Тепловая изоляция. Критический диаметр тепловой изоляции

Тепловой изоляциейназывают всякое покрытие горячей поверх­ности, которое способствует снижению потерь теплоты в окружаю­щую среду. Для тепловой изоляции могут быть использованы любые материалы с низким коэффициентом теплопроводности - асбест, пробка, слюда, шлаковая или стеклянная вата, вспененные и вакуумно-многослойные материалы.

Анализ формулы полного линейного термического сопротивле­ния теплопередачи цилиндрической стенки показывает, что тепло­вые потери изолированных трубопроводов уменьшаются не пропор­ционально увеличению толщины изоляции. Рассмотрим условие, при котором материал, используемый для теплоизоляции трубы, действительно будет уменьшать тепловые потери.

Пусть цилиндрическая труба покрыта однослойной изоляцией. Примем значения a₁, a₂, d₁, d₂, λ₁, λ₂, t₁и t₂постоянными. Рассмотрим, как будет изменяться полное термическое сопротивление трубы при изменении тол­щины изоляции.

В уравнении полного термического сопротивления двухслойной цилиндрической стенки:

при увеличении внешнего диаметра изоляции d₃ увеличивается со­противление слоя изоляции (член ), но одновременно умень­шается сопротивление теплоотдачи на наружной поверхности изо­ляции (член ).

Беря первую производную от правой части уравнения по d₃ и приравнивая ее нулю, получаем: .

Тогда критический диаметр изоляции, отвечающий экстремальной точке кривой R = f(d₃), определится формулой:

. (7-19)

Из уравнения следует, что критический диаметр d_кp изоляции не зависит от размеров трубопровода.Он будет тем меньше, чем меньше коэффициент теплопроводности изоляции и чем больше коэффициент теплоотдачи a₂от наружной поверхности изоляции к окружающей среде.

Вторая производная от R_uбольше нуля. Следовательно, критический диаметр соответствует минимуму теплового сопротивления и максимуму теплового потока (рис. 7-3).

Анализ уравнения (7-19) показывает, что если наружный диаметр изоляции d_изувеличивается, но остается меньше d_кp,то тепловые потери возрастают и будут превышать тепловые потери голого трубопровода (кривая АК). При равенстве d_из= d_кpполучаются максимальные тепловые потери в окружающую среду (точка К). При дальнейшем увеличении наружного диаметра изоляции d_из> d_кpтеп­ловые потери будут меньше, чем при d_из= d_кp(кривая ВК).

Только при d_из = d₃тепловые потери вновь станут такими же, как и для неизолированного трубопровода.

Значит, для эффективной работы изоляции необходимо, чтобы критический диаметр был меньше внешнего диаметра оголенного трубопровода, чтобы d_кp≤ d₂ (см. рис. 7-3). Таким образом, чтобы применение изоляции действительно привело бы к уменьшению тепловых потерь цилиндрической стенки при данном наружном диаметре трубы d₂ и заданном коэффициенте теплоотдачи a₂ необходимо выполнение условия:

.

Например, для изоляции трубопровода диаметром 30 мм имеется шлаковая вата с коэффициентом теплопроводности λ_из = 0,1 Вт/м∙град;коэффициент теплоотдачи a₂ = 4,0 Вт/м² град.Целесообразно ли применять в данном случае в качестве изоляции шлаковую вату?

Критический диаметр изоляции:

= 0.05 м= 50 мм.

Так как d_кр > d₂, шлаковую вату в рассматриваемом случае применять нецелесообразно. Для нашей задачи коэффициент λ_издолжен быть меньше:

= 0.06 Вт/м∙град.