И.В. Дворовенко Определение термического сопротивления изоляции
.pdfМИНИСТЕРСТВО 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:
6 |
|
|
|
dкр = |
2λ из |
. |
(12) |
|
|||
|
α 2 |
|
|
При d2< dкр с увеличением d2 полное термическое сопротивление теплопередачи снижается, т.к. увеличение наружной поверхности оказывает большее влияние на термическое сопротивление, чем увеличение толщины стенки.
3. ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ
Лабораторная работа выполняется на IBM - совместимом компьютере в среде операционной системы Windows 3.1 и выше. Для выполнения работы необходимо запустить программу "Изоляция".
Установка (рис.3) состоит из трубы 1 круглого сечения, теплоизоляции 2, регуляторов размеров трубы 6-7 и толщины теплоизоляции 10, списков материалов стенки трубы 8 и теплоизоляции 9, измерительного блока, в состав которого входят датчики и приборы для измерения температур и расходов. Предполагается, что трубопровод прямой, без местных сопротивлений.
Материал стенки трубы выбирают из комбинированного списка 8, для этого нужно установить курсор мыши на кнопку справа от списка и щелкнуть левой клавишей мыши, в раскрывшемся списке поместить курсор мыши на название нужного материала стенки трубы и щелкнуть левой клавишей. Диаметр трубы и длину трубы задают при помощи регуляторов 6 и 7 соответственно. Для увеличения размера необходимо щелкнуть по верхней кнопке регулятора, для уменьшения щелкнуть по нижней. Размеры трубы (наружный диаметр и толщина стенки) указываются рядом с регуляторами. Материал изоляции выбирают аналогично выбору материала стенки трубы из комбинированного списка 9. Толщину изоляции задают регулятором 10. Кроме этих параметров студент может устанавливать значение температуры воздуха регулятором 11, температуры теплоносителя на входе в трубу регулятором 12, расхода теплоносителя регулятором 13 и скорости воздуха регулятором 14.
Измерение температуры воздуха производится датчиком 5, температуры теплоносителя на входе и выходе трубы - датчиками 3, температуры наружной поверхности трубы - датчиками 4. На приборе 15 показывается температура воздуха, на приборах 16 и 17 – температура теп-
7
4 
5 6
3 |
7 |
|
9
10 |
8 |
15 |
22 |
|
|
|
|
20 |
1 |
2 |
23 |
16 |
17 |
18 
19
21
13 |
12 |
11 |
14 |
Рис. 3. Вид лабораторной установки на экране компьютера:
1 - трубопровод, 2 - изоляция, 3 - датчики температуры теплоносителя на входе и выходе трубопровода, 4 - датчики температуры наружной поверхности изоляции на входе и выходе трубопровода, 5 - датчик температуры воздуха, 6 - регулятор диаметра трубы, 7 - регулятор длины трубы, 8 - список материалов стенки трубы,
9 - список материалов изоляции, 10 - регулятор толщины изоляции, 11 - регулятор температуры воздуха, 12 - регулятор температуры теплоносителя на входе в трубопровод, 13 - регулятор расхода теплоносителя, 14 - регулятор скорости воздуха, 15 - температура воздуха, 16, 17 - температура теплоносителя на входе и выходе трубопровода, 18, 19 - температура наружной поверхности изоляции на входе и выходе трубопровода, 20 - цена деления расходомера, 21 - расходомер для измерения расхода теплоносителя, 22 - скорость воздуха, 23 - графики распределения температур и потерь тепла по длине трубопровода
8
лоносителя на входе и выходе трубы соответственно, на приборах 18 и 19 - температура наружной поверхности трубы на входе и выходе теплоносителя соответственно. Расход теплоносителя измеряют при помощи расходомера 21, цена деления ротаметра устанавливается автоматически в зависимости от диаметра трубы и показывается на табло 20. Скорость воздуха измеряют анемометром 22.
На графике 23 отображаются диаграммы потерь тепла по длине трубы (красного цвета), распределения температуры теплоносителя по длине трубы (синего цвета) и температуры наружной поверхности трубы (зеленого цвета).
4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
Перед выполнением работы студент должен знать теоретические положения изучаемого физического явления, изучить устройство лабораторной установки, уметь задавать и определять значения физических величин: температуры, расхода, уметь изменять размеры трубы, материал трубы и теплоизоляции. Студенту необходимы навыки работы на компьютере в операционной среде Windows 3.1. Перед проведением работы подготавливается журнал наблюдений для записи измеряемых величин по образцу табл. 1 приложения.
По указанию преподавателя выбирается задача исследования, определяются диапазоны параметров изучаемого процесса.
Работу выполняют в следующей последовательности:
1. Для входа в локальную сеть компьютера набрать команду login
исетевое имя lab.lab.
2.Запустить операционную систему Windows3.1, для этого нужно набрать команду win.
3.В окне “Лабораторные работы” выбрать программу “Изоля-
ция” и запустить на исполнение (поместить на пиктограмму программы курсор мыши и дважды щелкнуть по левой клавише мыши). На экране компьютера появится окно программы, аналогичное рис. 3.
4.Выбрать материал стенки трубы и теплоизоляции при помощи комбинированных списков 8 и 9.
5.Установить размеры трубы регуляторами 6 и 7 и толщину изоляции - регулятором 10.
9
6.Задать температуру теплоносителя на входе в трубу регулятором 12, температуру воздуха регулятором 11, расход теплоносителя регулятором 13 и скорость воздуха регулятором 14.
7.В журнал наблюдений записать размеры и материал трубы и теплоизоляции; показания приборов 15-22, определить теплопотери по графику 23.
8.Пункты 4 - 7 повторить до выполнения задачи исследования.
5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
1. На основании проведенных исследований произвести расчет массового расхода теплоносителя G, его средней скорости движения w, критериев Re, Pr. Теплофизические свойства теплоносителя, материалов трубы и изоляции найти по справочникам [2-3] и приложению при определяющей температуре.
2. В зависимости от режима движения теплоносителя в трубе (значения критерия Re) по уравнениям (3) - (5) рассчитать критерий Nu и коэффициент теплоотдачи α 1. По уравнениям (6) - (9) рассчитать коэффициент теплоотдачи α 2. Далее определить максимальное располагаемое количество тепла на входе в трубопровод Qmax по уравнению (10), потери тепла в трубопроводе QR и QТ по уравнениям (1) и (11) и долю потерь:
∆ Q = QR 100 % .
Qmax
Если температура теплоносителя на выходе превышает температуру воздуха менее чем на один градус, то расчет QR по формуле (1) не выполнять, а потери тепла через стенку трубы и слой теплоизоляции QR принять равными максимальному располагаемому количеству тепла на входе в трубопровод Qmax.
3.Полученные данные занести в табл. 2 приложения, записи в которой должны соответствовать записям в табл.1 приложения.
4.По результатам расчетов построить графики:
Задача 1. Зависимость линейного термического сопротивления от толщины изоляции RL=f(δ из) для различных материалов изоляции и диаметров трубопровода. Зависимость располагаемого количества тепла на выходе из трубопровода от толщины изоляции Q=f(δ из).