8.3. ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ И КРИТИЧЕСКАЯ ТОЛЩИНА СЛОЯ ИЗОЛЯЦИИ

Для снижения теплопередачи через конструкции, согласно (8.2) и (8.7), необходимо увеличить тер­мическое сопротивление системы, что достигается путем нанесения на стенку слоя тепловой изоляции. Теплоизоляционными называют материалы, коэффициент теплопроводности которых при температуре +50..Л00 °С меньше 0,23 Вт/(м • К). К ним относят: шлаковую вату, совелит, вермекулит, асбест и др. При выборе изоляции необходимо учитывать механические свойства, способность поглощать влагу, выдерживать высокую температуру.

На рис. 8.2 показана схема двухслойной (с изоляцией) и однослойной (без изоляции) цилиндриче­ской стенки. Длина L цилиндрической стенки с теплоизоляцией II, а без нее - I.

Горячая жидкость (внутри трубы) имеет температуру Tf 1 и коэффициент теплоотдачи а1, а холодная жидкость (окружающая среда) - температуру Tf 2 и коэффициент теплоотдачи а2. Коэффициенты тепло­проводности материала стенки и изоляции соответственно равны - Хм и Хиз. Диаметры двухслойной ци­линдрической стенки - d1, d2 и d3, а толщина слоя теплоизоляции - 8из. Соответственно имеем соотно­шения: d3 = d2 + 28из или d3 - d2 = 28из.

Хм


и однослойной стенки без изоляции

Теплопередача и термические сопротивления цилиндрических систем в зоне II и I определяются по известным формулам:

В полученной формуле приведем к общему знаменателю последние два слагаемых и с учетом этого получим разность термических сопротивлений

Из соотношения (8.15) следует, что разность термических сопротивлений изолированной и голой трубы может быть со знаком (+) или (-). Это означает, что изолированная труба при определенных фи­зических условиях может терять теплоты меньше или больше, чем в этих условиях теряет голая труба. При больших значениях произведения а2 d3 d2 наложение изоляции способствует уменьшению потерь

теплоты. И наоборот, при малых значениях произведения а2 d3 d2 наложение изоляции приводит к уве­личению потерь теплоты по сравнению с неизолированной трубой.

В действительности диаметр d3 всегда больше d2, комплекс А и Б изменяется от нуля до бесконеч­ности, а значения толщины изоляции 8из, диаметров d3 и d2 оказывают влияние на изменение и комплек­са А, и комплекса Б. На рис. 8.3 приближенно показан характер изменения комплексов А и Б в зависи­мости от толщины слоя изоляции 8из.

Как видно из рис. 8.3, в области М(от нуля до N) наблюдается превосходство комплекса Б над ком­плексом А. В области N разность А и Б проходит через нулевое значение, после чего наблюдается пре­восходство (до бесконечности) комплекса А над комплексом Б. Найти значение толщины изоляционно­го слоя, соответствующего области N, можно, приравняв выражение (8.15) к нулю.

Очевидно, что для снижения тепловых потерь нужно, чтобы термическое сопротивление R\\ изоли­рованного трубопровода было выше, чем неизолированного Ri, т.е. должно выполнятьcя неравенства AR > 0 или А > Б. Подставляя (8.15) в неравенство (AR > 0) и решая его относительно значения Хиз, d2 и а2 получим:

Хиз < а2 d2 / 2.

(8.16)

Если коэффициент теплопроводности применяемой изоляции Хиз удовлетворяет неравенству (8.16), то материал выбран правильно и изоляция рентабельная. Если условие (8.16) не выполнено, и выбран материал теплоизоляции с Хиз > а2 d2 / 2, то при его нанесении на трубопровод тепловые потери будут не снижаться, а наоборот, увеличиваться.

А і Б

Рис. 8.3. Характер изменения комплексов А и Б цилиндрических слоев в зависимости от толщины слоя изоляции 8из

При неправильном выборе материала изоляции, с А,*из, наибольшие тепловые потери имеют место при значении диаметра изоляции

=      =     = 2 XL /а2. (8.17)

Соотношение (8.17) называют «критическим диаметром» тепловой изоляции, а получить его можно путем дифференцирования выражения (8.15) по dj^ и приравнивая производную к нулю.

«Критический диаметр» тепловой изоляции должен быть как можно меньше и поэтому в каче­стве теплоизолятора должен использоваться материал, имеющий минимальное значение коэффициента теплопроводности Хиз. Однако теплоизоляция с малым значением коэффициента теплопроводности обычно имеет высокую стоимость. Поэтому для снижения теплопередачи через конструкции часто ис­пользуют менее эффективную и дешевую изоляцию, а ее качество компенсируют увеличением толщи­ны слоя 8из. Это неэкономично, так как при определенной толщине слоя недорогой и малоэффективной теплоизоляции потери теплоты достигнут максимума и лишь при еще более толстом слое изоляции

начнут постепенно снижаться. Изолирование объекта (трубопровода) таким материалом следует счи­тать нерентабельным, а изоляцию с более толстым слоем - абсурдным.

Кроме того, из выражения (8.17) видно, что «критический диаметр» тепловой изоляции сущест­вует как бы вне влияния оголенной (изолируемой) трубы и его диаметра d2, так как определяется только коэффициентами теплопроводности изоляции Хиз и теплоотдачи а2. Это положение не всегда и не сразу воспринимается и поэтому вместо понятия «критический диаметр» для тех же целей можно использо­вать понятие «критическая толщина слоя» - d^,, которая должна быть связана с диаметром d2 неизоли­рованной трубы и коэффициентом теплоотдачи а2.

Очевидно, что если диаметр оголенной трубы d2 будет меньше «критической толщины слоя» d^, данной изоляции, то такая изоляция нерентабельна. Если же диаметр оголенной трубы d2 равен или больше критической толщины слоя d^, данной изоляции, то такая изоляция рентабельна. Причем, чем больше диаметр трубы d2, тем больше теплоизоляционных материалов, которые будут рентабельны для нее.

Наоборот, для труб малого диаметра труднее найти рентабельную изоляцию. Трубы очень малых диаметров, отдающие теплоту к спокойному воздуху (при естественной конвекции), лучше совсем не изолировать. Одна и та же теплоизоляция может быть рентабельной для труб диаметром d2, и оказаться совершенно нерентабельной для труб меньшего диаметра d2*. Поэтому для расчетов всегда необходимо сравнивать d2 и d^,.

Рассмотрим пример нанесения возможно предлагаемой изоляции с коэффициентом теплопроводно­сти Хиз = 0,2 Вт/(м • К) на неизолированный трубопровод с внешним диаметром d2 = 0,025 м при коэф­фициенте теплоотдачи системы в окружающую среду а2 = 8 Вт/(м2 • К).

Используя выражение (8.16), имеем:

а2 d2)/2 = 0,025 • 8/2 = 0,1 Вт/(м • К).

Так как коэффициент теплопроводности предлагаемой теплоизоляции Хиз = 0,2 Вт/(м • К) больше, чем а2 d2)/2 = 0,1 Вт/(м • К), то условие (8.16) не выполнено и использовать такую изоляцию неце­лесообразно. В этом случае необходимо использовать другие теплоизоляционные материалы (с рента­бельной изоляцией), для которых Хиз < 0,1 Вт/(м • К).

«Критическая толщина слоя» тепловой изоляции, согласно (8.17):

= 2Хиз/а2 = 2 • 0,2/8 = 0,05 м.

Таким образом, весь сортамент неизолированных труб с диаметром до 0,05 м и нанесение на них предлагаемой изоляции с коэффициентом теплопроводности Хиз = 0,2 Вт/(м • К) будет нерентабельно. Причем, наибольшие тепловые потери таких (с диаметром до 0,05 м) изолированных труб имеют место при значении наружного диаметра изоляции      = 0,05 м.

Например, изолированная труба с диаметром оголенной трубы d2 = 0,025 м будет иметь наиболь­шие тепловые потери при толщине изоляции 8из = (d^ - d2)/2 = (0,05 - 0,025)/2 = 0,0125 м, а с внешним диаметром оголенной трубы d2 = 0,02 м: 8из = (0,05 - 0,02)/2 = 0,015 м.

Очевидно, что если диаметр d2 используемых неизолированных труб будет равен или больше кри­тической толщины слоя = 0,05 м, то предлагаемая изоляция с Хиз = 0,2 Вт/(м • К) будет всегда рента­бельна при любой толщине слоя изоляции.

Толщина рентабельной тепловой изоляции 8из определяется по формулам стационарной теплопере­дачи для цилиндрической системы, исходя из требуемой или допустимой температуры на наружном, поверхностном слое изоляции. В тепловых и теплогенерирующих установках эта температура опреде­лена из условий техники безопасности и равна 50.. .60 °С.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я