Основні розрахункові залежності
У завдання теплового розрахунку входить вирішення наступних питань: визначення теплових втрат теплопроводу; розрахунок температурного поля навколо теплопроводу, тобто визначення температур ізоляції, повітря в каналі, стінок каналу, грунту; розрахунок падіння температури теплоносія вздовж теплопроводу; вибір товщини теплової ізоляції теплопроводу.
Кількість теплоти від одного погонного метра теплопроводу, що проходить в одиницю часу через ланцюг послідовно з'єднаних термічних опорів, обчислюється, відповідно до загальними уявленнями про передачу теплоти через огороджувальну стінку, по формулі
де q- питомі теплові втрати теплопроводу, Вт / м; # 964; - температура теплоносія, 0 С; t0 - температура навколишнього середовища, 0 С; Σni = 1Ri - сумарне термічний опір ланцюга теплоносій - навколишнє середовище (термічний опір ізоляції теплопроводу), м • K / Вт.
При тепловому розрахунку теплових мереж як правило доводиться визначати теплові потоки через шари і поверхні циліндричної форми. Питомі теплові втрати і термічні опору відносяться зазвичай до одиниці довжини теплопроводу.
У теплоизолированном трубопроводі, оточеному зовнішнім повітрям, теплота повинна пройти мінімум через чотири послідовно з'єднаних опору: (внутрішню поверхню робочої труби, стінку труби, шар ізоляції і зовнішню поверхню ізоляції). Так як сумарний опір одно арифметичній сумі послідовно з'єднаних опорів, то
де Rв, Rтр, Rи, Rн - термічні опори внутрішньої поверхні робочої труби, стінки труби, шару ізоляції і зовнішньої поверхні ізоляції, м * К / Вт.
В тепловому розрахунку зустрічається два види термічних опорів:
- опір поверхні (в розглянутому прикладі Rв, Rн);
- опір шару (в розглянутому прикладі Rтр, Rи)
В ізольованих теплопроводах основне значення має термічний опір шару теплової ізоляції.
Термічний опір шару
Вираз для термічного опору однорідного циліндричного шару легко виводиться з рівняння Фур'є, яке має вигляд R = 12∋π ∋ # 955; ∋lnd 2d 1, (3.10)
де # 955; - коефіцієнт теплопровідності шару; де d1, d2 і - внутрішній і зовнішній діаметри шару.
Для теплового розрахунку істотне значення мають лише потужні шари з великим термічним опором. Такими шарами є теплова ізоляція, стінка каналу, масив грунту і т.п. З цих міркувань при тепловому розрахунку ізольованих теплопроводів зазвичай не враховується термічне опір щодо тонкої металевої стінки робочої труби і її температура приймається рівною температурі теплоносія.
Якщо кілька трубопроводів прокладені в загальному каналі, то тепловий потік (теплові втрати) від кожного з них надходять в канал, а потім загальний тепловий потік відводиться через стінки каналу і грунт в навколишнє середовище. Завдання теплового розрахунку многотрубний теплопроводу в каналі зводиться в першу чергу до знаходження температури повітря в каналі. Знаючи температуру повітря в каналі, можна визначити тепловіддачу кожного трубопроводу за загальними правилами теплового розрахунку трубопроводів, оточених повітрям.
Температура повітря в каналі визначається за рівнянням теплового балансу. При сталому тепловому стані кількість теплоти, що підводиться від трубопроводів до повітряному прошарку каналу, дорівнює кількості теплоти, що відводиться від повітряного прошарку через стінки каналу і масив грунту в навколишнє середовище.
Припустимо, що в підземному каналі прокладено трубопроводів, термічний опір ізоляційної конструкції (шару і зовнішньої поверхні ізоляції) кожного з теплопроводів відповідно рівні R 1, R 2, ..., Rn. а температури теплоносія в кожному з трубопроводів # 964; 1, # 964; 2, ..., # 964; n.
Сумарне термічний опір внутрішньої поверхні каналу, стінок каналу і грунту R к-0 = R п.к + R до + R гр.
Температура грунту на глибині залягання осі теплопроводу одно t0. Рівняння теплового балансу для такої багато трубної системи матиме такий вигляд
Знаючи температуру повітря в каналі, легко знайти тепловтрати кожного трубопроводу.
Розрахунок тепловтрат моноготрубного Безканальні теплопроводу може бути проведено за методом, розробленим Є.П. Шубіним.
Взаємний вплив сусідніх труб враховується умовним додатковим термічним опором. При двотрубному теплопроводі умовне додатковий опір (рис. 3.3)
де h - глибина закладення осі теплопроводу від поверхні землі; b - відстань по горизонталі між осями труб.
Втрати двотрубного Безканальні теплопроводу розраховуються за такими формулами:
тепловтрати першого трубопроводу
тепловтрати другого трубопроводу
де # 964; 1 і # 964; 2 - температури теплоносія в першій і в другій трубах; t 0- природна температура ґрунту на глибині осі теплопроводу; R 1 сумарне термічний опір ізоляції першої труби і грунту
; R 2 - сумарне термічний опір ізоляції другої труби і грунту
Температурне поле в грунті навколо однотрубного Безканальні теплопроводу розраховується за формулою
де t - температура будь-якої точки грунту, розташованої за відстань x від вертикальній площині, що проходить через вісь теплопроводу, і на відстані C від поверхні грунту, 0С (див. рис. 3.1); \ Tau -температуратеплоносітеля,<>^ С; R $ - сумарне термічний опір теплової ізоляції і грунту.
Температурне поле в грунті навколо двотрубного Безканальні теплопроводу обчислюється за формулою
де t - температура будь-якої точки грунту, розташованої за відстань x від вертикальній площині, що проходить через вісь труби з більш високою температурою теплоносія (в двотрубних водяних мережах - через вісь труби, що подає), і на відстані y від поверхні грунту, 0 С (див. рис. 6.3).
Рис.3.3. Схема двотрубного Безканальні трубопроводу
Розрахунок температурного поля в грунті навколо теплопроводу в каналі з повітряним зазором може проводиться по (3.32). В цьому випадку під # 964; слід розуміти температуру повітря в каналі, а під R - сумарний термічний опір внутрішньої поверхні, стінок каналу і грунту.
При безканальної прокладці термічний опір теплопроводу є сумою двох доданків - опору шару ізоляції і опору грунту (див. Рис. 3.1).
При наявності повітряного прошарку між ізольованим трубопроводом і стінкою каналу термічний опір теплопроводу визначається як сума послідовно з'єднаних опорів (див. Рис. 3.2)
де R і, R н, R п.к, R до, R гр - опір відповідно шару ізоляції, зовнішньої поверхні ізоляції, внутрішньої поверхні каналу, стінок каналу і грунту.
Рис.3.2. Схема однотрубного теплопроводу в каналі
Температура повітря в каналі однотрубного теплопроводу визначається з рівняння теплового балансу дозволеного щодо - температури повітря в каналі
Зміна температури теплоносія викликає тим менша зміна температури повітря в каналі, чим більше термічний опір ізоляційної конструкції і чим менше термічний опір каналу і грунту.