Расчет теплоизоляции трубопровода

 

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

.Исходные данные

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА

2.1Потери теплоты в теплотрассах

.2Конвективная теплоотдача при поперечном обтекании цилиндра

.3Конвективная теплоотдача при течении жидкости в трубе

.4Коэффициент теплопередачи многослойной цилиндрической стенки

.РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

.1Расчет допустимых теплопотерь трубопровода

.2Расчет конвективного коэффициента теплоотдачи при обтекании цилиндра

.3Расчет конвективного коэффициента теплоотдачи при течении жидкости в трубе

.4 Расчет коэффициента теплопередачи

.5Определение толщины теплоизоляции

.5.1Графический метод

.5.2Нормативный метод

ВЫВОДЫ

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Теплопередача - это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи.

Конве?кция (от лат. convectio - принесение, доставка) - явление переноса теплоты в жидкостях или газах путем перемешивания самого вещества (неважно, вынужденно или самопроизвольно). Переноса тепла конвекцией без теплопроводности не бывает. Сначала более нагретое тело должно отдать тепло перевозчику. Затем он должен увезти полученный кусок тепловой энергии.

Существует естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции, нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают вверх, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и погружаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. Различают ламинарную и турбулентную конвекцию.

Тепловое излучение - один из трёх элементарных видов переноса тепла (теплопроводность, конвекция, излучение), которое осуществляется при помощи электромагнитных волн.

В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда).

Наружные тепловые сети прокладывают, как правило, в земле (в проходных, полупроходных и непроходных каналах, бесканально), открыто (на кронштейнах по стенам строений, на бетонных, железобетонных и металлических опорах, на отдельных конструкциях мостов при переходах через железнодорожные пути и водные преграды) и дюкером. Тепловые сети, проходящие по подвалам или по техническим подпольям, т. е. внутри зданий, именуются также наружными сетями, поскольку соединяют, как указывалось выше, источник тепла с тепловыми пунктами, в которых устанавливаются элеваторные и тепловые узлы, подогреватели и прочие устройства, распределяющие тепло.

Известно, что защита труб, трубопроводов применяется в промышленном и в жилом строительстве. Для защиты трубопроводов применяются высококачественные материалы, которые ощутимо продлевают срок службы трубопроводов и экономят энергию. Надежная изоляция труб может производиться с разными целями. Иногда изоляция труб производится, чтобы предотвратить повреждения трубы, иногда чтобы избежать коррозии, если труба металлическая. А порой - с целью сохранения температуры среды, которая передается по трубопроводу.

Существуют различные методы изоляции. Для изоляции от механических повреждений труба попросту помещается во внутрь другой трубы большего диаметра, которая выполняет роль защитной оболочки. Трубоизоляция может быть выполнена из другого материала, например, полиэтилена. Если изоляция труб производится при помощи пенонолиуритана, который также представляет из себя трубу-чехол, то такая изоляция может выполнять сразу два вида защиты - теплоизоляция и изоляция от механических повреждений. Самая сложная изоляция труб вообще - это антикоррозийная изоляция. Она бывает из экструдированного полиэтилена или цементно-песчаной. Иногда в качестве односторонней изоляции применяются различные прокладки, например, безканальная или надземная. Таким образом, назначений у изоляции труб очень много, так же как и способов применения в современном строительстве.

Быстрый рост строительства в городах привел к значительному расширению систем централизованного теплоснабжения жилых, культурных и других зданий и помещений. Изолированные трубы стали все чаще эксплуатироваться в системе теплоснабжения. В целях обеспечения бесперебойной эксплуатации отопительных сетей и сетей обеспечения объектов горячей водой, применяют трубы со специализированными изоляционными покрытиями, которые способны увеличивать эксплуатационный срок систем теплообеспечения до 30-40 лет.

Сегодня также осуществляется изоляция газовых и печных труб. Кроме того, современные технологии позволяют производить изоляцию восстановленных труб, также несоответствующей продукции и мышиных фибробластов. Осуществляется изоляция зон поглощения скважинными перекрывателями, изоляция стыков.

При изоляции труб используют различного рода материалы в зависимости от их назначения. Еще одним материалом, обладающим универсальной сферой применения, является битум. Изоляция труб битумом - очень популярна на сегодняшний день. Битум с давних пор является одним из наиболее известных и важных строительных материалов. Благодаря своим адгезионным и гидрофобным свойствам он находит широкое применение в дорожном строительстве, изготовлении кровельных материалов, при строительстве фундаментов зданий и сооружений, а также при прокладке трубопроводов. Материал битум представляет собой чрезвычайно сложную смесь углеводородов и гетероорганических соединений разнообразного строения, не выкипающую при высоких температурах. Основными характеристиками данного материала являются: пенетрация (глубина проникания иглы в битум), температура размягчения и хрупкости, дуктильность (растяжимость). Некоторые показатели определяют как для исходного битума, так и для битума после прогрева, который имитирует процесс старения. Изоляционные битумы используют для изоляции трубопроводов с целью защиты их от коррозии.

Немаловажную роль играет изоляция оцинкованным металлом. Им осуществляется утепление наружных трубопроводов. Оцинкованный металл имеет устойчивые механические, химические и эстетические свойства, не уступающие европейским аналогам.

Какой же должна быть современная эффективная теплоизоляция трубопроводов? Прежде всего, определим конкретные функции теплогидроизолирующего покрытия:

уменьшение потерь тепла в трубопроводах горячего водоснабжения, отопления и т. п.;

предотвращение конденсации влаги в изоляторе и на поверхности труб;

обеспечение заданной температуры на поверхности изоляции (по требованиям безопасности);

предотвращение замерзания воды при остановке ее движения в зимнее время;

увеличение срока службы трубопроводов за счет замедления коррозии металла.

В зависимости от диаметра изолируемых труб используются жесткие формованные изделия (цилиндры, полуцилиндры) или рулонные мягкие изоляторы (маты).

Для изоляции труб небольшого диаметра подходят цилиндры, полуцилиндры или сегменты из полимерных или минераловатных теплоизолирующих материалов. Они обеспечивают весьма высокое термосопротивление, имеют низкое водопоглощение, высокую механическую прочность и точные геометрические размеры. Как правило, цилиндры и полуцилиндры снабжаются «замками», обеспечивающими удобный и быстрый монтаж на трубах.

Обычно потери тепловой энергии в теплотрассах не должны превышать 5-7%. Но фактически они могут достигать величины в 25% и выше!

В данной работе будет рассчитана толщина теплоизоляции трубопровода горячей воды для отопления.

Данные о плотности, кинематической вязкости, коэффициенты сопротивлений, эквивалентная абсолютная шероховатость были взяты из приложений книги Ф.Ф.Цветков, Б.А.Григорьев «Тепломассообмен»

В ходе расчета тепломассообмена будут рассчитаны потери тепла в окружающую среду.

. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

длина трубопровода 2300 м., диаметр трубопровода 250 мм.;

температура воды: на входе в трубопровод 100°C, на выходе из трубопровода 90°C;

расход воды 70 кг/с, давление воды в трубопроводе 0.42 МПа;

температура окружающей среды минус 15°C, средняя скорость ветра 9.5 м/с, трубопровод ориентирован под углом 40о к вектору скорости;

коэффициент теплопроводности изоляционного материала 0.036 Вт/м×К.

. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчет допустимых теплопотерь трубопровода

Q=cр??(tвх-tвых)

где ср- теплоемкость воды, 4,19 кДж/(кг?К) при t=10ºC табл. П.З.[2]

?- массовый расход, кг/с

tвх- температура воды на входе в трубопровод, ºС

tвых- температура воды на выходе из трубопровода, ºС

Для расчета потерь тепла в окружающую среду используют формулу:

Где q - тепловой поток на единицу длины, t1- температура воды; t2 - температура воздуха окружающей среды; d1- внутренний диаметр трубы,?1-коэффициент теплоотдачи от воды к стенке, ?1-теплопроводность стали, d2 - наружный диаметр трубы, ?2 - коэффициент теплоотдачи от наружной стенки к окружающей среде.

Коэффициент теплоотдачи ?1, входящий в уравнение, характеризует интенсивность теплоотдачи. Его можно найти из формулы:

;

Число Нуссельта Nu характеризует интенсивность теплообмена на границе твердое тело - жидкость.

?ж-теплопроводность Вт/м?К(справочная величина)

d-определяющий линейный размер. При течении жидкости в круглых трубах за определяющий размер принимают внутренний диаметр трубы. При поперечном обтекании цилиндра под углом ? за определяющий диаметр принимают наружный диаметр d2.

.2 При течении жидкости в трубе

В первую очередь необходимо определить режим течения воды. Как говорилось выше, определяющим критерием режима течения является число Рейнольдса:

Скорость течения жидкости W в трубе определяем из формулы для расхода:

=?ws

где W - скорость движения жидкости или ветра, м/с

Для расчета теплоотдачи в случае турбулентного потока внутри труб и каналов рекомендуют следующую формулу Михеева [2, стр.271]:

Для расчета теплоотдачи в случае ламинарного потока внутри труб и каналов рекомендуют следующую формулу:

- число Грасгофа учитывает действие в потоке жидкости термогравитационной силы;

Pr- число Прандтля характеризует собой механизм и способность распространения теплоты(справочная величина);

2.3 Расчет теплоотдачи при обтекании цилиндра

Если Re<103 режим движения ламинарный

Если Re>103 режим движения турбулентный

Если угол атаки ? менее 900, то коэффициент теплоотдачи

? =Nu???

?? =(sin?)1/2

. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Определение допустимых потерь тепла в окружающую среду

=cр??(tвх-tвых)= 4,2?70?(100-90)=2940кДж/с

3.2 Расчет коэффициента теплоотдачи при течении жидкости в трубе

Для определения режима течения на первом участке рассчитаем число Рейнольдса:

G=?ws

где G- массовый расход воды, кг/с

S-площадь живого сечения, м2

?- плотность воды, кг/м3

Re1>Reкр=2320, следовательно режим течения турбулентный.

Pr=1,85 при температуре воды 950С.

принимаем равным 1.

3.3 Расчет коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании цилиндра

?в=(sin40)1/2=0.8

3.4 Рассчитываем коэффициент теплопередачи

где ? - толщина изоляционного слоя, м.

Q=к?L?S(tср-tн)

где Sн- наружная площадь трубы, м2

=2300 м длина трубопровода.

3.5 Определение толщины изоляции

1=14,5?2300?110?0,86=3661кВт

Q2=11,7?2300?110?0,86=2544кВт

Q3=8?2300?110?0,86=1741 кВт

Q4=7,2?2300?110?0,86=1564кВт

Результаты расчетов заносим в таблицу.

1234Толщина изоляции ?, м0.0010,0020,0030,004Q, кВт3661254417411564

По полученным данным строим график зависимости теплопотерь от толщины изоляции.

Расчет тепловой изоляции по СП 41-103-2000

,

где ?из- коэффициент теплопроводности основного слоя, Вт/(м?ºС);

?R- термическое сопротивление изоляционной конструкции, (м?ºС) /Вт.

,

где ?ср- расчетная средняя температура теплоносителя, ºС;

t0- расчетная температура окружающей среды, ºС;

qн- норма потерь теплоты, Вт/м, принимаемая по табл. 4.16[1]

dн- наружный диаметр теплопровода, м.

Заключение

В данной курсовой работе была рассчитана толщина теплоизоляции трубопровода проложенного на открытом воздухе, обдуваемого ветром. Допустимые потери теплоты трубопроводом в окружающую среду Q=2940 кДж/c.

Значение конвективного коэффициента теплоотдачи при течении в трубе;

?1=4570,8 Вт/м2?К.

Значение конвективного коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании;

?2=24,3 Вт/м2?К

Значение потерь теплоты трубой покрытой слоем тепловой изоляции с коэффициентом теплопроводности ?из=0,036 Вт/(м·К)

при1мм Q=3661кВт

при2мм Q=2544кВт

при3мм Q=1741кВт

при4мм Q=1564кВт

При сравнении значений к видно, что коэффициент теплопередачи от поверхности тепловой изоляции, имеющей коэффициент теплопроводности ?из=0,036 Вт/(м·К), будет меньше, чем от поверхности оголенной чистой трубы. Следовательно, теплопотери будут меньше.

Теплоизоляционными считаются те материалы, коэффициент теплопроводности которых ? ? 0,2 Вт/(м·оС).

Толщина изоляции для трубопровода при моих условиях составила 1,8 мм, а если рассчитывать по нормативу она составляет 54мм.

Список литературы

1.Хрусталев Б.М., Кувшинов Ю.Я., Копко В.М. Теплоснабжение и вентиляция М.: Изд-во АСВ, 2005.-576 с., 129ил.

2.Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен М.: Издательский дом МЭИ, 2006.- 550 с.

.Кутателадзе С. С., Боришанский В. М. Справочник по теплопередаче. - М.: Гостехиздат, 1959.- 414 С.

.Казанцев Е. И. Промышленные печи. - М.: Металлургия, 1975.- 368 С.

.Миснар В. Д. Теплопроводность твёрдых тел, газов и жидкостей. - М.: Наука, 1973. - 445 с.

.Исаченко В. П. Теплопередача. - М.: Энергия, 1969. - 439 С.

.Ривкин С. Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. - М.: Энергия, 1980. - 80 С.

.Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. - М.: Мир, 1983. - 511С.

. Орлов М.Е. Тепломассообмен М.: УлГТУ, 2005. 138 с.

. Свод правил по проектированию и строительству СП 41-103-2000 "Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов"

Содержание ВВЕДЕНИЕ .Исходные данные 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА 2.1Потери теплоты в теплотрассах .2Конвективная теплоотдача при поперечн

Больше работ по теме: