Расчет теплоизолирующего экрана

Промышленная теплозащита достигается герметизацией оборудования, максимальной механизацией и автоматизацией технологических процессов с выводом работающих из «горячих зон» (дистанционное управление), оптимальным размещением оборудования и рабочих мест, автоматическим контролем и сигнализацией, применением средств коллективной и индивидуальной защиты.

Для защиты от теплового излучения и высоких температур воздуха применяются следующие коллективные теплозащитные средства: теплоизоляция поверхностей источников излучения теплоты; экранирование источников либо рабочих мест; воздушное душирование; радиационное охлаждение; мелкодисперсное распыление воды; общеобменная вентиляция или кондиционирование воздуха. Общеобменной вентиляции при этом отводится ограниченная роль – доведение условий труда до комфортных с минимальными эксплуатационными затратами.

Выбор теплозащитных средств в каждом отдельном случае должен осуществляться по максимальным значениям эффективности с учетом требований эргономики, технической эстетики, безопасности для данного процесса или вида работ и технико-экономического обоснования. Установленные в цехе теплозащитные средства должны быть простыми в изготовлении и монтаже, удобными для обслуживания; не затруднять осмотр, чистку, смазку агрегатов; обеспечивать полную гарантию безопасности работы; обладать необходимой прочностью; иметь минимальные эксплуатационные расходы.

Теплоизоляция горячих поверхностей (печей, сосудов и трубопроводов с горячими газами и жидкостями) снижает температуру излучающей поверхности и уменьшает как общее выделение теплоты, так и лучистую его часть. Кроме улучшения условий труда теплоизоляция уменьшает тепловые потери оборудования, снижает расходы топлива (электроэнергии, пара) и приводит к увеличению производительности агрегатов. Следует иметь в виду, что теплоизоляция, повышая рабочую температуру изолированных элементов, может резко сократить срок их службы. Решение о теплоизоляции должно быть проверено расчетом рабочей температуры изолированных элементов. Если она окажется выше предельно допустимой, защита от тепловых излучений должна осуществляться другими способами.

Ассортимент теплоизоляционных материалов разнообразен. Обычно для теплоизоляции применяются материалы, теплопроводность λ которых при температурах 50–100°С меньше 0, 2 Вт/(м∙ К). При выборе материала для теплоизоляции необходимо принимать во внимание механические свойства материалов, а также их способность выдерживать высокую температуру. Если температура изолируемого объекта высокая, то обычно применяется многослойная изоляция: сначала ставится материал, выдерживающей высокую температуру (так называемый высокотемпературный слой), а затем уже более эффективный материал с точки зрения теплоизоляционных свойств. При этом толщина «высокотемпературного слоя» выбирается из тех условий, чтобы температура на его поверхности не превышала предельную температуру применения следующего слоя. В таблице 1 приведены характеристики различных теплоизоляционных материалов и конструкций.

Таблица 1 – Характеристики и расчетные формулы для определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов

Конструктивно теплоизоляция может быть мастичной, оберточной, засыпной, из штучных изделий и смешанной. Мастичная изоляция осуществляется путем нанесения на горячую поверхность изолируемого объекта изоляционной мастики. Мастичную изоляцию можно применять на объектах любой конфигурации. Оберточная изоляция изготовляется из волокнистых материалов – асбестовая ткань, минеральная вата, войлок и др. Наиболее пригодна оберточная изоляция для трубопроводов. Засыпную изоляцию используют в основном при прокладке трубопроводов в каналах и коробах там, где требуется большая толщина изоляционного слоя или при изготовлении теплоизоляционных панелей. Теплоизоляцию штучными или формованными изделиями, скорлупами применяют для облегчения работ. Смешанная изоляция состоит из нескольких слоев. В первом слое обычно устанавливают штучные изделия. Наружный слой изготовляют из мастичной или оберточной изоляции. Целесообразно устраивать алюминиевые кожухи снаружи теплоизоляции. Затраты на устройство кожухов быстро окупаются вследствие уменьшения тепловых потерь на излучение и повышения долговечности изоляции под кожухом.

Основной задачей расчетов тепловой изоляции является определение потерь тепла и температур в изоляционном слое при заданной изоляционной конструкции или толщине изоляционного слоя, удовлетворяющих определенным требованиям. Эти требования в большинстве случаев диктуются условиями производственного процесса изолируемой установки. Но в том случае, когда тепловая потеря изолированного объекта не регламентирована, а изоляция необходима как средство, обеспечивающее нормальную температуру воздуха в рабочих помещениях или предохраняющее обслуживающий персонал от ожогов, обычно толщину изоляционного слоя определяют по заданной температуре на поверхности изоляции. В таких случаях в помещении температура на поверхности изоляции t_kпринимается равной: 35°С при температуре внутри источника теплоты до 373 К (100°С) и 45°С при температуре внутри источника теплоты выше 100°С в закрытых рабочих помещениях, 60°С на открытом воздухе и в открытых помещениях при штукатурном покровном слое и 50–55 ° С –при металлическом.

Расчетные формулы для плоской стенки значительно проще формул для цилиндрических объектов. Обычно формулы плоской стенки можно применять, если диаметр изолируемой стенки равен 2 ми более.

Для плоской поверхности толщину изоляционного слоя δ _из, определяют по формуле:

, м (1)

где t– температура теплоносителя, °С;

t_к—температура наружной поверхности изоляционной конструкции, °С;

t_н— температура окружающего воздуха, °С;

α _н - коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции в окружающий воздух.

Дляцилиндрической поверхности пользуются формулой:

, (2)

где d_k - наружный диаметр изоляционной конструкции, м;

d_н -наружный диаметр изолируемого объекта, м.

После определения по х∙ lnхзначения (таблица 2) толщину изоляции находят по формуле (3):

, м (3)

В зависимости от условий расчета коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции в окружающий воздух α _н определяют по приближенным формулам (4)–(7). При этом обычно температура окружающего воздуха принимается максимальной.

Если температура теплоотдающей поверхности находится в диапазоне 0–150°С и коэффициент излучения в пределах 4—4, 6 ккал/(ч·м²·°К⁴), то

для плоской поверхности, находящейся в помещении,

α _н = 8, 4 + 0, 06∙ (t_к - t_н), (4)

для цилиндрической поверхности, находящейся в помещении,

α _н = 8, 1 + 0, 045∙ (t_к - t_н). (5).

Для поверхности с коэффициентом излучения 1–2 ккал/(ч·м²·°К⁴) [оцинкованная сталь, листы алюминиевых сплавов и алюминия с оксидной пленкой], находящейся в помещении,

α _н = 4, 5 + 0, 052∙ (t_к - t_н). (6)

Для объектов, находящихся на открытом воздухе,

α _н = 10 + 6∙ (7)

где ω _в— скорость ветра, м/сек.

Таблица 2 – Значения функций х∙ lnх

Для приближенного определения толщины изоляционного слоя по заданной температуре на поверхности изоляции с коэффициентом излучения 4–4, 6 ккал/(ч·м²·°К⁴) можно использовать номограмму (рисунок 1).

Рисунок1 – Номограмма для определения толщины изоляции по заданной температуре на поверхности изоляции с коэффициентом излучения 4–4, 6 ккал/(ч·м²·°К⁴).

Порядок пользования номограммой. Отложив на оси ординат поля I заданное значение перепада температур между изолируемой стенкой и поверхностью изоляции t-t_н, проводят горизонтальную линию до пересечения с линией расчетного значения коэффициента теплопроводности изоляции λ _из, затем ведут вертикальную прямую в поле II до пересечения линией заданного перепада температур между поверхностью изоляции и окружающего воздуха t_k-t_н. Из точки пересечения проводят горизонтальную линию в поле iii до пересечения с кривой заданного значения наружногодиаметра трубопровода d_н, откуда опускают перпендикуляр на ось абсцисс, где находят искомое значение δ _из.