Енергозбереження ізолюванняМ тепловіддаючих поверхонь

План лекції.

10.1. Ізолювання, як енергозберігаюче технічне рішення.

10.2. Закономірності втрат теплоти від товщини ізоляційного шару.

10.3. Теплові характеристики ізоляційних матеріалів.

10.4. Втрати теплоти від не ізольованих трубопро­водів.

10.5. Розрахункові формули для визначення товщини ізоляційного шару трубо­проводів та приклади розрахунку.

10.6. Приклади.

10.7. Співставлення ізоляційних матеріалів.

10.8. Визначення товщини ізоляційного шару для “холодних” трубопроводів.

10.1. Ізолювання, як фактор енергозбереження.

Ізолювання є багатоплановою сферою діяльності в напряму енергозбере­жен­ня і включає в себе наступні аспекти:

- ізолювання трубопроводів однорідною ізоляцією;

- ізолювання трубопроводів багатошаровою ізоляцією (у разі температурної нестійкості матеріалу основного ізоляційного матеріалу);

- ізолювання високотемпературних трубопроводів;

- ізолювання трубопроводів з від’ємними температурами потоків, що транс­пор­туються з урахуванням випадіння вологи з повітря на поверхні та в шарі ізоляції;

- ізолюванні плоских та криволінійних повер­хонь обладнання та споруд;

- тощо.

На наших лекціях ми розглянемо тільки три аспекти проблеми, а саме:

- ізолювання високотемпературних трубопроводів;

- ізолювання плоских та криволінійних поверхонь;

- ізолювання трубопроводів з від’ємними температурами потоків, що транспортуються.

На сьогодні, ізолювання в значній степені формалізовано і стандартизовано, враховуючи важливе значення його для енергозбереження.

Це означає, що розрахунок потрібної товщини ізоляційного шару та визна­чен­ня втрат теплоти від ізольованих трубопроводів здійснюються за методо­ло­гіями, затвердженими відповідними будівельними нормами і правилами.

Ці методології створені на базі відомих вам законів теплопере­дачі, але міс­тять в собі певні директивні та обмежувальні параметри обов’язкові для вико­ристання.

Самостійне, на рівні власного розуміння законів теплопередачі, визначення товщини ізоляції допускається тільки у разі виконання навчальних розрахунків та розрахунків для промисловості, що мають на меті одержати орієнтовних ре­зультатів.

Ефект ізолювання, як фактора енергозбереження, полягає в тому що, гаряча (70 – 450 ^оС) поверхня трубопроводу або технологічного обладнання, у разі по­криття її шаром ізоляційного матеріалу, втрачає у навколишнє середовище зн­ач­­но менше (на 70 – 90 %) теплоти у порівнянні з неізольованою поверхнею.

Теплотехнічний механізм ізолювання полягає у тому, що шар ізоляції ство­рює для теплового потоку значний т.зв. “термічний” опір ізоляції – R_ізол , визна­ча­єть­ся за формулою: (R_ізол = δ _ізол / λ_ізол), який обумовлює:

- суттєве зменшення температури на поверхні ізоляційного шару – t_ізол.2,

- суттєве зменшення температурного перепаду для тепловіддачі – (t_ізол.2 – t_н.с)

- суттєве зменшення втрат теплоти в навколишнє середовище – Q^втрат_ізол , у відповідності до класичного рівняння тепловіддачі:

Q^втрат _ізол = α _ізол.2 · (t_ізол.2 – t_н.с) · F_ізол.2 (1.10)

де:

Q^втрат _ізол – секундні втрати теплоти від ізоляційного шару трубопровода в навколишнє середовище, Вт або Дж/с;

α_ізол.2 – коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні ізоляційного шару до навколишнього середовища (наприклад, повітря), Вт/(м².К);

t_ізол.2 – температура зовнішньої поверхні ізоляційного шару, яка втрачає теплоту у навколишнє середовище, ^оС;

t_н.с – температура навколишнього середовища, ^оС;

F_ізол.2 – площа зовнішньої поверхні ізоляційного шару, м².

Наявність на зовнішній поверхні ізоляційного шару і створення ним терміч­но­го опору теплопередачі суттєво зменшують температуру поверхні, що втра­ча­ти­ме теплоту в навколишнє середовище від t_ст2 до t_ізол.2, як пока­зано на рис. 10.1.

Внаслідок появи цього “термічного” опору, температура поверхні, що втра­чатиме теплоту в навколишнє середовище – суттєво зменшується, наприклад, від 150 ^oC до 45 – 60 ^oC.

Рис. 10.1. Характер зміни температури ізольованого трубопроводу.

10.2. Закономірності втрат теплоти ізольованим трубопроводом від товщини ізоляційного шару.

Слід мати на увазі, що втрати теплоти з поверхні ізоляційного ша­ру в за­леж­ності від товщини шару ізоляції не є однозначними. Тоб­­то не можна стверд­жу­вати однозначно, що чим товщий шар ізоляції, тим менші втрати теплоти.

Характер закономірності втрат теплоти від діаметру ізоляційного шару на­ве­дено на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Характер зміни втрат теплоти від ізольованої поверхні трубопроводу (Q_втрат) від діаметру та товщини ізоляційного шару.

Як видно з рис. 2.10, із збільшенням товщини шару ізоляції теплові втрати ізо­­льованого трубопроводу для малих діаметрів трубопроводів навіть збіль­­шу­ють­ся. І тільки за умови досягнення певного діаметру, як­ий одержав назву кри­тич­ного – D_ізол.2 ^крит, ізольований трубопровід із збільшенням шару ізоляції починає вт­ра­чати менше теплоти.

Критичний діаметр ізольованого трубопроводу – D_ізол^крит, м, розраховується за формулою:

D_ізол.2 ^крит = 2·λ_ізол/α_ізол.2 (2.10)

Таким чином, за умови D_ізол < D_ізол^крит збільшення товщини ізоляційного шару на трубопроводі призведе тільки до зростання втрат теплоти, які ста­ють навіть більшими за втрати від неізо­льо­­­ва­но­го трубопроводу.

І тільки за умови D_ізол.2 > D_ізол^крит, у разі збільшення товщини ізоляції втрати теп­лоти будуть зменшуватись, гарантуючи ефект енергозбереження.

Наведену вище закономірність потрібно враховувати у разі ізолювання тру­бо­проводів. Тобто, у разі визначення за будь якою методикою діаметру товщи­ни ізоляційного шару потрібно переконатися, що визначений діаметр ізольо­ва­ного трубопроводу – D_ізол.2 буде більший за попередньо визначений D_ізол^крит.

Дотримання цієї умови гарантує, що втрати теплоти ізольованого трубо­про­воду будуть меншими за втрати від неізольованого трубопроводу.

Наприклад, у разі ізолювання трубопроводу ізо­ляцією, що має тепло­провід­ність – 0,15 Вт/м.К, і коефіцієнта тепло­від­дачі в навколишнє середовище – 9,4 Вт/м².К D_ізол^крит буде дорівнювати 0,032 м (32,0 мм).

Це означає, що трубопровід малого (15 мм – 32 мм), діаметру, будучи ізо­льо­ва­ним шаром ізо­ля­ції, що матиме діаметр менший за критичний, буде мати втра­ти теплоти вищі за втрати від не ізольованого трубопроводу.

І тільки для підвищених (> 32 мм) діаметрів трубопроводів збільшення товщи­ни ізоляції гарантуватиме зменшення втрат теп­ло­ти в навколишнє середовище.

Слід звернути увагу на те, що і разі покриття трубопроводу шаром ізоляції – δ_ізол що раз більшої товщини, поверхня, що буде втрачати теплоту в навко­лиш­нє середовище –F_ізол.2 збільшується, внаслідок збільшення діаметра ізольо­ва­но­го трубопроводу, у відповідності до рівняння:

F_ізол.2= π·(D_труб.2 + 2· δ_ізол) (3.10)

Наприклад:

Діаметр неізольованого трубопроводу – 0,159 м.

Діаметр ізольованого трубопроводу з шаром ізоляції 0,03 м – 0,219 м.

Площа поверхні теплообміну 10 п.м неізольованого трубопроводу – 5,0 м².

Площа поверхні теплообміну 10 п.м ізольованого трубопроводу – 6,88 м² (на 36,7 % вища)

Але, одночасно, температура на зовнішній поверхні ізоляційного шару буде зменшуватись у відповідності до рівняння теплопровідності для ізоляційного шару:

t_ізол.2 ≈ t_трансп– q · δ_ізол/ λ_ізол (4.10)

Таки чином, у разі збільшення товщини ізоляційного шару на втрати теплоти в навколишнє середовище, у відповідності до рівняння (10.1), діють у проти­леж­­них напрямах два фактора:

- 1-й фактор – збільшення товщини ізоляції призводить до збільшення по­верх­ні теплообміну – F_ізол, і до збільшення втрат теплоти в навколишнє середо­вище;

- 2-й фактор – збільшення товщини ізоляційного шару призводить до змен­шення температури на поверхні ізоляції – t_ізол.2 і до зменшен­ня втрат теп­лоти в навколишнє середовище.

Але, завдяки тому, що швидкість зменшення температури на поверхні значно вища за швидкість збільшення поверхні, зростання товщини ізоляції призводить до змен­­шення втрат теплоти в навколишнє середовище. Такий результат є одно­значним для трубопроводів, діаметр шару ізоляції яких є більшим за критичний діаметр ізоляції – D_ізол^крит.

Довести це положення дозволяє порівняння похідних по товщині шару ізо­ля­ції від двох функцій, визначених рівняннями (3.10) і (5.10)

Перша похідна рівняння (5.8) має явно більше числове значення за числове значення першої похідної рівняння (3.10), що однозначно свідчить що зі збіль­шен­ням товщини ізоляції температурний перепад тепловіддачі зменшується значно швидше за зростання поверхні тепловіддачі.

Витрата палива, еквівалентна втратам теплоти визначається за відомою фор­мулою співвідношення теплоти і палива з навчальної дисципліни “Джерела теп­лопостачання промислових підприємств”, а саме:

В^пал _екв = b_t ^відп · Q^втрат _ізол (5.10)

де:

b_t ^відп – питома витрат умовного палива на відпущену теплову енергію від дже­ре­ла енергопостачання (котельні, ТЕЦ, когенераційної установки), теплота якого транспортується по трубопроводу, що ізолюється, кг у.п/Гкал. Визначається за формулою:

b_t ^відп = 123/η_t^відп (6.10)

Q^втрат_ізол – теплота, що втрачається від ізольованого трубопроводу (або поверхні обладнання), кВт.

Втрати теплоти від неізольованих трубопроводів можуть досягати значних об­сягів. Наприклад, неізольований трубопровід 325/9 мм і довжи­ною 10 м, в при­міщенні, що має темпера­ту­ру +20 ^оС, що транс­пор­тує пару 120 ^оС, втрачає щосе­кундно 14,3 кДж (кВт) теплотиї, еквівалентно втраті 43,8 м³ газу за добу.

10.3. Характеристики ізоляційних матеріалів

Як ізоляційний матеріал використовуються матеріали, що мають низьку пи­то­му теплопровідність - λ_ізол . Числові значення коефіцієнтів теплопро­від­ності ізо­ляційних матеріалів знаходяться в діапазоні від 0,023 Вт/(м.К) до 0,66 Вт/(м.К). Нижче, в табл. 10.1, наведено характеристики деяких ізоляційних матері­а­лів.

Таблиця 10.1.

Характеристики ізоляційних матеріалів.

Назва ізоляційного матеріалу	Густина ізоляційного матеріалу, кг/м3	Коефіцієнт теплопро­від­ності ізоляційного матеріалу, Вт/(м.К)
Мінеральна вата-200		0,070
Мінеральна вата-100		0,056
Мінеральна вата-50		0,048
Пінополіуретан-80		0,041
Пінополіуретан-60		0,035
Пінополіуретан-40		0,029
Пінополіуретан-32		0,023
Пінополістирол-150		0,05
Пінополістирол-100		0,041
Пінополістирол-40		0,038
Повітря (+10 оС)	1,232	0,025
Аргон (+10 оС)	1,70	0,017
Криптон (+10 оС)	3,56	0,009
Гексафторид сірки (+10 оС)	6,36	0,013

10.4. Втрати теплоти від ізольованих трубопроводів.

Загальноприйнятою практикою в розрахунках, пов’язаних з визначенням по­т­рібної товщини ізоляції, є використання нормованих питомих втрат теплоти від ізольованої конструкції. Використовуються, як лінійні – q_L, Вт/п.м, тобто втра­ти теплоти з одного погонного метра трубопроводу, так і поверхневі – q_F, Вт/ м², тобто втрати з одного квадратного метра зовнішньої поверхні ізольованого трубопроводу.

У разі необхідності визначення одного виду теплових втрат через інший вико­ристовуються наступні рівняння:

q_F = q_L ·π·D_зовн·1,0 (7.10)

q_L= q_F / π·D_зовн·1,0 (8.10)

де:

D_зовн – зовнішній діаметр поверхні ізольованого або не ізольованого трубопро­воду, м.

Нижче, в табл. 10.2, наведено лінійні питомі втрати теплоти в навколишнє се­ре­довище від неізольованих труб різних діаметрів.

Таблиця 10.2

Лінійні питомі втрати теплоти в навколишнє середовище від не ізольованих труб

Діаметр труб, мм	Лінійні втрати теплоти – qL , Вт/п.м
Різниця температур між трубою та повітрям навколишнього середовища (tст.2 – tн.с), оС. Прийнято, що tн.с = 10 оС за умов природної конвекції.
100 оС	120 оС	150 оС	180 оС
89/4
159/6
219/6
273/6

Втрати теплоти від неізольо­ва­них трубопрово­дів можна визначити трьома способами:

- визначивши q_L (орієнтовно) за таблицею 10.2

- визначивши q_L (орієнтовно) за емпіричною формулою:

q_L = 6,8 ·(D_труб.2)^0,87· (t_ст.2 – t_н.с)^1,36, Вт/п.м (9.10)

- визначивши q_F за класичною методикою на базі рівнянь теплопередачі та тепловіддачі від поверхні в навколишнє середовище.

10.5. Розрахункові формули для визначення товщини ізоляційного шару для трубопроводів.

У проблемі ізолювання гарячих тру­бо­проводів або поверхонь обладнання вирішуються три практичні задачі, а саме:

1-ша задача: Визначити необхідний діаметр ізоляційного шару, з метою одер­жан­ня визначених Замовником (або встановлених державними нормативами) втрат теплоти та визначити еквівалентну цим втратам кількість палива, що буде витрачатися у джерелі теплопостачання (в котельні або в ТЕЦ) .

2-га задача: Визначити кількість теплоти, що втрачається від неізольованого трубопроводу (або поверхні) та еквівалентної втратам теплоти кількості палива.

3-тя задача: Визначити фактичні втрати теплоти та та еквівалентну втратам теп­лоти кількість палива від існуючого ізольованого трубопроводу або поверх­ні.

В наведеній лекції буде розглянуто дві перші задачі ізолювання.

1-ша задача розв’язується за двома методами.

У відповідності до 1-го методу – розрахунок товщині ізоляційного шару здій­снюється, виходячи з того, що вважається відомою (або за вимогою Замов­ни­ка, або за вимогою державного нормативу) лінійна питома втрата теплоти з одного погон­но­го метра ізольованої трубопроводу – q_L, Вт/п.м. Числові значення q_Lнор­муються відповідними нормативними документами, як для трубопроводів, розташованих в приміщенні, так і роз­та­шо­ваних на від­кри­тому повітрі (на відкритому повітрі нормовані втрати на 1,5 – 4,5 % вищі).

Нормовані лінійні втрати теплоти з поверхні ізольованих трубо­про­водів, роз­­ташованих в приміщенні або в тунелі, у разі тривалості роботи до 5000 год/рік, наведені в табл. 10.3.

Таблиця 10.3.

Нормовані лінійні питомі втрати теплоти в навколишнє середовище від ізольованих труб

Умовний діаметр трубопровода, мм	Лінійні втрати теплоти, Вт/п.м або Дж/(с·п.м)
Температура теплоносія, що транспортується по трубопроводу оС.
100 оС	125 оС	150 оС	200 оС

У відповідності до 2-го напряму – розрахунок товщині ізоляційного шару зді­й­­­снюється, виходячи з того, що вважається відомою (або за вимогою Замов­ника, або за вимогою державного нормативу) температура на зовнішній поверх­ні ізо­ля­ційного шару – t_ізол.2, ^оС.

Нормовані температури на поверхні теплової ізоляції обладнання і трубопро­водів наступні:

- 35 ^оС – у разі температури продукту, що транспортується по трубопро­во­ду не вище 100 ^оС;

- 45 ^оС – у разі температури продукту, що транспортується по трубопро­во­ду вище 100 ^оС і розташуванні трубопроводу в приміщенні;

- 55 ^оС – у разі розташуванні трубопроводу на відкритому повітрі і покрит­ті ізоляції металом;

- 60 ^оС – те саме у разі інших видів покриття ізоляції.

Слід мати на увазі, що товщина ізоляційного шару, визначена за 2-м нап­ря­мом (за нормованою t_ізол.2) буде більша, визначеної за 1-м напрямом (за нор­мо­ваною q_L,), що є платою за безпеку обслуговуючого трубопроводи експлуа­та­цій­ного персоналу.