Тема 8. Расчёт тепловой изоляции

Задача № 36

Рассчитать тепловую изоляцию паропровода идущего от редукционно-охладительной установки 100/30 атм. энергоблока к турбинному приводу компрессора для перекачки пиролизного газа нефтехимического завода.

Дано:

- температура пара в трубопроводе t = 400 ⁰C;

- внутренний диаметр трубопровода d_в = 0,3 м;

- толщина стенки трубопровода = 0,01 м;

- материал трубопровода – Ст 20;

- протяжённость трубопровода = 100 м;

- материал тепловой изоляции – минеральная вата;

- температура воздуха в производственном помещении t_пом = 25 ⁰С;

Требуется определить:

- общие и результирующие тепловые потери изолированного паропровода Q, Q_рез, Вт;

- удельные тепловые потери q, Вт/м₂;

- толщину слоя тепловой изоляции , мм;

- температуру наружной поверхности изоляции t_нп, ⁰С и сравнить её с нормированным значением;

- критический диаметр тепловой изоляции d_кр, мм.

Решение:

1. Общие тепловые потери через стенку трубопровода и тепловую изоляцию определяются по формуле:

, Вт (1)

где t, t – температура пара в трубопроводе и воздуха в производственном помещении;

R₁ – термическое сопротивление теплоотдачи от пара к внутренней стенке трубы, ;

R₂ – термическое сопротивление теплопроводности стенки трубопровода, ;

R₃ – термическое сопротивление теплопроводности тепловой изоляции, ;

R₄ – термическое сопротивление теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к воздуху, .

Рисунок 1 Схема потери тепла через стенку трубопровода 1 и тепловую изоляцию 2

Q – общие потери тепла через стенку трубы и изоляцию;

- коэффициент теплоотдачи от пара в трубе к внутренней стенке, ;

- коэффициент теплопроводности материала трубы, ;

- коэффициент теплопроводности материала изоляции, ;

- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к воздуху в помещении, ;

- толщина стенки трубы и тепловой изоляции.

2. Термическое сопротивление теплоотдачи от пара к внутренней стенке трубопровода

, (2)

где = 200 - коэффициент теплоотдачи от пара к внутренней стенке трубопровода – принимаем ^*)

^*) Порядок величины для различных условий теплообмена лежит в пределах

[9,с 13]:

- вода в трубах, t = 20 ÷ 90⁰C = 800÷900;

- вода в трубах с избыточным давлением при t > 100 ⁰C = 3000÷4000;

- кипящие растворы в трубах при t = 150 ÷ 500⁰C = 100÷500;

- конденсация пара, кипение воды = 10000÷20000;

- нефтепродукты в трубах = 200÷300

F_в = - площадь внутренней поверхности трубопровода, м²

F_в = м²

Подставляем полученные выражения в формулу (2)

3. Термическое сопротивление теплопроводности стенки трубопровода.

(3)

где = 42.7 - коэффициент теплопроводности материала Ст 20 при t = 400 ⁰C

[П, Табл.18]

F_с = - площадь серединной внутренней поверхности трубопровода, м²

F_с = м²

Подставляем полученные значения в формулу (3)

4. Термическое сопротивление теплопроводности тепловой изоляции.

(4)

где = 160 мм = 0,16 м – толщина слоя изоляции, принимаем предварительно

[П, Табл.20]

- коэффициент теплопроводности минеральной ваты [П, Табл.3]

= - площадь серединной поверхности слоя изоляции. м²

= м²

Подставляем полученные значения в формулу (4)

5. Термическое сопротивление теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к воздуху в производственном помещении.

(5)

где - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции определяется:

- для трубопроводов по формуле:

- для сосудов по формуле:

Здесь ∆t = t_из – t_ном – разность температур.

t_из = 41⁰С – температура наружной поверхности изоляции, принимаем предварительно

[П, Табл.20]

t_ном = 25 ⁰С – температура воздуха в помещении

∆t = 41 – 25 = 16 ⁰С

В нашем случае

F_н = - площадь наружной поверхности изоляции, м²

= м²

Подставляем полученные значения в формулу (5)

6. Полное термическое сопротивление теплообмену ,

7. Общие тепловые потери изолированного паропровода Вт

8. Результирующие тепловые потери с учётом потерь через неизолированные участки трубопровода (опоры, подвески, арматура)

Q_рез = Q · К_п, Вт

где К_п = 1,2 – коэффициент потерь тепла [10, с 319]

Q_рез = 19338 · 1,2 = 23205,6 Вт

9. Удельные (поверхностные) потери тепла,

q =

10. Толщина слоя тепловой изоляции паропровода определяется по формуле:

, м

м

мм

11. Температура наружной поверхности тепловой изоляции.

, ⁰С

⁰С

Выводы:

1. Полученная в результате расчетов толщина тепловой изоляции мм сравнена с предварительно принятой величиной равной 160 мм. (Перерасчёт не требуется).

2. Температура наружной поверхности изоляции ⁰С, выполненной из минеральной ваты, ниже допустимого значения ⁰С. Таким образом, устраняется возможность термических ожогов от паропровода, уменьшается интенсивность тепловых излучений и улучшаются условия работы обслуживающего персонала.

3. Удельные тепловые потери через изоляцию равные q = . Составляет 36% от предельно допустимого значения q = для соответствующего трубопровода.

[П, Табл.19]

12. Определение критического диаметра изоляции [15, с. 269]

, м

, м. или мм.

Отсюда следует: так как наружный диаметр паропровода равный 300 мм больше критического диаметра изоляции > , то тепловая изоляция, выполненная из минеральной ваты, становится эффективной и снижает тепловые потери при любой толщине слоя изоляции, см. Рисунок 2, кривая

Рисунок 2. Зависимость тепловых потерь от диаметра изоляции.

d – тепловые потери при < ;

- тепловые потери при > ;

Q_г – потери тепла голой трубы.

Литература: [9, с. 13; 10, с. 319-322; 15, с. 269]

Задача № 37

Корпус теплообменного аппарата, (ректификатора) выполненный из стали, покрыт снаружи тепловой изоляцией из шлаковой ваты толщиной 50 мм. В теплообменнике циркулирует жидкость с температурой 120⁰ С. Найти температуры на наружной поверхности стенки аппарата и тепловой изоляции

Дано:

- температура жидкости t₁ = 120 ⁰C;

- температура воздуха в помещении t_в = 15 ⁰C;

- толщина стенки аппарата мм;

- толщина слоя изоляции мм;

- коэффициент теплоотдачи со стороны жидкости ;

- коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха ;

- коэффициент теплопроводности стали ;

- коэффициент теплопроводности шлаковой ваты .

Решение:

1. Температура на наружной поверхности стенки теплообменника t₂ определится по формуле:

, ⁰С

- термическое сопротивление теплопроводности стенки

- термическое сопротивление теплоотдачи к воздуху.

Тогда ⁰С.

2. Температура на поверхности тепловой изоляции определится из выражения:

, ⁰С

- термическое сопротивление слоя тепловой изоляции.

Тогда ⁰С

Литература: [9, с 13; 15, с 266]