Тепловой расчёт водяной сети. Толщина изоляционного слоя.

7.1 Тип прокладки теплопроводов

Прежде всего необходимо решить как прокладывать трубопроводы, над или под землёй. Источник [4] говорит о том, что надземные трубопроводы служат дольше и, что ремонтировать их гораздо проще, но область их применения ограничена плотностью архитектурной застройки и иной загромождённостью низкоуровнего воздушного пространства. Принимаем надземную прокладку на тех участках сети, где застройка с высокой вероятностью неплотная, то есть на участках И - ПП и И - ТК. В этом случае трубопроводы расположены на железобетонных опорах. На подходе трубопроводов к жилым районам (речь идёт об участках ТК - Ж1 и ТК - Ж2) принимаем подземную безканальную прокладку теплопроводов в монолитной оболочки из вспененного полиуретана, который является теплогидроизолятором.

7.2 Основные параметры сети

Температура окружающей среды

Прокладка в воздухе: [9] рекомендует принимать за расчётную среднюю температуру за год, но основные нагрузки на нашу сеть (а значит и основные потери) существуют только в отопительный период, поэтому за расчётную примем среднюю за отопительный период температуру. Эти данные для нашей географической местности возьмём из таблицы 3.1: t_ОСВ = t_ср = – 3,7ºС.

Прокладка под землёй: вновь обращаемся к [9], который говорит, что расчётной должна стать средняя за год температура грунта, но таких сведений нам взять неоткуда, поэтому принимаем t_ОСЗ = 5ºС.

Температура теплоносителя

По сведениям [9] за расчётную температуру теплоносителя принимают среднюю за год, но, по причинам указанным выше, за расчётную примем среднюю за отопительный период температуру.

Подающий трубопровод – = 95,63ºС; Обратный трубопровод – = 45,93ºС.

Прочие параметры

Нормативные потери с погонного метра, по [9]:

Средняя скорость ветра за отопительный период – ω = 3,9 м/с;

Тип грунта – примем влажный (не будем рассчитывать на самые хорошие условия);

Изоляционный материал:

Вспененный пенополиуретан, покрытый снаружи фольгой;

Коэффициент теплопроводности – = 0,03 Вт/(м·ºС);

Водопоглощение – не более 200 см³/м³;

Плотность (сухая) – 50 кг/м³;

Прочность на сжатие – 4 кг/см³ = 0,4 МПа (то есть проходят по требованиям [9] к изоляции для безканальной прокладки теплопроводов);

pH > 8,5.

7.3 Расчёт толщины изоляционного слоя

Основан на следующем неравенстве: , самый экономичный вариант

(7.1)

где – температура теплоносителя, ºС;

R – линейное термическое сопротивление теплопередаче, (м·ºС)/Вт;

t_ОС – температура окружающей среды, ºС;

q_Н – нормативные линейные потери, Вт/м;

k – коэффициент местоположения и типа прокладки, принимаем по [9]. Для воздушной прокладки – k = 1,07, для подземной безканальной k = 1,03;

Далее разберём состав термического сопротивления R:

, (м·ºС)/Вт

Здесь R_в – сопротивление теплопередаче от теплоносителя к стенке трубы. При расчётах им пренебрегают ввиду относительной малости;

R_тр – сопротивление стенки трубы;

R_г.и – сопротивление слоя гидроизоляции. Отсутствует в нашем случае, поскольку выбранный материал и является гидроизолятором;

R_из – сопротивление изоляционного слоя;

R_п.с – сопротивление покровного слоя. Этот слой также интегрирован в изолирующий;

R_н – сопротивление теплопередаче к окружающей среде;

R_с.к – сопротивление теплопередаче от воздуха в канале к стенке канала. Отсутствует – у нас безканальная прокладка;

R_к – сопротивление стенки канала. Аналогично;

R_гр – сопротивление грунта. Отсутствует в случае воздушной прокладки теплопроводов;

Есть ещё один слой между теплоносителем и окружающей средой – это слой фольги, но его сопротивление крайне мало. Таким образом получаем следующее уравнения для прокладки воздухом:

R = R_тр + R_из + R_н (7.2)

И такое для подземной:

R = R_тр + R_из + R_гр + R_н (7.3)

Расчётные уравнения для термических сопротивлений на погонный метр:

(7.4)

где d_вн – внутренний диаметр трубопровода;

d_нар – наружный диаметр трубопровода;

– теплопроводность стенки, для стальной трубы = 24 Вт/(м·ºС);

(7.5)

где – наружный диаметр цилиндрического изолирующего слоя;

– внутренний диаметр слоя изолятора;

– теплопроводность изолятора. Уже упоминалось, что = 0,03 Вт/(м·ºС), но с учётом корректировки на влажность грунта 0,0315 Вт/(м·ºС);

(7.6)

где – наружный диаметр заизолированного теплопровода;

– теплоотдача наружной стенки теплопровода воздуху, по [11]:

(7.7)

(7.8)

где Н – глубина заложения теплопровода, принимаем Н = 2 м;

– теплопроводность грунта, по [6], для влажного, глинистого (суглинистого) грунта расчётный коэффициент теплопроводности = 2 ккал/(м·ч·ºС) = 2,326 Вт/(м·ºС);

Осталось получить расчётную формулу для толщины изоляционного слоя:

,

значит и далее , тогда , получаем формулу:

(7.9)

Поскольку выбранный нами материал не уплотняющийся (как, например, минераловатные маты), то формула 75.8 является окончательной.

Минимально возможную толщину изоляции определяет технология наложения изоляции (в нашем случае возможен очень широкий диапазон толщин и мы не будем проверять на технологическую минимальность), а также температура на поверхности изоляции, которая должна быть не более 75ºС для поверхностей тепловой изоляции трубопроводов, расположенных за пределами рабочей или обслуживаемой зон.

Температура поверхности изоляции из условия равенства конвективного и теплопроводного теплопотоков:

, отсюда . Здесь R может быть равным R_н и R_гр.

При расчёте обратного трубопровода в этой проверке нет необходимости, поскольку расчётная температура теплоносителя протекающего в нём гораздо ниже максимально допустимой ºС < 75ºС.

Результаты расчётов по формулам 7.4, 7.5, 7.6, 7.7, и 7.9 сведём в таблицу. Единица измерения термического сопротивления в таблице принята (м·ºС)/Вт, коэффициента теплоотдачи – Вт/(м²·ºС), теплопотерь – Вт/м, температуры – ºС.

Таблица 5.2 Результаты расчёта тепловой изоляции
Участок	dвн, м	dнар, м	Rтр·105	Направление		Rн	Rгр	qН, Вт/м	δиз, м	tп
И - ПП	0,23	0,244	39,1846	прямой	16,75	0,0569	–	53,878	0,045	-5,86
обратный	16,91	0,0581	–	29,678	0,04	–
И - ТК	0,512	0,53	22,9133	прямой	13,78	0,0361	–	89,533	0,055	-5,34
обратный	13,91	0,0369	–	53,364	0,045	–
ТК - Ж1	0,338	0,356	34,4072	прямой	–	–	0,0581	65,837	0,045	5,88
обратный	–	–	0,0361	35,872	0,035	–
ТК - Ж2	0,408	0,426	28,6294	прямой	–	–	0,0369	76,117	0,045	5,88
обратный	–	–	0,1973	41,44	0,035	–

7.4 Расчёт тепловых потерь

Полученные в предыдущем параграфе значения толщины изоляции, нуждаются в корректировке на соответствие индустриально производимым образцам..

Далее пересчитываем величины термических сопротивлений (формулы 7.5, 7.6 и 7.8).

Следующим шагом станет нахождение удельных теплопотерь (с погонного метра) прямого и обратного трубопровода. С трубопроводами проложенными над землёй всё просто: подвижность воздуха не позволяет создать устойчивое температурное поле вокруг трубопроводов и тем самым ослабить теплопотери, то есть влиянием трубопроводов друг на друга можно пренебречь. Тогда:

(7.10)

Для подземных трубопроводов взаимное влияния учитывают введением дополнительного фиктивного сопротивления:

(7.11)

где В – расстояние между осями трубопроводов, примем В = d_нар + 0,2, м;

И в этом случае удельные теплопотери прямого и обратного теплопроводов считаются так:

(7.12)

(7.13)

После определения линейных потерь считаем полные:

Q_тп = (q₁ + q₂)·ℓ·k_м (7.14)

где k_м – коэффициент, учитывает потери теплоты через арматуру, фланцы и опоры. Для подземной бесканальной прокладки k_м = 1,15, для надземной k_м = 1,05;

ℓ – длина участка.

Результаты расчетов сведем в таблицу 7.3.