Практическое занятие 3

Тема занятия: Сопоставительный тепловой расчёт участка однотрубного теплопровода ГВС предприятия в ППУ-изоляциии и матах минераловатных.

Задача 3

Условие задачи: выбрать толщину тепловой изоляции δ_и, определить годовые потери теплоты Q_г, снижение температуры теплоносителя δτ и температуру поверхности t_п участка однотрубного теплопровода ГВС надземной прокладки предприятия с диаметром 108×4 мм и длиной 100 м в условиях Санкт-Петербурга (СПб). В качестве ТИК принять: основной слой (ОС) - ППУ, покровный слой – полиэтилен (Вар. 1). Сопоставить результаты расчёта с вариантом ТИК: основной слой – маты минераловатные (МВ), покровный слой – сталь тонколистовая толщиной 0,5 мм (Вар. 2).

Исходные данные по Вар. 1 (ОС – ППУ, ПС - полиэтилен):

1. Диаметр трубопровода d_н×δ = 108×4 мм. 2. Длина участка l = 100 м. 3. Теплопроводность ППУ λ_и = 0,035 Вт/(м∙К), полиэтилена – λ_п = 0,43 Вт/(м∙К). 4. Толщина ТИК (по данным ЗТТ Петерпайп) ОС δ_и = 38,5 мм, ПС δ_п = 3,5 мм. 5. Температура теплоносителя τ = 60 °С. 6. Расчётная температура окружающей среды, равная среднегодовой температуре наружного воздуха по СНиП 23-01-99 t_о = 4,4 °С. 7. Средняя скорость ветра w = 2,8 м/с. 8. Расчётный расход теплоносителя на участке G^р_св = 5 кг/с.

Исходные данные по Вар. 2 (ОС – МВ, ПС – ст. тонколистовая): 1. Теплопроводность МВ λ_и = 0,0513 Вт/(м∙К), стали λ_п = 76 Вт/(м∙К). 2. Толщина ТИК ОС δ_и = 80 мм, ПС δ_п = 0,5 мм. Остальное по Вар.1.

Решение Вар. 1

1. Наружный диаметр ОС изоляции

d_2и = d_н + 2* δ_и = 108+2*44 = 196 мм.

2. Термическое сопротивление слоя изоляции – по формуле (8.24)

R_и = [ln (d_2и/d_1и)]/2πλ_и = [ln (196/108]/2π∙0,035 = 2,7097 (м∙К)/Вт.

3. Наружный диаметр ПС ТИК

d_2п = d_2н + 2*δ_п = 196+2*3,5 = 203 мм.

4. Термическое сопротивление ПС ТИК

R_п = [ln (d_2п/d_1п)]/2πλ_п = [ln (203/196]/2π∙0,43 = 0,0130 (м∙К)/Вт.

5. Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности ТИК в окружающую среду – по формуле (8.26б)

α_к = 11,6 + 7 w^0,5 = 11,6 + 7*2,8^0,5 = 23,3 Вт/(м²∙К).

6. Термическое сопротивление наружной поверхности ТИК – по формуле (8.25)

R_н = 1/(πd_2пα_к) = 1/(π*203∙10^-3*23,3) = 0,0673 (м∙К)/Вт.

7. Суммарное термическое сопротивление ТИК

R = R_и + R_п + R_н = 2,7097 + 0,0130+ 0,0673 = 2,79 (м∙К)/Вт.

8. Плотность теплового потока – по формуле (8.21)

q = (τ - t_о)/R = (60 – 4,4)/2,79 = 19,93 Вт/м

9. Норма плотности теплового потока – по СНиП 41-03-2003 (таблица 2)

q_н = 20 Вт/м > q = 19,93 Вт/м

10. Годовые потери теплоты через ТИК на участке – по формуле (8.46) – с учётом нормативного времени годовой эксплуатации h_г = 8400 ч

Q_г = ql (1 + μ_т) h_г = 19,93∙10^-6*100*(1+0,25)*8400 = 20,9 МВт∙ч = 75,3 ГДж.

11. Снижение температуры теплоносителя на участке – по формуле (8.49)

Δτ = τ₁ - τ₂ = Q_г/ (h_г G^р_свc_p) = 20,9∙10^-6/(8400*5*4187) = 0,119 °С.

12. Температура на поверхности ТИК - по формуле (8.29)

t_п = [τ/(R_и + R_п) + t_о/ R_н]/ [1/(R_и + R_п) + 1/ R_н] = = [60/(2,7097 + 0,0130)+ 4,4/0,0673]/ [1/(2,7097 + 0,0130)+ 1/0,0673] = 5,74 °С,

что значительно ниже допустимого значения (60 °С – табл. 8.6)

Результаты расчётов по Вар. 1 приведены в табл. ПЗ.2.

Таблица ПЗ.2

Тепловой расчёт однотрубного трубопровода

Вар.	Материал				l, м	dн труб., мм		Размеры ТИК, мм							λ, Вт/(м∙К)			w, м/с		αк, Вт/(м^2∙К)
	ОС	ПС						d1и	d2и		d1п		d2п		ОС	ПС
1	2	3			4	5		6	7		8		9		10	11		12		13
1	ППУ	Полиэтилен			100	108*5		108	196		196		203		0,0350	0,43		2,8		23,31
2	МВ	Ст.			100	108*4		108	268		268		269		0,0513	76		2,8		23,31
Вар.	R, (м∙К)/Вт									q, Вт/м				Qг, МВт∙ч			δτ, °C		tп, °C
	ОС		ПС	Наружной поверхности			Суммарное			Расчёт		Норма
1	14		15	16			17			18		19		20			21		22
1	2,7098		0,01299	0,0673			2,7900			19,93		20		20,92			0,119		5,74
2	2,8193		0,000008	0,0508			2,8701			19,37		20		20,34			0,116		5,38

Решение Вар. 2

Расчёт производится по приведённому алгоритму. Результаты расчёта представлены в табл. ПЗ.2. Рекомендуется результаты расчёта по Вар. 1 перенестии на ПК (Excel) и произвести там расчёты по Вар. 2.

Следует иметь в виду, что при выборе МВ в качестве материала теплоизоляционного слоя, его толщину δ_иу выбирают с учётом коэффициента уплотнения К_с по формуле

δ_иу = δ_и К_с(d_н + δ_и)/(d_н + 2δ_и)

где К_с = 1,2 (СНиП 41-03-2003, Прилож. В). Если соотношение К_с (d_н + δ_и)/(d_н + 2δ_и) <1,0, то его принимают равным 1,0. В нашем примере 1,2·(108 + 80)/(108 + 2*80) = 0,842. Следовательно, поправка на уплотнение изоляции не вводится.

Вывод. Применение теплопроводов заводской готовности (ТИК – ППУ и полиэтиленовая оболочка) обеспечивает:

• уменьшение диаметра изолированного теплопровода (с 268 до 203 мм);

• повышение уровня механизации и сокращение сроков строительно-монтажных работ при прокладке ТС;

• упрощение контроля эксплуатационного состояния ТИК (в слое ППУ при монтаже ТИК на заводе заливается сигнальный провод с датчиками, от которых информация поступает на диспетчерский пункт предприятия);

• своевременная локализация места повреждения, сокращение времени и затрат на его устранение и связанных с ним потерь теплоты.