Свод правил по проектированию и строительству СП 41-103-2000 "Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов" (одобрен постановлением Госстроя РФ от 16 августа 2000 г. N 81)

2.2.1. Расчет тепловой изоляции по нормированной плотности теплового потока

Определение толщины изоляции по заданной потере тепла является наиболее распространенным случаем расчета тепловой изоляции. Расчет может производиться исходя из нормативных плотностей теплового потока (, ) и как завершающий этап более сложного расчета, в результате которого определяются тепловые потери, удовлетворяющие производственно-техническим и технологическим требованиям.

Для определения толщины однослойной плоской и цилиндрической поверхности с диаметром 2 м и более используется формула

(18)

Для цилиндрической поверхности диаметром менее 2 м предварительно из уравнения

(19)

определяют величину InВ, где ; при этом приближенные значения следует принимать по таблице 3.

Таблица 3

Ориентировочные значения

Затем находят величину В и определяют требуемую толщину изоляции по формуле

. (20)

При определении требуемой толщины двухслойной теплоизоляционной конструкции, которая обычно применяется тогда, когда температуростойкость основного изоляционного материала оказывается ниже температуры стенки изолируемого объекта и непосредственно на изолируемую поверхность укладывается предохранительный слой из более температуростойкого материала. Расчет производится следующим образом. Толщина первого предохранительного слоя определяется из условия, чтобы температура между обоими слоями не превышала максимальной температуры применения основного изоляционного материала.

Для плоской стенки и цилиндрических объектов с диаметром 2 м и более для расчета толщины первого слоя применяется формула

. (21)

Для второго слоя применяется формула (18), в которую вместо значения подставляется .

Для расчета цилиндрических объектов с диаметром менее 2 м - аналогично однослойной конструкции по уравнению

, (22)

в котором , где определяют величину lnB, затем находят и толщину первого слоя, м:

.

Толщина второго слоя определяется с помощью формулы (19), в которой вместо значения подставляется значение , а вместо

.

Определив , находят , а затем толщину изоляции второго слоя, м:

. (23)

Учитывая широкое применение в практике инженерных расчетов персональных компьютеров, для составления программы расчета требуемой толщины тепловой изоляции по нормированным тепловым потерям целесообразно использовать метод последовательных приближений, суть которого для случая однослойной цилиндрической теплоизоляции заключается в следующем.

Задаваясь начальным значением толщины изоляции , м, определяемой требуемой точностью расчета, производят с помощью последовательных шагов: 1, 2, 3, 4,..., i для толщины изоляции: ; ; ;... вычисление линейной плотности тепловых потоков ; ; ...; по уравнению

. (24)

На каждом шаге вычислений i производится сравнение с заданным значением нормативного удельного потока . При выполнении условия

(25)

вычисления заканчиваются, а найденная величина является искомой, обеспечивающей заданную величину тепловых потерь.

В качестве расчетных параметров, обусловливающих тепловое взаимодействие окружающей среды с теплоизоляционной конструкцией, при определении толщины изоляции по нормируемым тепловым потерям следует принимать:

температуру внутренней среды как среднюю за год температуру вещества в изолируемом объекте;

температуру наружной среды при расположении изолируемого объекта в помещении на основании технического задания на проектирование, при его отсутствии - равной 20°С; при расположении на открытом воздухе как среднюю за год температуру наружного воздуха;

коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности теплоизоляции при расположении изолируемого объекта в помещении, при расположении на открытом воздухе, при скорости ветра 10 м/с по таблице 2.

2.2.2. Расчет изоляции по заданной величине снижения (повышения) температуры вещества, транспортируемого трубопроводами

Требуемое полное термическое сопротивление изоляции трубопровода длиной l, м, для обеспечения заданного снижения температуры транспортируемого по нему вещества от начальной до конечной при расходе вещества G, кг/ч, теплоемкостью С, определяется из выражений:

при ; ; (26)

при ; , (27)

где - расчетная температура окружающей среды, °С.

Для определения требуемой толщины изоляции , м, по найденным значениям и используется формула

. (28)

Принимая приближенные значения по таблице 3 и определяя по формуле (28) InВ находят величину В и окончательно по формуле (20)

.

При расчете изоляции по заданной величине снижения (повышения) температуры транспортируемого вещества принимаются следующие значения параметров окружающей среды.

При размещении трубопровода в помещении: температура наружной среды 20 °С;

коэффициент теплоотдачи - по таблице 2.

При размещении на открытом воздухе - среднюю температуру наиболее холодной пятидневки.

2.2.3 Расчет изоляции по заданной температуре ее поверхности

Определение толщины изоляции по заданной температуре ее наружной поверхности производится в том случае, когда изоляция нужна как средство, предохраняющее обслуживающий персонал от ожогов. При этом температура на поверхности должна приниматься не более, °С:

для изолируемых объектов, расположенных в рабочей или обслуживаемой зоне помещений и содержащих вещества:

     температурой выше 100 °С.......................... 45

     температурой 100 °С и ниже ....................... 35

     температурой вспышки паров

     не выше 45 °С ................................... 35;

для изолируемых объектов, расположенных на открытом воздухе, в рабочей или обслуживаемой зоне, при:

     металлическом покровном слое .....................55

     для других видов покровного слоя .................60

Температура на поверхности тепловой изоляции трубопроводов, расположенных за пределами рабочей или обслуживаемой зоны, не должна превышать температурных пределов применения материалов покровного слоя, но не выше 75°С. Из условия равенства плотности тепловых потоков: кондуктивного, проходящего через слой изоляции , м, за счет разности температур , и конвективного, уходящего с наружной поверхности за счет разности , можно написать:

; (29)

. (30)

Из (29), (30) получим формулы для расчета толщины изоляции исходя из требуемой температуры поверхности:

для плоских теплоизоляционных конструкций

; (31)

для цилиндрических

, (32)

откуда, принимая по таблице 3 ориентировочное значение и определяя InВ, находим В, а затем

.

Рассмотренный метод является приближенным. Для более точных расчетов с применением ПК следует использовать метод последовательных приближений, рассмотренный в конце раздела 2.2.1. Расчетное уравнение в этом случае будет иметь вид

. (33)

Задаваясь начальным значением толщины изоляции , м, определяемым требуемой точностью расчета, например, 0,001 м, с помощью последовательных шагов: 1, 2, 3, ..., i для толщин изоляции: ; ; ;...; производим вычисление величин:

; ; ... ; по уравнению (33).

На каждом шаге вычислений i производится сравнение с заданным значением .

При выполнении условия

(34)

вычисления заканчиваются, а найденная величина является с точностью до 1 мм заданной, обеспечивающей требуемую температуру поверхности изоляции.

При расчете толщины изоляции по заданной температуре поверхности принимаются следующие расчетные параметры окружающей среды:

температура внутренней среды - по техническому заданию на проектирование;

температура наружной среды - как средняя максимальная наиболее жаркого месяца, при расположении изолируемого объекта на открытом воздухе, при расположении в помещении - 20°С;

коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности изоляции объекта, расположенного в помещении и на открытом воздухе, при покровном слое с малым коэффициентом излучения (см. примечания к таблице 2) - 6 , с большим - 11 .

2.2.4 Расчет толщины изоляции, предотвращающей конденсацию влаги из воздуха на ее поверхности

Данный расчет производится для изолированных объектов, расположенных в закрытых помещениях и содержащих вещества с температурой ниже температуры окружающего воздуха.

В этом случае изоляция должна обеспечивать требуемый расчетный перепад между температурами наружного воздуха и поверхностью изоляции , при котором исключается конденсация влаги из воздуха (таблица 4).

Таблица 4

Расчетный перепад , °С

По аналогии с формулами (28)-(31) можно написать:

; ; (35)

; ; (36)

Требуемая толщина изоляции для плоских конструкций определяется по формуле (34), для цилиндрических - по (35), по методике, изложенной в разделе 2.2.3.

В расчетах принимают:

температуру наружной среды равной температуре помещения;

температуру внутренней среды и относительную влажность воздуха в соответствии с техническим заданием на проектирование;

коэффициент теплоотдачи , для поверхностей с высоким коэффициентом излучения (см. примечания к таблице 2) - 7 , с малым - 4 .

2.3.1. Надземная прокладка

Тепловые потери через изолированную поверхность подающих и обратных трубопроводов тепловых сетей при надземной прокладке, при известной толщине изоляции , м, следует определять по формуле (17), а термические сопротивления, входящие в эту формулу, - по (6). В качестве температур внутренней и наружной сред и принимают расчетные температуры теплоносителя и окружающего воздуха, а коэффициент теплоотдачи - по таблице 2.

При определении толщины изоляции трубопроводов тепловых сетей по нормированным значениям плотности тепловых потоков от подающих и обратных теплопроводов используется методика расчетов, изложенная в разделе 2.2.1. При этом в качестве расчетных температур внутренней среды принимают среднегодовые температуры теплоносителя по таблице 5;

за расчетную температуру наружной среды при круглогодичной работе тепловой сети - среднегодовую температуру наружного воздуха, при работе только в отопительный период - среднюю за отопительный период. Расчетный коэффициент теплоотдачи - по таблице 2.

Таблица 5

Среднегодовые температуры теплоносителя в водяных тепловых сетях, °С

2.3.2. Подземная прокладка в непроходных каналах

Тепловые потери через изолированную поверхность двухтрубных тепловых сетей, прокладываемых в непроходном канале шириной b и высотой h, м, на глубине Н, м, от поверхности земли до оси канала определяются по формуле

, (37)

а температура воздуха в канале

, (38)

где ; (39)

;

;

; (40)

; (41)

, - линейные плотности теплового потока от подающего и обратного трубопроводов, Вт/м;

, - наружные диаметры подающего и обратного трубопроводов, м;

, - температуры подающего и обратного трубопроводов, °С;

К - коэффициент дополнительных потерь (таблица 1);

, - термические сопротивления изоляции подающего и обратного трубопроводов, ;

, - термические сопротивления теплоотдаче от поверхности изоляции подающего и обратного трубопроводов, ;

- термическое сопротивление теплоотдаче от воздуха к поверхности канала, ;

- коэффициент теплоотдачи в канале, принимается равным 11 ;

- теплопроводность изоляции в конструкции, ;

, - толщины изоляции подающего и обратного трубопроводов, м;

- термическое сопротивление грунта, , определяется по формуле

; (42)

Для определения толщины изоляции подающего и обратного трубопроводов по заданной, нормированной линейной плотности потока и , Вт/м, предварительно определяют по ним температуру воздуха в канале по формуле

. (43)

Таблица 6

Теплопроводность грунта

Затем вычисляются для каждого трубопровода величины и по формулам:

; (44)

, (45)

в которых приближенные значения и принимаются по таблице 3.

Определяя по таблице натуральных логарифмов и , по формуле (20) вычисляют значения толщин изоляции ; , обеспечивающих требуемые нормативные потери тепла.

При расчете изоляции двухтрубных канальных прокладок тепловых сетей в качестве температур внутренней среды принимают среднегодовые температуры теплоносителя в подающих и обратных трубопроводах по таблице 5.

За расчетную температуру наружной среды принимают среднюю за год температуру грунта на глубине заложения трубопровода. При расстоянии от поверхности грунта до перекрытия канала 0,7 м и менее за расчетную температуру наружной среды должна приниматься та же температура наружного воздуха, что и при надземной прокладке.

2.3.3. Подземная бесканальная прокладка

Тепловые потери двухтрубных тепловых сетей при бесканальной прокладке, расположенных в грунте на одинаковом расстоянии от поверхности до оси труб Н, м, определяются по формулам:

; (46)

; (47)

где - термическое сопротивление грунта при бесканальной прокладке, , определяется по формуле

, (48)

где d - наружный диаметр труб, м; подающей - , обратной - ;

- теплопроводность грунта, ;

Н - глубина заложения - расстояние от оси труб до поверхности земли, м,

- термическое сопротивление, обусловленное тепловым взаимодействием двух труб, , определяется из выражения

, (49)

в котором - расстояние между осями труб по горизонтали, м.

Остальные значения величин в (46), (47) те же, что и в формуле (39) для канальной прокладки.

Формулы для расчета толщины изоляции бесканальных теплопроводов по нормированной плотности тепловых потоков имеют вид:

; (50)

; (51)

Определив с помощью (50), (51) значения и , толщины изоляции вычисляют так же, как и для канальной прокладки в разделе 2.3.2.

Параметры теплоносителя и наружной среды для расчета изоляции трубопроводов бесканальной прокладки принимаются такими же, как и для канальной.