Расчет индивидуальных теплотехнических характеристик теплопроводов

Цель работы - знакомство с системой теплоснабжения и конструкциями теплопроводов; расчет коэффициентов тепловых потерь для типичных теплопроводов; определение влияния физических свойств теплоизоляционных материалов и конструктивных особенностей теплопроводов на коэффициенты тепловых потерь и выработка рекомендаций для выбора энергоэффективных теплопроводов.

Работа выполняется в течение 2-х академических часов.

Введение

Транспортировка тепла осуществляется с помощью теплопроводов. На рис.2 показан элемент современного теплопровода, изготовленного в заводских условиях, который включает водопроводную стальную трубу для транспортировки энергоносителя, тепловую изоляцию из пенополиуретана и защитный кожух из пластмассы. Данные теплопроводы являются перспективными и прокладываются непосредственно в грунте (рис.3, тип А), что сокращает затраты на их монтаж и эксплуатацию. В настоящее время в Беларуси наиболее распространены теплопроводы с прокладкой в непроходных каналах (рис.3, тип В) или с надземной прокладкой (рис.3, тип С)

Каждый из рассмотренных теплопроводов характеризуется наружным диаметром каналов D_н, толщиной стенки трубы δ, толщиной изоляции δ_и и защитного кожуха δ_к, расстоянием между трубами s и глубиной прокладки h.

Теплопроводы в каналах дополнительно включают размеры канала: ширину а и высоту b. На рис.2 основные размеры представлены в виде общепринятых символов и идентификаторов вычислительной программы СОNDORS.

Рис.2. Схема элемента

предварительно изолированного

теплопровода

Метод анализа

При транспортировке теплоты имеются потери в окружающую среду, величина которых зависит как от температуры теплоносителя и окружающей среды, так и от качества тепловой изоляции теплопроводов. Основной характеристикой теплоизоляционных материалов является коэффициент теплопроводности λ_и. Коэффициент теплопроводности зависит от применяемого материала и его влажности. С ростом влажности материала коэффициент теплопроводности увеличивается.

Интегральной индивидуальной характеристикой теплопроводов является коэффициент тепловых потерь К, который показывает, какой тепловой поток теряется теплопроводом длиной 1м при разности температур между теплоносителем и окружающей средой, равной одному градусу [4]. В качестве окружающей среды для надземного теплопровода выступает атмосферный воздух, а для подземных - грунт.

Рис.3. Схемы конструкций типичных теплопроводов: А - подземный теплопровод с заводской изоляцией; В - подземный теплопровод в непроходном канале; С - надземный теплопровод

Различаются два типа коэффициентов тепловых потерь. Первый коэффициент К₁ непосредственно связан с количеством теряемого тепла в окружающую среду, а второй - К₀ учитывает полезную теплоту, которая передается от более нагретого подающего теплопровода обратному. Тогда общий коэффициент тепловых потерь

(1)

Подающие и обратные надземные теплопроводы являются независимыми, и для них К₀=0. Коэффициент тепловых потерь К₁ надземного теплопровода есть обратная величина термического сопротивления:

(2)

где λ, λ_и, λ_к - коэффициенты теплопроводности соответственно трубы, изоляции и защитного кожуха, Вт/(м-°С); D_в, D_н, D_и, D_к - диаметры трубы, внутренний и наружный, наружные диаметры изоляции и защитного кожуха, мм.

Коэффициенты тепловых потерь К₁ и К₀ подземных теплопроводов определяются на основе синтеза экспериментальных и расчетных данных с учетом решения уравнения теплопроводности.

С учетом конструктивных особенностей теплопровода в непроходных каналах (тип В) и в соответствии со схемой, которая дана на рис.3, дополнительно рассчитываются наружный диаметр теплопровода с изоляцией и кожухом D_к, глубина прокладки теплопровода h′′ (DYBD), ширина канала a (BRED) и высота канала b (HOEJ):

D_К=D_И+2δ_И+2δ_К,

h^′′ = 0,5D_К+h, (3)

a =2,5D_К,

b = 1,5D_К.

Параметры h′′ , а и b являются исходными данными для теплопровода В.

В реальном случае эти параметры соответствуют номенклатурному ряду типоразмеров непроходных каналов.

Порядок расчета

Расчет теплотехнических характеристик теплопроводов А и В проводится на компьютере на базе пакета прикладных программ CONDORS с использованием файла исходных данных VTAB.CMD. Для теплопроводов В по формуле (3) дополнительно рассчитываются конструктивные параметры h′′ , а и b, которые служат исходными данными и заносятся в файл VTAB.CMD при расчете соответствующих вариантов. Расчет коэффициентов тепловых потерь для теплопроводов С проводится с помощью калькулятора по формуле (2).

Выполнение работы

1. Из табл.2 в соответствии с выполняемым вариантом, который задается преподавателем, дополнительно берутся данные о диаметре труб, толщине стенок теплопроводов и теплопроводности материала труб и кожуха.

2. Для проведения вычислительного эксперимента загрузите программу CONDORS. На рабочем столе монитора найдите значок с имен программы, подведите к нему курсор и дважды нажмите левую кнопку мыши. После появления главной формы нажмите кнопку <Работа№1>.

3. Провести редактирование текущего варианта в соответствии с табл. 1 и 2 исходных данных и схемами теплопроводов, которые даны на рис.3. Данные, которые содержатся в файле VTAB.CMD и не входят в табл.1 и 2, являются константами. Пример файла VTAB.CMD с описанием основных идентификаторов дан на рис.4. Переменные выделены подчеркиванием. Для теплопровода В1 проводится дополнительный расчет параметров по зависимостям (3), где h=900 мм.

4. Сохранить данные, нажав кнопку <Сохранить>.

5. Нажатием кнопки <Счет> провести расчет по программе CONDORS с выполнением следующих операций:

5.1. При появлении первого запроса "Oenskes der ikke udskrifter, tastes <Enter> введите имя файла результата расчета 1 и нажмите клавишу <Enter>.

5.2. При появлении следующего запроса "Indtast venligst overskrift for udskrifter" нажмите клавишу <Enter>.

Исходные данные и форма для записи результатов расчета

Таблица 1

Код	Изоляция	(ISOL) dи, мм	(LAMI) lи, Вт/м/оС	(LAMJ) lг, Вт/м/оС	(JORD) h, мм	(K1) К1, Вт/м/оС	(K0) K0, Вт/м/оС
А1	Пенополиуретан		0,027	1,5
А2	Пенополиуретан		0,027	1,5
А3	Сухая минеральная вата (w=0%, r=350кг/м3)		0,055	1,5
А4	Влажая минеральная вата (w=30%, r=350кг/м3)		0,19	1,5
А5	Без изоляции		0,19	1,5
А6	Пенополиуретан		0,027	0,33
А7	Пенополиуретан		0,027	1,5
В1	Сухая минеральная вата		0,055	1,5
В2	Без изоляции		0,055	1,5
С1	Без изоляции		0,027	-	-
С2	Пенополиуретан		0,027	-	-
С3	Пенополиуретан		0,027	-	-

5.3. При появлении следующего запроса "Please type files name for output or <CR> for screen", нажмите клавишу <Enter>.

5.4. На последнем этапе введите номер меню 1 и нажмите клавишу <Enter>.

5.5. После нажатия кнопки <Результат> в окне отображаются результаты расчета текущего варианта (первая таблица - варианты А1-А7, вторая таблица – варианты В1 –В2).

6 Провести расчет и обработку всех вариантов для трубопроводов А и В в соответствии с табл. 1 и пп.3-5.

7 Провести сравнительный анализ результатов расчета. Показать, для какого типа теплопровода коэффициент тепловых потерь К имеет минимальное значение и на сколько процентов по сравнению с другими теплопроводами при прочих равных условиях. Количественно для теплопроводов А и С показать относительное влияние материала, толщины и влажности изоляции на коэффициент тепловых потерь. Объяснить полученные результаты. Сделать окончательные рекомендации по использованию теплопроводов А и В, учитывая, что реальные теплопроводы в непроходных каналах выпускаются с теплоизоляцией из минеральной ваты, а предизолированные - из пенополиуретана.

Рис.5. Фрагмент структуры файла результатов расчета

Работа № 2