Тепловые потери трубопроводов

Требования к теплопотерям через тепловую изоляцию трубопроводов в течении последних лет непрерывно ужесточаются. Последние редакции норм тепловых потерь относятся к 1997 году [5] и к 2003 году [6]. В указанных документах приводят нормированные удельные тепловые потери в ваттах на один погонный метр длины трубопровода в зависимости от диаметра и температуры. Правда, условия, при которых приводят эти нормы, несколько отличаются. В [5] в качестве диаметра указан наружный диаметр трубопроводов, в [6] условный проход. Отличие в размерах становится заметным при больших диаметрах трубопроводов, когда заметно возрастают толщины стенок труб. В [5] в качестве разности температур используют температуру холодного воздуха равную +5 °С, что может быть справедливо при подземной прокладке, но непригодно для наземной прокладки труборповодов. В [6] вместо разницы температур теплоносителя и окружающей среды используют просто температуру теплоносителя.

Удельные тепловые потери трубопроводов (на единицу длины) рассчитывают

Здесь: a – суммарный коэффициенты теплоотдачи за счет излучения и конвекции; t _ти t _в– температуры теплоносителя и наружного воздуха;

d – наружный диаметр трубы. Само значение удельных тепловых потерь сравнительно невелико. Так по нормам [5] удельные тепловые потери от трубопровода диаметром 325 мм при разнице температур тепоносителя и окружающей среды 120 °С составляет 139 Вт/м. По нормам [6] для трубы с условным проходом 300 мм при температуре теплоносителя 150 °С удельные тепловые потери составляют 95 Вт/м.

Разделив значение удельных тепловых потерь на π d и на разность температур, получим значение коэффициента теплопередачи, заложенное в нормах расчёта.

Рассчитанные таким образом коэффициеты теплопередачи приведены на рисунках 1и 2.

Как следует из расчетов, нормы 2003 года по сравнению с нормами 97 года исходят из более низких значений коэффициентов теплопередачи: 0,5 Вт/м²К против 1 Вт/м²К при диаметрах трубопроводов более 500 мм. Причем значения коэффициентов теплопередачи практически одинаковы при различных температурах теплоносителя.

Рис. 1. Значения коэффициента теплопередачи, рассчитанное по нормам [5].

Рис. 2. Значения коэффициента теплопередачи, рассчитанное по нормам [6].

При рассчитанном таким образом коэффициенте теплопередачи, из полученного выражения достаточно просто определяется требуемая толщина тепловой изоляции, если известен коэффициент теплопроводности изоляцонного материала.

На рисунках 3 и 4 приведены значения требуемой толщины теплоизоляционого слоя при коэффициентх теплопроводности раных соответственно 0,04 и 0,03 Вт/(м·К).

Рис. 3. Требуемая толщина изоляци по нормам [5], при λ_из =0,04 Вт/(м·К)

Рис. 4. Требуемая толщина изоляци по нормам [6], при λ_из =0,03 Вт/(м·К)

Существующая ситуация на самом деле гораздо плачевнее. Качество изоляции трубопроводов особенно в небольших населенных пунктах не соответствует нормам. Достаточно часто встречаются протяженные участки плохо изолированных либо совсем неизолированных трубопроводов. Удельные (с единицы погонного метра) теплопотери от неизолированных труб, обусловленные конвекцией и излучением составят q_l _,Вт/м:

где a_л и a _к – коэффициенты теплоотдачи за счет излучения и конвекции; t _т и t _в – температуры теплоносителя и наружного воздуха; d – наружный диаметр трубы. Коэффициент теплоотдачи за счет излучения принимается в соответствии со СНИП равным 5 Вт/(м²×К). Точно рассчитать коэффициент теплоотдачи конвекцией достаточно сложно, поскольку его величина существенно зависит от погодных условий. При отсутствии ветра коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан по формулам для естественной конвекции [6] α_к, Вт/(м²×К):

где Gr=gβ·(t _т -t _в )d ³ /v ² – число Грасгофа; коэффициент объемного расширения для идеальных газов рассчитывается как β= 1 /T _в(при температуре воздуха); g – ускорение свободного падения, Pr=v/a – число Прандтля, коэффициент кинематической вязкости и коэффициент теплопроводности рассчитывают при температуре средней между температурой поверхности и воздуха.

При наличии заметного ветра следует пользоваться выражениями для вынужденной конвекции [6]

На рис. 5 приведены данные расчета удельных тепловых потерь (при естественной конвекции) неизолированных стальных труб при температурах теплоносителя 130 и 90°С и средней температуре воздуха за отопительный период (-6,8 °С). При диаметре трубы в 300 мм и температуре теплоносителя 130 ºС с 1 км трубопровода теряется 1,5 МВт тепловой мощности.