Теплоизоляция установлена почти на каждой системе трубопроводов и на большей части заводского оборудования на объектах электроэнергетики. Он не только экономит энергию, но и защищает рабочих, снижает уровень шума, помогает защититься от замерзания и т. д. Однако определить наиболее экономичное решение для теплоизоляции может быть сложно. Выполнение нескольких расчетов может помочь обеспечить достаточную защиту систем и персонала при оптимизации переменных процесса. За покупкой и установкой труб и цилиндров теплоизоляционных вы можете обратиться в Минватку.
Теплоизоляция в основном используется для ограничения потерь тепла от горячих поверхностей и притока тепла от холодных поверхностей. Кроме того, теплоизоляция также служит для обеспечения контроля конденсации (запотевания), защиты персонала, защиты от замерзания, противопожарной защиты, контроля шума и управления технологическими процессами.
В этой статье объясняются основные расчеты, связанные с проектированием теплоизоляции для горячих и холодных труб, включая расчеты температуры поверхности и защиты от замерзания. Также представлены оценки экономии энергии и конкретные требования к холодоизоляции и кожуху.
Основные расчеты теплопередачи
Тепловые потоки в направлении температурного градиента и отношения, управляющие тепловым потоком, зависят от того, происходит ли передача тепла теплопроводностью, конвекцией или излучением. Эти механизмы теплопередачи обсуждаются ниже с указанием источников уравнений, таких как Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE).
Кондуктивный теплообмен через плоскую пластину. Основное уравнение для кондуктивных потерь или притока тепла через плоскую плиту задается следующим уравнением, которое можно найти в справочнике ASHRAE 2013: Fundamentals, IP Edition :
Q = кх А х (Т 1 – Т 2 ) / Х
где Q — потери или прирост тепла (БТЕ/час); k – теплопроводность (БТЕ-дюйм/час-фут 2 -F); A – площадь теплового потока (фут 2 ); T 1 – T 2 – разность температур (F); X — толщина материала (дюймы).
Кондуктивный теплообмен через полый цилиндр. Основное уравнение для кондуктивных потерь или притока тепла через полый цилиндр, также найденное в справочнике ASHRAE 2013 года, аналогично с небольшим изменением значений X и A, как показано ниже:
Q = kx A 2 x (T 1 – T 2 ) / (r 2 x ln (r 2 / r 1 ))
где Q — потери или прирост тепла (БТЕ/час); k – теплопроводность (БТЕ-дюйм/час-фут 2 -F); T 1 – T 2 – разность температур (F); A 2 – площадь внешней поверхности (фут 2 ); r 2 — радиус внешней поверхности (дюймы); r 1 — радиус внутренней поверхности (дюймы).
Приведенные выше уравнения для потерь и притока тепла через плоскую плиту и полый цилиндр основаны только на кондуктивной передаче тепла. Однако передача тепла от поверхности к окружающей среде включает в себя также конвекцию и излучение. Это показано в приведенном ниже уравнении для теплопередачи через изолированную трубу.
Суммарная теплопередача через изолированную трубу. Основное уравнение теплопередачи для тепловых потерь, основанное на теплопроводности через металлическую трубу и изоляцию, а также конвекции во внутренней пленке жидкости и воздушной пленке на внешней поверхности изоляции, дается следующим образом и получено из Справочного руководства по машиностроению для экзамена PE, 12th Издание , написанное Майклом Р. Линдебургом.
Конвективный теплообмен и лучистый теплообмен с наружной поверхности изолированной трубы. Коэффициент конвективной теплопередачи и коэффициент лучистой теплопередачи определяют потери или поступления тепла от внешней поверхности изоляции (или трубы, если она не изолирована) в окружающую атмосферу.
Коэффициент конвективной теплопередачи (h c ) для пленки наружного воздуха можно рассчитать несколькими методами. Наиболее распространенным методом является использование корреляции с участием безразмерных чисел в уравнении Нуссельта.
Экономия энергии за счет изоляции. Ожидается, что потери тепла в неподвижном воздухе из голой горячей трубы при разнице температур в диапазоне от 300 до 450°F составят около 1000–2000 БТЕ/час-фут 2 . За счет изоляции такой трубы теплопотери могут быть снижены до приемлемого уровня около 100 БТЕ/час-фут 2 .
Желаемый прирост тепла в холодном трубопроводе (за исключением охлажденной воды) обычно ограничивается примерно 10 БТЕ/час-фут 2 в зависимости от затрат на энергию, в то время как для охлажденной воды используются несколько более высокие значения (около 40 БТЕ/час-фут 2 ). Если холодоизоляция отвечает этим требованиям, вполне вероятно, что это также в большинстве случаев предотвратит образование конденсата на поверхности. Поверхностная конденсация будет предотвращена до тех пор, пока температура поверхности остается выше температуры точки росы.
Расчет температуры поверхности. В дополнение к минимизации потерь или притока тепла теплоизоляция выполняет несколько других полезных функций. Одной из таких функций является ограничение температуры поверхности. В случае горячей изоляции температура поверхности должна быть ограничена ниже 140F (или более предпочтительно 125F) для защиты персонала от потенциально необратимых травм.
В случае холодной изоляции температура поверхности должна быть значительно выше точки росы окружающей среды, если необходимо ограничить или замедлить образование конденсата на поверхности.
Температуру поверхности можно рассчитать, рассматривая установившийся энергетический баланс. Для горячей изоляции тепловой поток через изоляцию равен тепловому потоку от внешней поверхности изоляции в окружающий воздух. Для холодной изоляции тепловой поток от окружающей среды к внешней поверхности изоляции равен тепловому потоку через изоляцию.
Толщина (X) изоляции, необходимая для достижения желаемой температуры поверхности, может быть определена из следующего энергетического баланса, где h — комбинированный коэффициент конвективной и лучистой теплопередачи.
Изоляция для защиты трубопроводов от замерзания. В холодную погоду трубопроводы, подвергающиеся воздействию низких температур, подвержены замерзанию. Использование изоляции может увеличить время замерзания, но труба в условиях отсутствия потока в конечном итоге достигнет точки замерзания. В таких случаях можно использовать электрообогрев плюс изоляцию для предотвращения замерзания труб даже в течение продолжительных периодов времени в условиях отсутствия потока при отрицательных температурах.
Потери тепла через изоляцию необходимо компенсировать за счет добавления тепла с помощью ленты или элементов электрообогрева. Типичная мощность маломощных тепловых лент составляет от 3 Вт на погонный фут до 10 Вт на погонный фут. Нагревательные кабели являются саморегулирующимися, их выходная мощность изменяется в зависимости от температуры. Увеличение толщины изоляции может снизить нагрузку на обогреватель. Тем не менее, наступает момент, когда дополнительная изоляция становится нерентабельной.
В случае проточных трубопроводов тепло постоянно добавляется за счет притока более теплой жидкости, и в большинстве случаев замерзание не является проблемой. Тем не менее, жидкость может достигать потенциально проблематичной низкой температуры, если длина трубы велика или любое падение температуры процесса является недопустимым.
В дополнение к приведенному выше уравнению для определения времени замерзания ASHRAE предоставляет таблицы, показывающие толщину изоляции для различных размеров труб и время охлаждения стоячей воды до замерзания. Таблицы основаны на исходной температуре воды 42°F при температуре окружающей среды –18°F и использовании изоляции с теплопроводностью 0, 025 БТЕ/час-фут-F. Для случаев с проточной водой в таблицах также показан массовый расход воды на единицу длины открытой трубы для предотвращения замерзания при исходной температуре воды 42°F. В случае, если становится невозможным избежать замерзания только с помощью изоляции, используется электрообогрев, чтобы компенсировать потери тепла через изоляцию.