Расчет толщины тепловой изоляции трубопроводов

Технологические трубопроводы предприятий и систем жизнеобеспечения населенных пунктов транспортируют различные среды с разными параметрами. Эти параметры, в частности, температура, должны сохраняться независимо от воздействия условий окружающей среды, а для этого необходима теплоизоляция. Ее толщину определяет расчет, который базируется на требованиях нормативных документов.

Теплоизоляция трубопровода должна сохранять температуру в трубе независимо от воздействия на нее условий окружающей среды.

Характеристики прокладки сетей и нормативной методики вычислений

Выполнение вычислений по определению толщины теплоизоляционного слоя цилиндрических поверхностей - процесс достаточно трудоемкий и сложный. Если вы не готовы доверить его специалистам, следует запастись вниманием и терпением для получения верного результата. Самый распространенный способ расчета теплоизоляции труб - это вычисление по нормируемым показателям тепловых потерь. Дело в том, что СНиПом установлены величины потерь тепла трубопроводами разных диаметров и при различных способах их прокладки:

Схема утепления трубы.

• открытым способом на улице;
• открыто в помещении или тоннеле;
• бесканальным способом;
• в непроходных каналах.

Суть расчета заключается в подборе теплоизоляционного материала и его толщины таким образом, чтобы величина тепловых потерь не превышала значений, прописанных в СНиПе. Методика вычислений также регламентируется нормативными документами, а именно - соответствующим Сводом Правил. Последний предлагает несколько более упрощенную методику, нежели большинство существующих технических справочников. Упрощения заключены в таких моментах:

1. Потери теплоты при нагреве стенок трубы транспортируемой в ней средой ничтожно малы по сравнению с потерями, которые теряются в слое наружного утеплителя. По этой причине их допускается не учитывать.
2. Подавляющее большинство всех технологических и сетевых трубопроводов изготовлено из стали, ее сопротивление теплопередаче чрезвычайно низкое. В особенности если сравнивать с тем же показателем утеплителя. Поэтому сопротивление теплопередаче металлической стенки трубы рекомендуется во внимание не принимать.

Методика просчета однослойной теплоизоляционной конструкции

Основная формула расчета тепловой изоляции трубопроводов показывает зависимость между величиной потока тепла от действующей трубы, покрытой слоем утеплителя, и его толщиной. Формула применяется в том случае, если диаметр трубы меньше чем 2 м:

Формула расчета теплоизоляции труб.

ln B = 2 [K(t_т - t_о) / q_L - R_н]

В этой формуле:

• - коэффициент теплопроводности утеплителя, Вт/(м C);
• K - безразмерный коэффициент дополнительных потерь теплоты через крепежные элементы или опоры, некоторые значения K можно взять из Таблицы 1;
• t_т - температура в градусах транспортируемой среды или теплоносителя;
• t_о - температура наружного воздуха, C;
• q_L - величина теплового потока, Вт/м²;
• R_н - сопротивление теплопередаче на наружной поверхности изоляции, (м² C) /Вт.

Таблица 1

Значение теплопроводности утеплителя является справочным, в зависимости от выбранного теплоизоляционного материала. Температуру транспортируемой среды t_т рекомендуется принимать как среднюю в течение года, а наружного воздуха t_о как среднегодовую. Если изолируемый трубопровод проходит в помещении, то температура внешней среды задается техническим заданием на проектирование, а при его отсутствии принимается равной +20°С. Показатель сопротивления теплообмену на поверхности теплоизоляционной конструкции R_н для условий прокладки по улице можно брать из Таблицы 2.

Таблица 2

Примечание: величину R_н при промежуточных значениях температуры теплоносителя вычисляют методом интерполяции. Если же показатель температуры ниже 100 C, величину R_н принимают как для 100 C.

Показатель В следует рассчитывать отдельно:

Таблица тепловых потерь при разной толщине труби и теплоизоляции.

B = (d_из + 2 ) / d_тр, здесь:

• d_из - наружный диаметр теплоизоляционной конструкции, м;
• d_тр - наружный диаметр защищаемой трубы, м;
• - толщина теплоизоляционной конструкции, м.

Видео по теме "Простой расчет толщины утеплителя для дома"

Вычисление толщины изоляции трубопроводов начинают с определения показателя ln B, подставив в формулу значения наружных диаметров трубы и теплоизоляционной конструкции, а также толщины слоя, после чего по таблице натуральных логарифмов находят параметр ln B. Его подставляют в основную формулу вместе с показателем нормируемого теплового потока q_L и производят расчет. То есть толщина теплоизоляции трубопровода должна быть такой, чтобы правая и левая часть уравнения стали тождественны. Это значение толщины и следует принимать для дальнейшей разработки.

Рассмотренный метод вычислений относился к трубопроводам, диаметр которых менее 2 м. Для труб большего диаметра расчет изоляции несколько проще и производится как для плоской поверхности и по другой формуле:

= [K(t_т - t_о) / q_F - R_н]

В этой формуле:

• - толщина теплоизоляционной конструкции, м;
• q_F - величина нормируемого теплового потока, Вт/м²;
• остальные параметры - как в расчетной формуле для цилиндрической поверхности.

Методика просчета многослойной теплоизоляционной конструкции

Таблица изоляции медных и стальных труб.

Некоторые перемещаемые среды имеют достаточно высокую температуру, которая передается наружной поверхности металлической трубы практически неизменной. При выборе материала для тепловой изоляции такого объекта сталкиваются с такой проблемой: не каждый материал способен выдержать высокую температуру, например, 500-600 C. Изделия, способные контактировать с такой горячей поверхностью, в свою очередь, не обладают достаточно высокими теплоизоляционными свойствами, и толщина конструкции получится неприемлемо большой. Решение - применить два слоя из различных материалов, каждый из которых выполняет свою функцию: первый слой ограждает горячую поверхность от второго, а тот защищает трубопровод от воздействия низкой температуры наружного воздуха. Главное условие такой термической защиты состоит в том, чтобы температура на границе слоев t_1,2 была приемлемой для материала наружного изоляционного покрытия.

Для расчета толщины изоляции первого слоя используется формула, уже приводимая выше:

= [K(t_т - t_о) / q_F - R_н]

Второй слой рассчитывают по этой же формуле, подставляя вместо значения температуры поверхности трубопровода t_т температуру на границе двух теплоизоляционных слоев t_1,2. Для вычисления толщины первого слоя утеплителя цилиндрических поверхностей труб диаметром менее 2 м применяется формула такого же вида, как и для однослойной конструкции:

ln B₁ = 2 [K(t_т - t_1,2) / q_L - R_н]

Подставив вместо температуры окружающей среды величину нагрева границы двух слоев t_1,2 и нормируемое значение плотности потока тепла q_L, находят величину ln B₁. После определения числового значения параметра B₁ через таблицу натуральных логарифмов рассчитывают толщину утеплителя первого слоя по формуле:

Данные для расчета теплоизоляции.

₁ = d_из1 (B₁ - 1) / 2

Расчет толщины второго слоя выполняют с помощью того же уравнения, только теперь температура границы двух слоев t_1,2 выступает вместо температуры теплоносителя t_т:

ln B₂ = 2 [K(t_1,2 - t₀) / q_L - R_н]

Вычисления делаются аналогичным образом, и толщина второго теплоизоляционного слоя считается по той же формуле:

₂ = d_из2 (B₂ - 1) / 2

Такие непростые расчеты вести вручную очень затруднительно, при этом теряется много времени, ведь на протяжении всей трассы трубопровода его диаметры могут меняться несколько раз. Поэтому, чтобы сэкономить трудозатраты и время на вычисление толщины изоляции технологических и сетевых трубопроводов, рекомендуется пользоваться персональным компьютером и специализированным программным обеспечением. Если же таковое отсутствует, алгоритм расчета можно внести в программу Microsoft Exel, при этом быстро и успешно получать результаты.

Метод определения по заданной величине снижения температуры теплоносителя

Материалы для теплоизоляции труб по СНиП.

Задача такого рода часто ставится в том случае, если до конечного пункта назначения транспортируемая среда должна дойти по трубопроводам с определенной температурой. Поэтому определение толщины изоляции требуется произвести на заданную величину снижения температуры. Например, из пункта А теплоноситель выходит по трубе с температурой 150 C, а в пункт Б он должен быть доставлен с температурой не менее 100 C, перепад не должен превысить 50 C. Для такого расчета в формулы вводится длина l трубопровода в метрах.

Вначале следует найти полное сопротивление теплопередаче R_п всей теплоизоляции объекта. Параметр высчитывается двумя разными способами в зависимости от соблюдения следующего условия:

Если значение (t_т.нач - t_о) / (t_т.кон - t_о) больше или равно числу 2, то величину R_п рассчитывают по формуле:

R_п = 3.6Kl / GC ln [(t_т.нач - t_о) / (t_т.кон - t_о)]

В приведенных формулах:

• K - безразмерный коэффициент дополнительных потерь теплоты через крепежные элементы или опоры (Таблица 1);
• t_т.нач - начальная температура в градусах транспортируемой среды или теплоносителя;
• t_о - температура окружающей среды, C;
• t_т.кон - конечная температура в градусах транспортируемой среды;
• R_п - полное тепловое сопротивление изоляции, (м² C) /Вт
• l - протяженность трассы трубопровода, м;
• G - расход транспортируемой среды, кг/ч;
• С - удельная теплоемкость этой среды, кДж/(кг C).

Теплоизоляция стальной трубы из базальтового волокна.

В противном случае выражение (t_т.нач - t_о) / (t_т.кон - t_о) меньше числа 2, величина R_п высчитывается таким образом:

R_п = 3.6Kl [(t_т.нач - t_т.кон) / 2 - t_о ] : GC (t_т.нач - t_т.кон)

Обозначения параметров такие же, как и в предыдущей формуле. Найденное значение термического сопротивления R_п подставляют в уравнение:

ln B = 2 (R_п - R_н), где:

• - коэффициент теплопроводности утеплителя, Вт/(м C);
• R_н - сопротивление теплопередаче на наружной поверхности изоляции, (м² C) /Вт.

После чего находят числовое значение В и делают расчет изоляции по знакомой формуле:

= d_из (B - 1) / 2

В данной методике просчета изоляции трубопроводов температуру окружающей среды t_о следует принимать по средней температуре самой холодной пятидневки. Параметры К и R_н - по приведенным выше таблицам 1,2. Более развернутые таблицы для этих величин имеются в нормативной документации (СНиП 41-03-2003, Свод Правил 41-103-2000).

Метод определения по заданной температуре поверхности утепляющего слоя

Данное требование актуально на промышленных предприятиях, где различные трубопроводы проходят внутри помещений и цехов, в которых работают люди. В этом случае температура любой нагретой поверхности нормируется в соответствии с правилами охраны труда во избежание ожогов. Расчет толщины теплоизоляционной конструкции для труб диаметром свыше 2 м выполняется в соответствии с формулой:

Формула определения толщины теплоизоляции.

= (t_т - t_п) / (t_п - t₀), здесь:

• - коэффициент теплоотдачи, принимается по справочным таблицам, Вт/(м² C);
• t_п - нормируемая температура поверхности теплоизоляционного слоя, C;
• остальные параметры - как в предыдущих формулах.

Расчет толщины утеплителя цилиндрической поверхности производится с помощью уравнения:

ln B =(d_из + 2 ) / d_тр = 2 R_н (t_т - t_п) / (t_п - t₀)

Обозначения всех параметров как в предыдущих формулах. По алгоритму данный просчет схож с вычислением толщины утеплителя по заданному тепловому потоку. Поэтому дальше он выполняется точно так же, конечное значение толщины теплоизоляционного слоя находят так:

= d_из (B - 1) / 2

Предложенная методика имеет некоторую погрешность, хотя вполне допустима для предварительного определения параметров утепляющего слоя. Более точный расчет выполняется методом последовательных приближений с помощью персонального компьютера и специализированного программного обеспечения.

Соответствие параметров и материала утеплителя требованиям СНиП

Схема изоляции трубы скорлупой ППУ.

Расчет изоляции для технологических или сетевых трубопроводов по методу нормируемой плотности теплового потока предполагает, что его значение q_L известно. В таблицах и приложениях к СНиП 41-03-2003 приведены эти значения, как и величины коэффициента К дополнительных потерь. Следует правильно пользоваться этими таблицами, так как они составлены для объектов, находящихся в европейском регионе Российской Федерации. Для определения нормируемого теплового потока трубопроводов, строящихся в других регионах, его значение необходимо умножать на специально введенный для этого коэффициент. В приложении СНиП указаны величины этих коэффициентов для каждого региона с учетом способа прокладки трубопровода.

При выборе изоляции трубопроводов различного назначения нужно обращать внимание на материал, из которого она изготовлена. Нормативная документация регламентирует применение горючих материалов разных групп горючести. Например, теплоизоляционные изделия группы горючести Г3 и Г4 не допускается применять на объектах:

1. В наружном технологическом оборудовании, исключая те установки, которые стоят отдельно.
2. При совместной прокладке с другими трубопроводами, которые перемещают горючие газы или жидкости.
3. При общей прокладке в одном тоннеле или эстакаде с электрическими кабелями.
4. Запрещено применять такие утеплители на трубопроводах внутри зданий. Исключение - здания IV степени огнестойкости.

Прежде чем приступать к выполнению такого серьезного и непростого расчета, следует убедиться, что выбранный теплоизоляционный материал для труб соответствует всем требованиям нормативной документации применительно к данному объекту.

В противном случае вычисления придется производить несколько раз.