Розрахунок товщини теплової ізоляції трубопроводів

Технологічні трубопроводи підприємств і систем життєзабезпечення населених пунктів транспортують різні середовища з різними параметрами. Ці параметри, зокрема, температура, повинні зберігатися незалежно від впливу умов навколишнього середовища, а для цього необхідна теплоізоляція. Її товщину визначає розрахунок, який базується на вимогах нормативних документів.

Характеристики прокладки мереж і нормативної методики обчислень

Виконання обчислень за визначенням товщини теплоізоляційного шару циліндричних поверхонь - процес досить трудомісткий і складний. Якщо ви не готові довірити його фахівцям, слід запастися увагою і терпінням для отримання вірного результату. Найпоширеніший спосіб розрахунку теплоізоляції труб - це обчислення по нормативними показниками теплових втрат. Справа в тому, що СНиПом встановлені величини втрат тепла трубопроводами різних діаметрів і при різних способах їх прокладки:

• відкритим способом на вулиці;
• відкрито в приміщенні або тунелі;
• безканальним способом;
• в непрохідних каналах.

Суть розрахунку полягає в підборі теплоізоляційного матеріалу і його товщини таким чином, щоб величина теплових втрат не перевищувала значень, прописаних у СНіП. Методика обчислень також регламентується нормативними документами, а саме - відповідним Зводом Правил. Останній пропонує кілька більш спрощену методику, ніж більшість існуючих технічних довідників. Спрощення укладені в таких моментах:

1. Втрати теплоти при нагріванні стінок труби транспортується в ній середовищем мізерно малі в порівнянні з втратами, які губляться в шарі зовнішнього утеплювача. З цієї причини їх допускається не враховувати.
2. Переважна більшість всіх технологічних і мережевих трубопроводів виготовлено зі сталі, її опір теплопередачі надзвичайно низька. Особливо якщо порівнювати з тим же показником утеплювача. Тому опір теплопередачі металевої стінки труби рекомендується до уваги не брати.

Методика прорахунку одношарової теплоізоляційної конструкції

Основна формула розрахунку теплової ізоляції трубопроводів показує залежність між величиною потоку тепла від діючої труби, покритої шаром утеплювача, і його товщиною. Формула застосовується в тому випадку, якщо діаметр труби менше ніж 2 м:

ln B = 2 [K (t_т - t_про) / Q_L - R_н]

У цій формулі:

• - коефіцієнт теплопровідності утеплювача, Вт / (м C);
• K - безрозмірний коефіцієнт додаткових втрат теплоти через кріпильні елементи або опори, деякі значення K можна взяти з Таблиці 1;
• t_т - температура в градусах середовища, що транспортується або теплоносія;
• t_про - температура зовнішнього повітря, C;
• q_L - величина теплового потоку, Вт / м²;
• R_н - опір теплопередачі на зовнішній поверхні ізоляції, (м² C) / Вт.

Таблиця 1

Умови прокладки труби	Значення коефіцієнта К
Сталеві трубопроводи відкрито по вулиці, по каналах, тунелях, відкрито в приміщеннях на ковзних опорах при діаметрі умовного проходу до 150 мм.	1.2
Сталеві трубопроводи відкрито по вулиці, по каналах, тунелях, відкрито в приміщеннях на ковзних опорах при діаметрі умовного проходу 150 мм і більше.	1.15
Сталеві трубопроводи відкрито по вулиці, по каналах, тунелях, відкрито в приміщеннях на підвісних опорах.	1.05
Неметалеві трубопроводи, прокладені на підвісних або ковзають опорах.	1.7
Безканальні спосіб прокладки.	1.15

Значення теплопровідності утеплювача є довідковим, в залежності від обраного теплоізоляційного матеріалу. Температуру транспортованої середовища t_т рекомендується приймати як середню протягом року, а зовнішнього повітря t_про як середньорічну. Якщо ізолюючий трубопровід проходить в приміщенні, то температура зовнішнього середовища задається технічним завданням на проектування, а при його відсутності приймається рівною + 20 ° С. Показник опору теплообміну на поверхні теплоізоляційної конструкції R_н для умов прокладки по вулиці можна брати з Таблиці 2.

Таблиця 2

Rн,(м2 C) / Вт	DN32	DN40	DN50	DN100	DN125	DN150	DN200	DN250	DN300	DN350	DN400	DN500	DN600	DN700
tт = 100 C	0.12	0.10	0.09	0.07	0.05	0.05	0.04	0.03	0.03	0.03	0.02	0.02	0.017	0.015
tт = 300 C	0.09	0.07	0.06	0.05	0.04	0.04	0.03	0.03	0.02	0.02	0.02	0.02	0.015	0.013
tт = 500 C	0.07	0.05	0.04	0.04	0.03	0.03	0.03	0.02	0.02	0.02	0.02	0.016	0.014	0.012

Примітка: величину R_н при проміжних значеннях температури теплоносія обчислюють методом інтерполяції. Якщо ж показник температури нижче 100 C, величину R_н приймають як для 100 C.

Показник У слід розраховувати окремо:

B = (d_з + 2 ) / d_тр, тут:

• d_з - зовнішній діаметр теплоізоляційної конструкції, м;
• d_тр - зовнішній діаметр захищається труби, м;
• - товщина теплоізоляційної конструкції, м.

Обчислення товщини ізоляції трубопроводів починають з визначення показника ln B, підставивши в формулу значення зовнішніх діаметрів труби і теплоізоляційної конструкції, а також товщини шару, після чого по таблиці натуральних логарифмів знаходять параметр ln B. Його підставляють в основну формулу разом з показником нормованого теплового потоку q_L і роблять розрахунок. Тобто товщина теплоізоляції трубопроводу повинна бути такою, щоб права і ліва частина рівняння стали тотожні. Це значення товщини і слід приймати для подальшої розробки.

Розглянутий метод обчислень ставився до трубопроводів, діаметр яких менше 2 м. Для труб більшого діаметра розрахунок ізоляції дещо простіше і проводиться як для плоскої поверхні і за іншою формулою:

= [K (t_т - t_про) / Q_F - R_н]

У цій формулі:

• - товщина теплоізоляційної конструкції, м;
• q_F - величина нормованого теплового потоку, Вт / м²;
• інші параметри - як в розрахунковій формулі для циліндричної поверхні.

Методика прорахунку багатошарової теплоізоляційної конструкції

Деякі переміщувані середовища мають досить високу температуру, яка передається зовнішньої поверхні металевої труби практично незмінною. При виборі матеріалу для теплової ізоляції такого обєкта стикаються з такою проблемою: не кожен матеріал здатний витримати високу температуру, наприклад, 500-600 C. Вироби, здатні контактувати з такою гарячою поверхнею, в свою чергу, не володіють досить високими теплоізоляційними властивостями, і товщина конструкції вийде неприйнятно великий. Рішення - застосувати два шари з різних матеріалів, кожен з яких виконує свою функцію: перший шар захищає гарячу поверхню від другого, а той захищає трубопровід від впливу низької температури зовнішнього повітря. Головна умова такої термічної захисту полягає в тому, щоб температура на кордоні шарів t_1,2 була прийнятною для матеріалу зовнішнього ізоляційного покриття.

Для розрахунку товщини ізоляції першого шару використовується формула, вже приводиться вище:

= [K (t_т - t_про) / Q_F - R_н]

Другий шар розраховують по цій же формулі, підставляючи замість значення температури поверхні трубопроводу t_т температуру на кордоні двох теплоізоляційних шарів t_1,2. Для обчислення товщини першого шару утеплювача циліндричних поверхонь труб діаметром менше 2 м застосовується формула такого ж виду, як і для одношарової конструкції:

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

Підставивши замість температури навколишнього середовища величину нагріву кордону двох шарів t_1,2 і нормоване значення щільності потоку тепла q_L, знаходять величину ln B₁. Після визначення числового значення параметра B₁ через таблицю натуральних логарифмів розраховують товщину утеплювача першого шару за формулою:

₁ = d_із1 (B₁ - 1) / 2

Розрахунок товщини другого шару виконують за допомогою того ж рівняння, тільки тепер температура кордону двох шарів t_1,2 виступає замість температури теплоносія t_т:

ln B₂ = 2 [K (t_1,2 - t₀) / Q_L - R_н]

Обчислення робляться аналогічним чином, і товщина другого теплоізоляційного шару вважається за тією ж формулою:

₂ = d_із2 (B₂ - 1) / 2

Такі непрості розрахунки вести вручну дуже важко, при цьому втрачається багато часу, адже протягом всієї траси трубопроводу його діаметри можуть змінюватися кілька разів. Тому, щоб заощадити трудовитрати і час на обчислення товщини ізоляції технологічних і мережевих трубопроводів, рекомендується користуватися персональним компютером і спеціалізованим програмним забезпеченням. Якщо ж таке відсутнє, алгоритм розрахунку можна внести в програму Microsoft Exel, при цьому швидко і успішно отримувати результати.

Метод визначення за заданою величиною зниження температури теплоносія

Завдання такого роду часто ставиться в тому випадку, якщо до кінцевого пункту призначення транспортується середовище має дійти по трубопроводах з певною температурою. Тому визначення товщини ізоляції потрібно зробити на задану величину зниження температури. Наприклад, з пункту А теплоносій виходить по трубі з температурою 150 C, а в пункт Б він повинен бути доставлений з температурою не менше 100 C, перепад не повинен перевищити 50 C. Для такого розрахунку в формули вводиться довжина l трубопроводу в метрах.

Спочатку слід знайти повний опір теплопередачі R_п всій теплоізоляції обєкта. Параметр вираховується двома різними способами в залежності від дотримання наступного умови:

Якщо значення (t_т.нач - t_про) / (T_т.кон - t_про) Більше або дорівнює числу 2, то величину R_п розраховують за формулою:

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

У наведених формулах:

• K - безрозмірний коефіцієнт додаткових втрат теплоти через кріпильні елементи або опори (Таблиця 1);
• t_т.нач - початкова температура в градусах середовища, що транспортується або теплоносія;
• t_про - температура навколишнього середовища, C;
• t_т.кон - кінцева температура в градусах середовища, що транспортується;
• R_п - повне теплове опір ізоляції, (м² C) / Вт
• l - довжина траси трубопроводу, м;
• G - витрата середовища, що транспортується, кг / год;
• С - питома теплоємність цього середовища, кДж / (кг C).

В іншому випадку вираз (t_т.нач - t_про) / (T_т.кон - t_про) Менше числа 2, величина R_п вираховується таким чином:

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

Позначення параметрів такі ж, як і в попередній формулі. Знайдене значення термічного опору R_п підставляють в рівняння:

ln B = 2 (R_п - R_н), Де:

• - коефіцієнт теплопровідності утеплювача, Вт / (м C);
• R_н - опір теплопередачі на зовнішній поверхні ізоляції, (м² C) / Вт.

Після чого знаходять числове значення В і роблять розрахунок ізоляції по знайомій формулою:

= d_з (B - 1) / 2

У даній методиці прорахунку ізоляції трубопроводів температуру навколишнього середовища t_про слід приймати по середній температурі найхолоднішою пятиденки. Параметри До і R_н - за наведеними вище таблицями 1,2. Більш розгорнуті таблиці для цих величин є в нормативній документації (будівельні норми 41-03-2003, Звід Правил 41-103-2000).

Метод визначення по заданій температурі поверхні шару, що утеплює

Дана вимога актуально на промислових підприємствах, де різні трубопроводи проходять всередині приміщень і цехів, в яких працюють люди. У цьому випадку температура будь нагрітої поверхні нормується відповідно до правил охорони праці, щоб уникнути опіків. Розрахунок товщини теплоізоляційної конструкції для труб діаметром понад 2 м виконується відповідно до формули:

= (t_т - t_п) / (t_п - t₀), Тут:

• - коефіцієнт тепловіддачі, приймається за довідковими таблицями, Вт / (м² C);
• t_п - нормована температура поверхні теплоізоляційного шару, C;
• інші параметри - як в попередніх формулах.

Розрахунок товщини утеплювача циліндричної поверхні проводиться за допомогою рівняння:

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

Позначення всіх параметрів як в попередніх формулах. За алгоритмом даний прорахунок схожий з обчисленням товщини утеплювача по заданому тепловому потоку. Тому далі він виконується точно так само, кінцеве значення товщини теплоізоляційного шару знаходять так:

= d_з (B - 1) / 2

Запропонована методика має деяку похибка, хоча цілком допустима для попереднього визначення параметрів шару, що утеплює. Більш точний розрахунок виконується методом послідовних наближень за допомогою персонального компютера і спеціалізованого програмного забезпечення.

Відповідність параметрів і матеріалу утеплювача вимогам СНиП

Розрахунок ізоляції для технологічних або мережевих трубопроводів за методом нормованої щільності теплового потоку передбачає, що його значення q_L відомо. У таблицях і додатках до СНиП 41-03-2003 наведені ці значення, як і величини коефіцієнта До додаткових втрат. Слід правильно користуватися цими таблицями, так як вони складені для обєктів, що перебувають в європейському регіоні Російської Федерації. Для визначення нормованого теплового потоку трубопроводів, що будуються в інших регіонах, його значення необхідно множити на спеціально введений для цього коефіцієнт. У додатку СНиП вказані величини цих коефіцієнтів для кожного регіону з урахуванням способу прокладки трубопроводу.

При виборі ізоляції трубопроводів різного призначення потрібно звертати увагу на матеріал, з якого вона виготовлена. Нормативна документація регламентує застосування горючих матеріалів різних груп горючості. Наприклад, теплоізоляційні вироби групи горючості Г3 та Г4 не можуть застосовуватись на обєктах:

1. У зовнішньому технологічному обладнанні, виключаючи ті установки, які стоять окремо.
2. При спільному прокладанні з іншими трубопроводами, які переміщують горючі гази або рідини.
3. При загальній прокладці в одному тунелі або естакаді з електричними кабелями.
4. Заборонено застосовувати такі утеплювачі на трубопроводах усередині будівель. Виняток - будівлі IV ступеня вогнестійкості.

Перш ніж приступати до виконання такого серйозного і непростого розрахунку, слід переконатися, що обраний теплоізоляційний матеріал для труб відповідає всім вимогам нормативної документації стосовно даному обєкту.

В іншому випадку обчислення доведеться виробляти кілька разів.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!