Вход
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)
-
Приложение А. Расчетные технические характеристики теплоизоляционных материалов и изделий
-
Приложение Б. Толщина тепловой изоляции технологического оборудования и трубопроводов
-
Приложение В. Толщина изоляции двухтрубных тепловых сетей при надземной прокладке на открытом воздухе, в помещениях и подвалах зданий
-
Приложение Г. Толщина изоляции двухтрубных тепловых сетей при подземной прокладке в непроходных каналах и бесканально
1. Область применения
Настоящий Свод правил следует применять при проектировании и монтаже тепловой изоляции наружной поверхности оборудования и трубопроводов с температурой содержащихся в них веществ от 50 до 600°С и расположенных в зданиях, сооружениях и на открытом воздухе, а также трубопроводов тепловых сетей при надземной прокладке и подземной, выполненной в каналах и бесканально.
2. Расчет тепловой изоляции промышленного оборудования, трубопроводов и тепловых сетей
ГАРАНТ:
См. также СП 41-105-2002 "Проектирование и строительство тепловых сетей бесканальной прокладки из стальных труб с индустриальной тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке", одобренный постановлением Госстроя РФ от 26 декабря 2002 г. N 168
2.1. Основные расчетные зависимости для определения теплозащитных свойств теплоизоляционных конструкций
Для теплового расчета изоляции используются уравнения стационарной теплопередачи через плоские и криволинейные поверхности.
Теплопередача плоской теплоизоляционной конструкции рассчитывается по формулам: состоящей из n слоев изоляции
; (1)
плоской однослойной
; (2)
криволинейной n-слойной
; (3)
криволинейной однослойной
, (4)
где - поверхностная плотность теплового потока через плоскую теплоизоляционную конструкцию,
;
- температура среды внутри изолируемого оборудования, °С;
- температура окружающей среды, °С;
- термическое сопротивление теплоотдаче на внутренней поверхности стенки изолируемого объекта,
;
- то же, на наружной поверхности теплоизоляции,
;
- термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты стенки изолируемого объекта,
;
- то же, плоского слоя изоляции,
;
- полное термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты n-слойной плоской изоляции;
- термическое сопротивление i-го слоя,
;
- линейная плотность теплового потока через цилиндрическую теплоизоляционную конструкцию, Вт/м;
- линейное термическое сопротивление теплоотдаче внутренней стенки изолируемого объекта,
;
- то же, наружной изоляции,
;
- линейное термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты цилиндрической стенки изолируемого объекта,
;
- то же, цилиндрического слоя изоляции,
;
- полное линейное термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты n-cлойной цилиндрической изоляции;
- линейное термическое сопротивление i-го слоя,
.
В уравнениях (1)-(4) термические сопротивления теплоотдаче и кондуктивному переносу теплоты определяются по формулам:
;
;
;
;
; (5)
;
;
; (6)
;
, (7)
где ,
- коэффициенты теплоотдачи внутренней поверхности стенки изолируемого объекта и наружной поверхности изоляции, Вт /(
°С);
,
,
- коэффициенты теплопроводности соответственно материала стенки изолируемого объекта однослойной изоляции, изоляции i-го слоя n-слойной изоляции,
;
,
,
- толщина соответственно стенки изолируемого объекта, однослойной изоляции i-го слоя n-слойной изоляции, м;
,
- внутренний и наружный диаметры стенки изолируемого объекта, м;
- наружный диаметр изоляции, м;
,
- наружный и внутренний диаметры i-го слоя n-слойной изоляции, м.
Распределение температур в многослойной изоляции рассчитывается по формулам:
температуры на внутренней и наружной поверхностях стенки изолируемого объекта плоской фирмы:
;
; (8)
температура на наружной поверхности первого слоя изоляции, на границе 1-го и 2-го слоев
; (9)
и далее, начиная со 2-го слоя, на границах (i-1)-го и i-го слоев
; (10)
температура на наружной поверхности i-слоя n-слойной стенки:
. (11)
Для цилиндрических многослойных изоляционных конструкций структура формул для расчета распределения температур имеет вид:
;
; (12)
; (13)
; (14)
. (15)
Значения поверхностной и линейной плотности тепловых потоков, входящих в формулы (8)-(15), определяются по (1)-(3), а термические сопротивления - по (5)-(7).
При применении формул (1), (3) необходимо знать коэффициенты теплопроводности изоляционных слоев. Поскольку они зависят от температуры, должны быть известны средние температуры каждого слоя, для определения которых необходимо знать температуры на границах слоев. Для их расчета обычно используется метод последовательных приближений путем проведения нескольких расчетных операций.
На первом этапе, принимая для всех слоев среднюю температуру изоляции обычно равную полусумме температур внутренней и наружной среды, находят при этой температуре теплопроводность всех теплоизоляционных слоев. Затем, по (1), (3) определяют значения или
и по (8)-(11) для плоской и по (12)-(15) цилиндрической стенок рассчитывают температуры на границах слоев и средние температуры каждого слоя.
На втором этапе по найденным на первом этапе средним температурам слоев вновь определяют теплопроводность всех слоев, затем находят плотности потоков тепла и снова рассчитывают послойные температуры, и так далее до требуемой точности расчета. Например, до тех пор, пока послойные температуры на k-м и (k-1)-м шаге будут отличаться не более чем на 5%. Обычно для этой цели необходимо проведение не более 3-4 расчетных операций.
Значительное место в промышленной изоляции занимают теплоизоляционные конструкции подземных сооружений, основной особенностью которых является контакт с массивом окружающего грунта, что в значительной степени усложняет их тепловой расчет по сравнению с конструкциями, контактирующими с атмосферой.
Анализ температурных полей и тепловых потоков в теплоизоляционных конструкциях и в граничащих с ними грунтом позволил заключить, что непосредственно в теплоизоляции с достаточной для инженерных расчетов точностью температурное поле можно считать одномерным. Это позволит определить их термическое сопротивление по формулам (5)-(7).
Плотность теплового потока через теплоизоляционные конструкции, граничащие с грунтом, определяется в этом случае по формулам (1)-(4), в которых термические сопротивления внешней теплоотдаче и
заменяются термическим сопротивлением грунта, зависящим от конфигурации изолируемого объекта, расположения его в массиве грунта и теплопроводности последнего.
2.2. Расчет тепловой изоляции трубопроводов и оборудования
Расчет тепловых потерь через изолированную поверхность оборудования и трубопроводов в общем случае следует выполнять для плоских поверхностей по формулам (1), (2), а для криволинейных по формулам (3), (4). Однако анализ особенностей теплообмена в теплоизоляционных конструкциях промышленных объектов позволяет существенно упростить расчетные формулы.
Термическое сопротивление теплоотдаче от внутренней среды к внутренней поверхности стенки изолируемого объекта для жидких и даже газообразных сред по сравнению с термическим сопротивлением кондуктивному переносу теплоты в изоляции составляет весьма незначительную величину и может не учитываться.
Исключение составляет весьма редкий случай, когда внутри объекта находится газовая среда и теплообмен между ней и внутренней поверхностью стенки осуществляется за счет естественной конвекции.
Стенки изолируемого промышленного оборудования и трубопроводов обычно изготовлены из металла, теплопроводность которого в 100 раз и более превышает теплопроводность изоляции, вследствие этого термическим сопротивлением стенки без заметного снижения точности расчета можно пренебречь.
Таким образом, основными расчетными формулами для определения тепловых потерь изолируемого оборудования являются:
для плоских поверхностей и криволинейных диаметром более 2 м
; (16)
для трубопроводов диаметром менее 2 м
, (17)
где K - коэффициент дополнительных потерь, учитывающий теплопотери через теплопроводные включения в теплоизоляционных конструкциях, обусловленных наличием в них крепежных деталей и опор (таблица 1).
Таблица 1
Значения коэффициента дополнительных потерь К
| Способ прокладки трубопроводов | Коэффициент К |
| На открытом воздухе, в непроходных каналах, тоннелях и помещениях: для стальных трубопроводов на подвижных опорах, условным проходом, мм: до 150 150 и более на подвесных опорах для неметаллических трубопроводов на подвижных и подвесных опорах Бесканальная |
1,2 1,15 1,05 1,7 1,15 |
Термическое сопротивление кондуктивному переносу слоев изоляции и внешней теплоотдаче в (16), (17) определяется по формулам (5), (6), в которых теплопроводность изоляции принимается по приложению А, а коэффициент теплоотдачи на поверхности изоляции - по таблице 2.
Таблица 2
Значения коэффициента теплоотдачи ,
| Изолированный объект |
В закрытом помещении | На открытом воздухе при скорости ветра ***, м/с |
|||
| Покрытия с малым коэффицие- нтом излучения* |
Покрытия с высоким коэффици- ентом излучения ** |
||||
| 5 | 10 | 15 | |||
| Горизонтальные трубопроводы |
7 | 10 | 20 | 26 | 35 |
| Вертикальные трубопроводы, оборудование, плоская стенка |
8 | 12 | 26 | 35 | 52 |
| * К ним относятся кожухи из оцинкованной стали, листов алюминиевых сплавов и алюминия с оксидной пленкой. ** К ним относятся штукатурки, асбестоцементные покрытия, стеклопластики, различные окраски (кроме краски с алюминиевой пудрой). *** При отсутствии сведений о скорости ветра принимают значения, соответствующие скорости 10 м/с. |
|||||
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
| Услов- ный диаметр трубы, мм |
Внутри помещений | На открытом воздухе | |||||||
| Для поверхностей с малым коэффициентом излучения |
Для поверхностей с высоким коэффициентом излучения |
||||||||
| при температуре теплоносителя, °С | |||||||||
| 100 | 300 | 500 | 100 | 300 | 500 | 100 | 300 | 500 | |
| 32 40 50 100 125 150 200 250 300 350 400 500 600 700 800 900 1000 2000 |
0,50 0,45 0,40 0,25 0,21 0,18 0,16 0,13 0,11 0,10 0,09 0,075 0,062 0,055 0,048 0,044 0,040 0,022 |
0,35 0,30 0,25 0,19 0,17 0,15 0,13 0,10 0,09 0,08 0,07 0,065 0,055 0,051 0,045 0,041 0,037 0,020 |
0,30 0,25 0,20 0,15 0,13 0,11 0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,06 0,05 0,045 0,042 0,038 0,034 0,017 |
0,33 0,29 0,25 0,15 0,13 0,12 0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,043 0,038 0,034 0,031 0,028 0,015 |
0,22 0,20 0,17 0,11 0,10 0,09 0,08 0,07 0,07 0,06 0,05 0,045 0,038 0,035 0,031 0,028 0,026 0,014 |
0,17 0,15 0,13 0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,06 0,05 0,04 0,04 0,035 0,032 0,029 0,026 0,024 0,013 |
0,12 0,10 0,09 0,07 0,05 0,05 0,04 0,03 0,03 0,03 0,02 0,02 0,017 0,015 0,013 0,012 0,011 0,006 |
0,09 0,07 0,06 0,05 0,04 0,04 0,03 0,03 0,02 0,02 0,02 0,02 0,015 0,013 0,012 0,011 0,010 0,006 |
0,07 0,05 0,04 0,04 0,03 0,03 0,03 0,02 0,02 0,02 0,02 0,016 0,014 0,012 0,011 0,010 0,009 0,005 |
|
Примечания 1. Для промежуточных значений диаметров и температуры величина R_н(L) определяется интерполяцией. 2. Для температуры теплоносителя ниже 100°С принимаются данные, соответствующие 100°С. |
|||||||||
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
Вы можете открыть актуальную версию документа прямо сейчас.
Если вы являетесь пользователем интернет-версии системы ГАРАНТ, вы можете открыть этот документ прямо сейчас или запросить по Горячей линии в системе.