Файл: И.В. Дворовенко Определение термического сопротивления изоляции.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 13.06.2024
Просмотров: 32
Скачиваний: 0
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра процессов, машин и аппаратов химических производств
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ
Методические указания к лабораторной работе № 1э по курсу “Теплотехника” для студентов специальности 170500 - “Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов” и направления 550900 - “Теплоэнергетика”
Составители И.В. Дворовенко И.В. Павлова
Рассмотрены и утверждены на заседании кафедры Протокол № 3 от 13.11.98
Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией специальности 170500 Протокол № 3 от 13.11.98
Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ
Кемерово 1999
1
1. ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Целью работы является изучение термического сопротивления изоляции трубопроводов. Задачами исследования могут быть:
1. Определение зависимости линейного термического сопротивления от толщины и материала изоляции.
2.Подбор толщины и материала изоляции в зависимости от диаметра трубопровода при заданном значении теплопотерь по длине трубопровода.
3.Определение критического диаметра изоляции.
4.Зависимость теплопотерь от скорости теплоносителя и диаметра
трубы.
5.Расчет экономической толщины изоляции в зависимости от стоимости теплопотерь и изоляции.
Входе работы на модели реального трубопровода студенты экспериментально измеряют параметры, определяющие теплопередачу через многослойную цилиндрическую стенку. По полученным данным рассчитываются термическое сопротивление изоляции, потери тепла в трубопроводе, экономическая толщина изоляции. На основании анализа полученных результатов делаются выводы по работе.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
При движении теплоносителя по трубопроводу происходит непрерывная утечка тепла в окружающую среду из-за значительной разности температур. Снижение потерь достигается применением тепловой изоляции трубопроводов. При хорошем состоянии изоляции тепловые потери не должны превышать 5% от отпуска тепла. Использование изоляции имеет также эргономическое значение, вследствие снижения температуры наружной поверхности трубопровода, значение которой во избежание ожогов не должно превышать 600С. Снижение тепловых потерь уменьшает падение температуры теплоносителя по длине трубопровода.
Тепло от горячего теплоносителя к окружающей среде передается через многослойную цилиндрическую стенку (рис. 1). Количество переданного тепла в единицу времени определяется по формуле
2 |
|
|
|
|
|
|
QR = |
π L |
|
|
, |
(1) |
|
∆ t |
||||||
|
||||||
|
RL |
|
||||
где QR - количество тепла, переданного от теплоносителя к окружающей среде в единицу времени, Вт;
∆ t - средняя разность температур теплоносителя и окружающей среды, 0С;
RL - линейное термическое сопротивление трубы и изоляции, (м К)/Вт;
L - длина трубы, м.
1 |
2 |
3 |
α 2, t0 |
Q |
|
|
|
α 1, t |
d1 |
d d2 |
|
Рис. 1. Теплопередача от теплоносителя к окружающей среде: 1 - труба, 2 - теплоизоляция, 3 - профиль температуры
Величина RL равна |
1 |
|
1 |
|
d |
|
1 |
|
d2 |
|
1 |
|
|
|
RL = |
+ |
ln |
+ |
ln |
+ |
, |
(2) |
|||||||
|
2λ |
|
2λ из |
d |
|
|||||||||
|
α 1d1 |
|
d1 |
|
|
α 2d2 |
|
|||||||
где α 1 - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к внутренней поверхности трубы, Вт/(м2 К);
α2 - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции
кокружающей среде, Вт/(м2 К);
λ- теплопроводность материала стенки трубы, Вт/(м К);
λиз - теплопроводность слоя изоляции, Вт/(м К);
d1 - внутренний диаметр трубы, м;
3
d - наружный диаметр трубы без изоляции, м; d2 - наружный диаметр слоя изоляции, м.
Средняя разность температур теплоносителя и окружающей среды
определяется как среднелогарифмическая: |
|
|
|||||||
|
|
= |
t11 − |
t12 |
|
|
, |
||
|
∆ t |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
t |
− |
t |
0 |
|
|
|
|
|
ln |
11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
0 |
|
|
||
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
где t11 – температура теплоносителя на входе в трубопровод, ° С;
t12 – температура теплоносителя на выходе из трубопровода, ° С; t0 - температура окружающей среды, 0С.
Расчет коэффициента теплоотдачи α 1 от теплоносителя к внутренней стенке трубы проводится по различным формулам в зависимости от
режима течения в трубе: |
|
|
|
|
|
|
|
- при развитом турбулентном |
стабилизированном |
течении |
|||||
(Re> 10000): |
|
|
|
|
|
|
|
Nu = 0,021Re 0,8 Pr 0,43 ; |
|
(3) |
|||||
- в переходной области (2300< Re< 10000) для практических расче- |
|||||||
тов рекомендуется пользоваться приближенным уравнением: |
|
||||||
Nu =0,008Re 0,9 Pr 0,43 ; |
|
(4) |
|||||
- при ламинарном течении (Re< 2300) при отсутствии свободной |
|||||||
конвекции: |
d |
|
|
|
|
|
|
|
0,4 |
|
0,33 |
|
|
||
Nu = 1,4( Re |
1 |
) |
|
Pr |
|
. |
(5) |
|
|
|
|||||
|
L |
|
|
|
|
|
|
В формулах (3) - (5) определяющая температура - средняя температура теплоносителя, определяющий размер - внутренний диаметр трубы;
Re = |
wd1 |
|
- критерий Рейнольдса; |
|
|
||||
|
|
ν |
|
|
Nu = |
α |
1d1 |
- критерий Нуссельта; |
|
|
ν |
λ |
|
|
Pr = |
- критерий Прандтля; |
|||
|
a |
|
|
|
w - средняя скорость движения теплоносителя, м/с;
ν - коэффициент кинематической вязкости теплоносителя, м2/с; а - коэффициент температуропроводности, м2/с.
4
Свойства теплоносителя рассчитываются при определяющей температуре.
Теплоотдача от наружной поверхности изоляции к окружающей среде осуществляется двумя способами: лучеиспусканием и конвекци-
ей. Коэффициент теплоотдачи α 2 равен: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
α |
2 = α |
|
2L + |
α |
2K , |
|
|
|
|
(6) |
|||
где α 2L - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием, Вт/(м2 К); |
|
|||||||||||||||||
α 2K - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2 К). |
|
|||||||||||||||||
Коэффициент α 2L рассчитывается по формуле |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
t0 + 273 |
|
4 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
t2 |
+ 273 |
|
|
|
|
||||||||||
|
ε C |
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
100 |
|
|
100 |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
α 2L = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
(7) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
(t2 − |
t0) |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
где ε - степень черноты наружной поверхности изоляции; С =5,67 Вт/(м2 К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела;
t2 – средняя температура наружной поверхности изоляции, ° С.
Расчет коэффициента теплоотдачи α 2К от наружной поверхности изоляции к окружающей среде можно производить по приближенным зависимостям:
- при естественной конвекции
|
|
|
|
|
|
|
0,25 |
|
||
|
|
t2 − |
t0 |
|
|
|||||
α 2К |
= |
|
|
|
; |
(8) |
||||
|
|
|||||||||
1,16 |
|
d2 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
- при вынужденной конвекции |
|
|
w |
0,7 |
|
|
||||
α |
|
2К = 4,65 |
|
|
||||||
|
0 |
; |
(9) |
|||||||
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
d2 |
0,3 |
|
|
||
где w0 - скорость воздуха, м/с.
На входе в трубопровод температура теплоносителя равна t11, то-
гда максимальное располагаемое количество тепла будет равно |
|
Qmax = cpG(t11 − t0) , Вт, |
(10) |
где сp - изобарная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг К); G - массовый расход теплоносителя, кг/с.
Количество тепла, которое потеряет теплоноситель при изменении его температуры от t11 в начале трубопровода до t12 в конце трубопровода, составит
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
QT = cpG(t11 − t12) . |
(11) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
RL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rλ
Rα
RC
d2
d1 dкр
Рис. 2. Зависимость термического сопротивления трубопровода от наружного диаметра
При выборе тепловой изоляции для покрытия трубопроводов необходимо учитывать изменение наружного диаметра. Рассмотрим уравнение (2). С увеличением наружного диаметра d2 и неизменным наружным диаметром трубы d первое и второе слагаемые (обозначим их через
RC) |
в |
уравнении (2) |
будут постоянными, третье |
|
слагаемое |
||||||||||||
|
|
1 |
|
|
d2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
R = |
|
ln |
|
будет |
увеличиваться, а четвертое |
|
R |
= |
|
|
|
– |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
λ |
|
2λ из d |
|
|
|
|
α |
|
|
α |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2d2 |
|
||||||
уменьшаться (рис. 2). Таким образом, линейное термическое сопротивление теплопередачи будет определяться характерным изменением термического сопротивления теплопроводности изоляции Rλ и термического сопротивления теплоотдачи от наружной поверхности к окружающей среде Rα .
Исследуя уравнение (2) на экстремум можно получить значение внешнего диаметра трубы, соответствующего минимальному линейному термическому сопротивлению, называемому критическим диаметром цилиндрической стенки: