Расчет тепловой изоляции трубопровода.

Теплообмен между поверхностью трубопровода и окружающим воздухом в производственном помещении (в цехе), в котором проложен трубопровод, происходит конвективным способом при свободном движении воздуха вдоль поверхности трубопровода. Такой вид теплообмена называется свободной конвекцией, когда движение воздуха обуславливается разностью плотностей нагретых и холодных его слоев, а движущей силой при этом выступает сила земного притяжения.

В соответствии с законом Ньютона-Рихмана количество переданного тепла пропорционально поверхности тела и разности температур поверхности и жидкости (температурному напору).

Для рассматриваемого случая теплообмена плотность воздуха и подъемная сила определяются температурным напором, а зона распространения процесса – поверхностью исследуемой трубы. Таким образом, теплоотдача тела определяется, в первую очередь, разностью температур тела и окружающей среды, т.е. температурным напором.

Как известно, процесс теплообмена при свободном движении жидкости зависит от режима ее движения около тепловоспринимающей (теплоотдающей) поверхности.

Применительно к теплообмену на горизонтальных трубах этот процесс имеет ряд особенностей. На нижней половине периметра трубы вследствие увеличения толщины ламинарной пленки, коэффициент теплоотдачи уменьшается. Это происходит до тех пор, пока увеличение толщины пленки не приводит к ее срыву, разрушению и началу турбулизации среды. Турбулизация, в свою очередь, ведет к увеличению коэффициента теплоотдачи до некоторого значения, которое в дальнейшем остается постоянным.

В зависимости от диаметра трубы переход от ламинарного режима к турбулентному происходит по разному. При диаметре горизонтальной трубы 20÷ 50 мм, ламинарный характер потока сохраняется до некоторой высоты над поверхностью трубы, после чего начинается турбулентный режим движения. При большом диаметре горизонтальных труб (200÷ 300 мм) ламинарное движение среды переходит в турбулентное еще до верхней кромки трубы. Имеющие аналитические решения задачи конвективного теплообмена при свободном движении среды выполнено при целом ряде упрощающих предпосылок и мало соответствует действительным условиям протекания процесса. Поэтому на практике широко используется экспериментальный метод с привлечением теории подобия.

 

 

Требуемое суммарное термическое сопротивление изоляции трубопровода:

SR = (t_ст – t_в) / q, м К/Вт (37)

где q - удельные потери тепла трубопровода (аппарата), которые определяются по формуле:

q = α _в (t_п.сл. – t_в) π d_п.сл. , (38)

α _в - коэффициент теплоотдачи от трубопровода к воздуху;

t_п.сл. - температура покровного слоя.

Критериальное уравнение, описывающее конвективный теплообмен при свободном движении воздуха в неограниченном пространстве, имеет вид

,

(39)

где Nu – критерий Нуссельта

,

(40)

Gr – критерий Грасгофа

,

(41)

Pr – критерий Прандтля выбрать из таблицы 3.3 или рассчитать по формуле:

,

(42)

В аналитические выражения критериев теплообмена (40 – 42) входят следующие физические величины:

a_в –коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²× К);

d_псл – определяющий размер (диаметр покровного слоя изоляции трубы), м;

l_в –коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м× К);

b = 1/T_погр –коэффициент объемного расширения, 1/K; (43)

– определяющая температура (температура пограничного слоя), K; (44)

Т_псл и Т_в –температуры покровного слоя изоляции трубы и воздуха в помещении, К;

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

– температурный напор, С; (45)

a –коэффициент температуропроводности воздуха, м²/с;

ν – кинематическая вязкость воздуха, м²/с;

Значение физических параметров, входящих в выражения критериев теплообмена, принимаются по температуре пограничного слоя ( ) из Таблицы 3.3.

ВНИМАНИЕ: при выборе параметров l, а и ν × из Таблицы 3.3. надо учитывать, что приведенные значения этих величин умножены на 10 в соответствующей степени, и в расчетах числа необходимо умножать на 10 в отрицательных степенях, т.е. на 10^-2, 10^-6.

Коэффициент теплоотдачи от трубопровода к воздуху определяется из уравнения (40). Критерий Нуссельта определяется из критериального уравнения для свободной конвекции (39).

Значения коэффициентов С и n, входящих в уравнение (39), определяются в зависимости от режима движения из Таблицы 3.4. Режим движения в пограничном слое определяется по значению произведения критериев Грасгофа и Прандтля.

Требуемое термическое сопротивление изоляции:

R_из = SR - (R_п.сл+ R_н ), (46)

где R_п.сл. - термическое сопротивление покровного (защитного) слоя:

R_п.сл. = ln (d _п.сл. / d _из.) / (2π λ _п.сл.); (47)

R_н - термическое сопротивление переходу теплоты от поверхности конструкции к воздуху,

R_н =1 / (π d_п.сл.α _в.); (48)

λ _п.сл. - коэффициент теплопроводности покровного слоя;

d_п.сл., d _из - наружный диаметр покровного слоя изоляции и наружный диаметр изоляции,

d_п.сл.= d_из.+2δ _п.сл., (49)

δ _п.сл. - толщина покровного слоя.

Значение наружного диаметра изоляции d_из. предварительно задается и уточняется последовательным приближением при δ _п.сл = const.

Таблица 3.3 – Физические параметры сухого воздуха

 

t, º C	r, кг/м3	l× 102, Вт/(м× К)	а× 102, м2/ч	ν × 106, м2/с	Pr
	1, 247	2, 51	20, 0	14, 16	0, 705
	1, 206	2, 59	21, 4	15, 06	0, 703
	1, 165	2, 67	22, 9	16, 00	0, 701
	1, 123	2, 76	24, 3	16, 96	0, 699
	1, 093	2, 83	25, 7	17, 95	0, 698
	1, 060	2, 90	26, 2	18, 97	0, 696
	1, 029	2, 96	28, 6	20, 02	0, 694
	1, 00	3, 05	30, 2	21, 09	0, 692
	0, 972	3, 13	31, 9	22, 10	0, 690
	0, 946	3, 21	33, 6	23, 13	0, 688
	0, 896	3, 34	36, 8	25, 45	0, 686
	0, 854	3, 49	40, 3	27, 80	0, 684
	0, 815	3, 64	43, 9	30, 09	0, 682

 

Таблица 3.4

Gr*Pr	Режим движения	с	n
1, 0 * 10-3 - 5, 0 * 102	ламинарный	1, 18	1/8
5, 0 * 102 - 2, 0 * 107	переходный	0, 54	1/4
2, 0 * 107 - 1, 0 * 1013	турбулентный	0, 135	1/3

 

Необходимая толщина изоляции трубопровода (аппарата) определяется по формуле:

 

(50)

 

где λ _из - коэффициент теплопроводности изоляции;

d_н - наружный диаметр трубопровода (аппарата).

Полученный результат округляется до ближайшего целого значения, кратного 10 мм.

Определяют наружный диаметр изоляции и покровного слоя, по которым затем уточняют фактическое термическое сопротивление:

SR_ф= R_из +R_п.сл +R_н, (51)

R_из = 1 / (2π λ _из ) * ln (d_из / d_н ) (52)

Уточняют величину удельных теплопотерь из уравнения (53) и температуру наружной поверхности изоляции из уравнения (38), считая α _в = const.

(53)

Температура покровного слоя не должна превышать 40 ^oC и не должна быть менее 30 ^oC.

Считается, что материал изоляции выбран правильно, если удовлетворяются два условия:

1. d_из > d_кр = (2λ _из) / α _в. (54)

2. λ _из < (α _в d_из) / 2. (55)

 

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Выбор и описание тепловой схемы котельной
2. Допустимые сопротивления основной изоляции и вторичных обмоток
3. ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО КАБЕЛЯ
4. Какая должна быть, как правило, длительность приложения полного испытательного напряжения для изолирующих средств защиты до 1000 В и для изоляции из эластичных материалов и фарфора?
5. Материалы к занятию «Способы сохранения тепловой энергии в помещении»
6. Неверное определение причины снижения сопротивления изоляции обмотки ротора, и принятие неверного решения по устранению дефекта.
7. Описание природной ур-генерации мощности, тепловой и световой энергия
8. Описание тепловой схемы производственно-отопительной котельной.
9. Основные правила монтажа теплоизоляции
10. Перегревание, тепловой и солнечный удары
11. Перечень обозначений к расчёту тепловой схемы.
12. Перечень операций по тепловой обработке продуктов