по уравнению теплового баланса, когда количество теплоты от теплоносителя с цилиндрической поверхности равно количеству тепла, уходящего с этой поверхности к наружной среде. Определим температуру поверхности изоляции t_x, когда количество теплоты от теплоносителя с поверхности изоляции равно количеству тепла, теряемого в окружающую среду.

.

Аналогично определяется температура любого промежуточного слоя изоляции, например температура поверхности первого слоя двухслойной изоляции:

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПОДЗЕМНЫХ ТЕПЛОПРОВОДОВ

При подземной прокладке последовательно включенным оказывается сопротивление грунта. При подсчете тепловых потерь за температуру окружающей среды принимают естественную температуру грунта на глубине заложения оси трубопровода.

.

R_гр может быть определена по формуле Форхгеймера:

где h - глубина заложения трубопровода;

d - диаметр трубопровода (с учетом изоляции);

λ_гр - коэффициент теплопроводности грунта.

При большой глубине заложения, когда h/d≥2 формулу Форхгеймера можно упростить, принимая с некоторым приближением радикал равным 2 h/d:

При малой глубине заложения, когда h/d<2 температура поверхности грунта над теплопроводом может существенно отличаться от естественной температуры поверхности грунта. Во избежание ошибок подсчет теплопотерь производится по температуре наружного воздуха, но при этом используют не действительную, а приведенную глубину заложения:

где h_ф - фиктивный слой грунта, имеющий сопротивление, равное сопротивлению поверхности грунта.

,

где -коэффициент теплоотдачи на поверхности грунта.

Теплопроводность грунта λ_гр зависит от его влажности и температуры. Можно принимать следующие значения λ_гр на глубине 1,5 м при температуре грунта +5ºС:

влажные грунты ;
сухие грунты .

При отсутствии данных о характере грунта принимают .

Однотрубный теплопровод при бесканальной прокладке.

При тепловом расчете термическое сопротивление представляет собой сумму двух слагаемых - сопротивления слоя изоляции и сопротивления грунта

.

Однотрубный теплопровод, проложенный в канале. В этом случае имеется воздушная прослойка между изолированным трубопроводом и стенкой канала. Общее термическое сопротивление определяется как сумма последовательно соединенных сопротивлений

,

где -сопротивления соответственно слоя изоляции, наружной поверхности изоляции, внутренней поверхности канала, стенок канала, грунта.

Определим температуру воздуха в канале однотрубного теплопровода. Составим уравнение теплового баланса. Количество теплоты, подведенной от теплоносителя к воздуху канала, равно количеству теплоты, отведенной из канала в грунт:

.

 

Многотрубный теплопровод в канале

Но чаще бывает, что в канале несколько трубопроводов, тогда необходимо учитывать их взаимное влияние. Задача теплового расчета сводится к определению температуры воздуха в канале, зная которую можно определить тепловые потери каждого трубопровода. В тепловом балансе принимается, что суммарная теплота, переданная от трубопровода к воздуху канала равна теплоте отведенной от воздуха в канале через стенку канала в грунт:

,

где

В практических расчетах очень сложно найти температуру воздуха в канале, но, тем не менее, задача решаема.

Двухтрубный бесканальный трубопровод.

При такой прокладке в результате тепловых потерь вокруг теплопроводов в грунте образуются температурные поля, которые, воздействуя друг на друга, способствуют уменьшению теплопотерь каждой трубы в отдельности.

Расчет проводится по методу разработанному Шубиным, который предложил ввести дополнительное сопротивление R_o, учитывающее взаимное влияние соседних труб. Если принять глубину заложения h оси трубопровода, а в - расстояние между осями трубопроводов, то условное дополнительное сопротивление определяется по формуле:

Тогда тепловые потери первой трубы будут:

;

где t₁, t₂ - температуры теплоносителей;

R₁=R_и1+R_гр1; R₂=R_и2+R_гр1 –суммарное термическое сопротивление первой и второй трубы.

Тепловые потери в тепловых сетях.

В процессе движения по трубопроводу снижается температура теплоносителя за счет тепловых потерь в окружающую среду.

Тепловые потери бывают двух видов:

1) линейные тепловые потери - участков трубопроводов, не имеющих арматуры и фасонных частей;

,

где q - удельные линейные тепловые потери, Вт/м;

l – длина участка, м.

Тепловые потери отводов, колен, компенсаторов и другого подобного оборудования, периметр поперечного которого близок к периметру трубопровода, рассчитываются по формулам для прямых труб круглого сечения.

2) местные тепловые потери возникают в результате стока теплоты через опорные конструкции, арматуру, фасонные части, фланцы и т.д.

Эти потери могут определяться различными способами. Но при расчете теплопроводов удобнее использовать эквивалентные длины местных сопротивлений. Тепловые потери во фланцах арматуры, фасонных частях равновелики тепловым потерям прямых участков труб того же диаметра:

,

где l_э – суммарная эквивалентная длина участка трубопровода.

Тогда общие тепловые потери участка теплопровода можно записать:

Введем понятие коэффициента местных тепловых потерь:

.

При отсутствии данных о количестве опор, компенсаторов, фланцев и арматуры тепловой поток определяется как

.

Принимается для бесканальных прокладок =1,15, для каналов и тоннелей – 1,2, для надземных участков – 1,25.

Для трубопроводов вводится понятие коэффициента эффективности тепловой изоляции, который оценивает тепловые потери неизолированной (голой) трубы Q_г и изолированной трубы Q_и:

Для тепловых сетей значения коэффициентов эффективности тепловой изоляции должны быть в пределах η_и=0,85÷0,95.