Расчет экранной изоляции трубопроводов систем теплоснабжения

Пенополиуретан – современный теплоизолирующий материал с низким коэффициентом теплопроводности и высокой адгезией к различным типам поверхности. Он широко используется в системах теплоснабжения для изоляции трубопроводов. Раньше для утепления теплотрасс применяли минеральную вату и пенополистирол, но первая сильно впитывает влагу, а второй не огнестоек и издает специфический запах токсичных веществ.

В зависимости от типа материала, предельные показатели температуры эксплуатации составляют от +80 до +200 градусов. Чтобы защитить его от перегрева, на внутреннюю поверхность скорлупы (изделия из ППУ) наносят слой алюминиевой фольги.

Прежде, чем начать нанесение экранной изоляции на трубы в системе, нужно рассчитать подходящую толщину и плотность материала. Это гарантирует уменьшение тепловых потерь и снижение температуры труб для их безопасной эксплуатации.

На рисунке-схеме можно видеть, как происходит теплообмен в трубопроводе.

В данном примере приводится расчет толщины теплоизоляциии из ППУ для трубопроводов на открытом воздухе. Диапазон температуры теплоносителя – +100…+150 °C. В качестве коэффициента теплоотдачи от наружного слоя изоляции принимается значение 29 Вт/(м·K). Постановка задачи выглядит следующим образом:

q1 – плотность теплового потока, который проходит через конструкцию, Вт/м.

t0 – температура окружающей среды, принимаемая равной средней температуре отопительного периода.

t – температура теплоносителя, °C.

λ, λиз1, λиз2 – коэффициент теплопроводности материала самого трубопровода, воздушной прослойки и ППУ, Вт/(м·K).

dн – наружный диаметр трубопровода, м.

dy – условный диаметр трубопровода, м.

dиз1, dиз2 – внутренний и наружный диаметр пенополиуретановой скорлупы.

Чтобы определить коэффициент теплопроводности прослойки воздуха, необходимо учитывать теплопередачу излучением и конвекцию:

 – толщина воздушной прослойки, м.

 – коэффициент конвекции, учитывающий влияние естественной конвекции, >= 1.

λ_м – значение коэффициента теплопроводности воздуха, Вт/(м·K).

 – коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м·K).

Чтобы найти коэффициент конвекции, используется критериальное уравнение М. А. Михеева. В нем за определяющий размер принимается толщина прослойки, за определяющую температуру – средняя температура воздушной прослойки. Pr представляет собой критерий Прандтля.

 – коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с.

g – ускорение свободного падения, м²/с.

 – средняя температура воздуха в прослойке, °C.

 – коэффициент объемного расширения воздуха, 1/°К.

 – разность температур поверхностей слоев, °C.

– приведенная степень черноты для системы параллельных пластин со степенями черноты  .

 – температуры поверхностей пластин, °К.

– коэффициент излучения абсолютного черного тела.

Факторы, которые нужно учитывать при расчете

Чтобы правильно рассчитать толщину изоляции, нужно принимать во внимание:

• температуру поверхности, которую нужно утеплить;
• перепады внешней температуры;
• наличие различных воздействий на трубопровод (вибрация и т.д.);
• нагрузки, которыми допустимо воздействовать на трубы;
• устойчивость утеплителя к деформационным воздействиям;
• коэффициент теплопроводности утеплителя.

Работы с поверхностями, предшествующие напылению пенополиуретана

До напыления эластомера нужно поработать с поверхностями, чтобы повысить адгезию:

1. Удалить с трубопровода пыль, грязь, следы масла.
2. Устранить участки коррозии.
3. Оценить однородность поверхности: она не должна отслаиваться и иметь отломленных частиц.
4. Обеспечить подходящие температурные условия для выполнения работы: для воздуха и поверхностей температура не должна быть ниже +10 градусов (для летних систем напыления) или -10 – для зимних
5. Проверить состояние поверхности на влажность. Важна абсолютная сухость.

Как рассчитать расход вспененного полиуретана для теплоизоляции труб?

Для расчета нужного количества сырья требуется показатель плотности конечного продукта и его объем. Сначала высчитывают объем, затем – массу слоя. Для примера рассмотрим расчет материала для трубы радиусом 10 см при толщине утеплителя 20 мм и длиной 1 м.

Чтобы узнать объем, применяют такую формулу:

V=Sxt,

где S – площадь поверхности, t – толщина теплоизоляции с указанной толщиной.

Площадь поверхности вычисляется по формуле:

S=πR2H,

где H – длина, R – радиус трубы (10 см, как было указано выше).

Подставим числа и получим такие значения:

3,14х1х (0,1)²=0,0314 м³.

Теперь определим объем:

0,0314×20 = 0,628 м³.

Чтобы узнать требуемую массу, воспользуемся формулой:

M=pхV,

где p – плотность, а V – объем. Показатель р указан для каждого типа материала заводом-изготовителем.

Например, плотность составит 65 кг на м³. Подставляем значения и получаем:

0,628х65=40,82 кг на метр погонный.

Чтобы компенсировать возможные погрешности к расчетам, к полученному числу прибавляют 10%.