ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭНЕРГОАУДИТА

ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ

Теплоизоляционными называют материалы, коэффициент теплопро­водности которых при Т = + 50... 100 °С меньше 0,23 Вт/(м - К). К ним относят: шлаковую вату, совелит, вермекулит, асбест и др. При выборе изоляции необходимо учитывать механические свойства (плотность, прочность), способность поглощать влагу, выдерживать высокую темпе­ратуру, а также стоимость теплоизоляционного материала.

Предположим, что горячая жидкость (внутри трубопровода) имеет температуру Tf 1 и коэффициент теплоотдачи a1, а холодная жидкость (окружающая среда) снаружи трубопровода - температуру Tf 2 и коэф­фициент теплоотдачи a2. Коэффициенты теплопроводности материала стенки и изоляции соответственно равны - Лм и Лиз. Диаметры двухслой­ной цилиндрической системы - d1, d2 и d3, а толщина слоя теплоизоляции - 8из. Соответственно соотношения: d3 = d2 + 28^ или d3 - d2 = 28из.

Теплопередача и термические сопротивления цилиндрических систем в зоне изолированного трубопровода II и голого трубопровода I определя­ются по известным формулам:

Q = Kb (Tf 1 - Tf 2 ) ; QII = R ;

RII

Qi = ^ (Tf 1 - Tf 2 ) ;

RI

1 1 , d 2 1 , d3 1

RII =-------------------------------- +------- in— +--------- in— + -

A1d1 21M d1 21 из d2 a 2d3

1 1 d2 1

RI =---------------------------------------- +------- ln— + -

A1d1 21м d1 a 2 d2

Разность термических сопротивлений изолированного II и голого I трубопроводов позволяет получить выражение:

RII - RI = _J_inА. + _!--------------------------------

21из d 2 a 2 d 3 a 2d 2

В полученной формуле приведем к общему знаменателю последние два слагаемых и с учетом этого получим разность термических сопротивле-

AR = RII - RI = -^in^ + f-d2 - d3

21 из d 2 va 2 d 2 d3

J_in= А - Б.

21из d 2 a 2d 2 d 3

Из полученного соотношения следует, что разность термических со­противлений AR изолированного и голого трубопровода может быть со знаком (+) или (-). Это означает, что изолированный трубопровод при оп­ределенных физических условиях может терять теплоты меньше или боль­ше, чем в этих же условиях теряет голая труба. При больших значениях произведения a2d3d2 накладка изоляции способствует уменьшению потерь теплоты. И наоборот, при малых значениях произведения a2d3d2 накладка изоляции приводит к увеличению потерь теплоты по сравнению с неизоли­рованным трубопроводом.

В действительности диаметр d3 всегда больше d2, комплекс А и Б из­меняется от нуля до бесконечности, а значения толщины изоляции 5из, диа­метров d3 и d2 оказывают влияние на изменение и комплекса А, и комплек­са Б. Найти значение толщины изоляционного слоя, соответствующего критической точке, когда А = Б, можно, приравняв выражение (а) к нулю.

Очевидно, что для снижения тепловых потерь нужно, чтобы термиче­ское сопротивление RII изолированного трубопровода было выше, чем не­изолированного RI, т. е. должно выполняться неравенства AR > 0 или А > Б. Подставляя (а) в неравенство AR > 0 и решая его относительно значения Хиз, d2 и a2, получим:

Хиз < a2 d2 / 2. (б)

Если коэффициент теплопроводности применяемой тепловой изоля­ции Хиз удовлетворяет неравенству (б), то материал выбран правильно и изоляция рентабельная. Если условие (б) не выполнено и выбран материал теплоизоляции с Хиз > a2 d2 / 2, то при его нанесении на трубопровод тепло­вые потери будут не снижаться, а наоборот, увеличиваться.

При неправильном выборе материала изоляции X из наибольшие теп­ловые потери имеют место при значении диаметра изоляции

D3Bp = d из = <Лщ> = 2X из /a2.

Последнее соотношение называют критическим диаметром тепловой изоляции. Критический диаметр тепловой изоляции d из должен быть как можно меньше и поэтому в качестве теплоизолятора должен использовать­ся материал, имеющий минимальное значение коэффициента теплопровод­ности Хиз. Однако теплоизоляция с малым значением коэффициента тепло­проводности обычно имеет высокую стоимость.

Чаще всего для снижения теплопередачи через конструкции исполь­зуют менее эффективную и дешевую изоляцию, а ее качество компенсиру­ют увеличением толщины слоя 5из. Это совершенно неэкономично, так как при определенной толщине слоя недорогой и малоэффективной теплоизо­ляции потери теплоты с теплоизоляции достигнут максимума и лишь толь­ко при еще более толстом слое изоляции начнут постепенно снижаться. Изолирование объекта (трубопроводов) таким материалом следует считать нерентабельным, а изоляцию с более толстым слоем - абсурдным.

Следует отметить, что в структуру критического диаметра тепловой изоляции d из входят только коэффициент теплопроводности изоляции Хиз и коэффициент теплоотдачи a2, без влияния трубопровода (голого или изо­лированного) и его диаметра d2. Это положение не всегда и не сразу вос­принимается и поэтому вместо понятия «критический диаметр» для тех же целей можно использовать понятие «критическая толщина слоя» - d^, ко­торая должна быть связана с диаметром d2 неизолированного трубопровода и коэффициентом теплоотдачи a2.

Очевидно, что если диаметр оголенного трубопровода d2 будет мень­ше критической толщины слоя d^, данной изоляции, то такая изоляция не­рентабельна. Если же диаметр оголенного трубопровода d2 равен или больше критической толщины слоя djp данной изоляции, то такая изоляция рентабельна. Причем, чем больше диаметр трубопровода d2, тем больше теплоизоляционных материалов, которые будут рентабельны для него.

Наоборот, для трубопровода малого диаметра труднее найти рента­бельную изоляцию, а трубопроводы очень малых диаметров, отдающие теплоту к спокойному воздуху (при естественной конвекции), лучше со­всем не изолировать.

Один и тот же теплоизоляционный материал может быть рентабель­ным для трубопровода диаметром d2 и оказаться совершенно нерентабель­ным для трубопровода меньшего диаметра d 2. Поэтому для расчетов все­гда необходимо сравнивать d2 и d^.

Рассмотрим пример нанесения возможно предлагаемой изоляции с ко­эффициентом теплопроводности Хиз = 0,2 Вт/(м - К) на неизолированный трубопровод с внешним диаметром d2 = 0,025 м при коэффициенте тепло­отдачи системы в окружающую среду a2 = 8 Вт/(м2 - К).

Используя условие рентабельности тепловой изоляции, имеем:

(a2 d2)/2 = 0,025 - 8/2 = 0Д Вт/(м - К).

Так как коэффициент теплопроводности предлагаемой теплоизоляции Хиз = 0,2 Вт/(м - К) больше, чем (a2 d2)/2 = 0 Д Вт/(м - К), то использовать такую изоляцию нецелесообразно. В этом случае необходимо использовать другие теплоизоляционные материалы (с рентабельной изоляцией), для которых Хиз < 0Д Вт/(м - К).

Критическая толщина слоя тепловой изоляции

D^ = 2Хиз /a2 = 2 - 0,2/8 = 0,05 м.

Весь сортамент неизолированных трубопроводов с диаметром d2 до 0,05 м и нанесением на них предлагаемой изоляции, с коэффициентом теп­лопроводности Хиз = 0,2 Вт/(м - К) будет нерентабельным. Причем, наи­большие тепловые потери такого изолированного трубопровода (с любым диаметром до 0,05 м) имеют место при значении наружного диаметра изо­ляции ds^ = 0,05 м.

Очевидно, что если диаметр d2 используемых неизолированных тру­бопроводов будет равен или больше критической толщины слоя изоляции d^ = 0,05 м, то предлагаемая изоляция, с Хиз = 0,2 Вт/(м - К) будет всегда рентабельна, при любой толщине слоя изоляции.

Очевидно также, что тепловая изоляция с коэффициентом теплопро­водности Хиз = 0,2 Вт/(м - К), нанесенная на трубопровод диаметром d2 = 0,025 м, будет иметь наибольшие тепловые потери при толщине изоляции 8из = №р - d2) / 2 = (0,05 - 0,025) / 2 = 0,0125 м, а аналогично с диаметром d2 = 0,02 м будет иметь наибольшие тепловые потери при толщине изоля­ции 8из = (d^ - d2) / 2 = (0,05 - 0,02) / 2 = 0,015 м.

Для плоских систем любая тепловая изоляция будет всегда рентабель­на независимо от коэффициента теплопроводности и толщины изоляции.