Защита от тепловых излучений
Расчет толщины теплоизоляции
Некоторое производственное оборудование (например, котлы, паропроводы, кормозапарники, пастеризаторы и т.п.) служит источником теплового излучения. Нагретые поверхности такого оборудования представляют опасность для обслуживающего персонала, так как могут вызвать термические ожоги. Для предотвращения травмирования работающих предусматривают теплоизоляцию поверхностей, находящихся в пределах рабочей зоны и имеющих высокую (более 45 0С) температуру.
При определении толщины изоляции наряду с температурными характеристиками учитывают форму изолируемой поверхности и ее размер. Толщину изоляции при заданной температуре на ее наружной поверхности определяют по следующим формулам:
- для плоских поверхностей и цилиндрических поверхностей диаметром 2 м и более, а также сосудов, у которых отношение наружного диаметра к внутреннему менее двух:
, (3.9)
Для поверхностей цилиндрических сосудов с диаметром основания менее 2 м:
, 
, (3.10)
где λиз – коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/(м∙К), определяемый по средней температуре слоя Т ср = 0,5 ∙ (Т т + Т п): в зависимости от вида изолирующего материала (табл. 3.4); Т т – температура теплоносителя, К; Т п – температура наружной поверхности изоляции, К (Т п не должна превышать 318 К); αн – коэффициент теплоотдачи с поверхности к окружающей среде, Вт/(м2∙К): для плоских поверхностей αн = 8,4 + 0,06 ∙ (Т п – Т о); для цилиндрических - αн = 8,1 + 0,45 ∙ (Т п – Т о); Т о – температура окружающей среды (воздуха в помещении), К; d из – диаметр изолированной поверхности, м; d н – диаметр неизолированной поверхности, м.
Таблица 3.4
Формулы для расчета коэффициента теплопроводности
| Наименование теплоизолирующего материала | Максимальная температура применения | Расчетная формула для определения λиз, Вт/(м∙К) |
| Асбестовая ткань в два и более слоев | 0,123 + 0,00016∙ Т ср | |
| Мастичный асбозурит | 0,1 + 0,00015∙ Т ср | |
| Мастичный асботермит | 0,1 + 0,00009∙ Т ср | |
| Войлок: минеральный строительный 373 | 0,064 + 0,00017∙ Т ср 0,038 + 0,00018∙ Т ср | |
| Вулканитовые изделия | 0,078 + 0,00016∙ Т ср | |
| Пенодиатомитовые изделия | 0,093 + 0,00016∙ Т ср | |
| Минеральная вата в набивке под сетку по опорным кольцам из теплоизоляционного материала | 0,055 + 0,000177∙ Т ср | |
| Минераловатные маты | 0,51 + 0,00017∙ Т ср | |
| Мастичный ньювель | 0,076 + 0,00006∙ Т ср | |
| Пробка: минеральная натуральная | 0,08 0,06 | |
| Мастичный совелит | 0,085 + 0,00009∙ Т ср | |
| Стекловата | 0,047 + 0,00031∙ Т ср | |
| Теплоизоляционный шнур из минеральной ваты марки 250 | 0,058 + 0,00016∙ Т ср |
Рассмотрим варианты расчётов толщины теплоизоляции нагретых поверхностей.
В случае замены одного теплоизолирующего материала другим термические сопротивления обоих слоев, м2∙К/Вт, должны быть одинаковыми: R = R 1 = R 2. Из этого условия определяют толщину слоя вновь наносимого теплоизолирующего материала:
, (3.11)
Пример1. При ремонте тепловых сетей изоляцию трубопроводов из вулканитовых плит толщиной 0,06 м решено заменить минеральным войлоком. Определить требуемую толщину слоя теплоизолирующего материала, если температура теплоносителя Т т = 368 К, а температура на наружной поверхности изоляции Т п = 318 К.
Решение. Средняя температура слоя теплоизолирующего материала:
Используя данные табл. 3.4, определяем коэффициенты теплопроводности слоев изоляции:
- из вулканитовых плит:
,
- из минерального войлока:
.
Термическое сопротивление изоляционного слоя из вулканитовых плит:
.
Принимая R 1 = R 2 = R, определяем толщину слоя изоляции из минерального войлока:
.
Рассчитанная толщина слоя новой теплоизоляции, должна обеспечивать температуру на ее поверхности не выше 45 0С.
Задание
При ремонте тепловых сетей на ОЭ изоляцию трубопроводов из материала №1 толщиной δ1 решено заменить на другой материал №2. Определить требуемую толщину слоя теплоизоляционного материала δ2, если температура теплоносителя Т т, а температура на наружной поверхности изоляции не должна превышать в соответствии с нормами 45 0С. Варианты заданий представлены в табл. 3.5.
Таблица 3.5
Варианты заданий
| № п/п | δ, м | Материал №1 | Материал №2 | Т т |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 0,05 | Вулканические плиты | Войлок минеральный | ||
| 0,06 | Минеральная вата | Войлок строительный | ||
| 0,07 | Минеральные маты | Войлок строительный | ||
| 0,055 | Асбестовая ткань | Вулканические плиты | ||
| 0,07 | Вулканические плиты | Войлок минеральный | ||
| 0,055 | Вулканические плиты | Войлок минеральный | ||
| 0,045 | Войлок минеральный | Войлок строительный | ||
| 0,05 | Вулканические плиты | Войлок строительный | ||
| 0,06 | Минеральная вата | Стекловата | ||
| 0,05 | Минеральные маты | Пенодиатомические изделия | ||
| 0,065 | Асбестовая ткань | Вулканические плиты | ||
| 0,05 | Войлок минеральный | Войлок строительный | ||
| 0,055 | Пенодиатомические изделия | Стекловата | ||
| 0,07 | Асбестовая ткань | Войлок минеральный | ||
| 0,06 | Асбестовая ткань | Стекловата | ||
| 0,06 | Минеральная вата | Войлок строительный | ||
| 0,05 | Войлок минеральный | Войлок строительный | ||
| 0,07 | Минеральные маты | Пенодиатомические изделия | ||
| 0,06 | Асбестовая ткань | Вулканические плиты | ||
| 0,07 | Пенодиатомические изделия | Стекловата |
Пример 2.Т еплопроводность выбранного для изоляции материала с учетом температуры изолируемой конструкции определяется по формуле
, (3.12)
где b - температурный коэффициент, Т; Т н – температура соответственно теплоносителя и нормативная на этой поверхности, К.
Кроме теплопроводности теплоизоляционные материалы характеризуются плотностью (кг/см3). Следует учитывать, что материалы с одинаковой плотностью не всегда имеют одинаковую теплопроводность, так как теплоизоляционные качества материала зависят не только от объема воздуха, заключенного в его порах, но главным образом от равномерности распределения воздуха в пористом материале. Поэтому иногда материал с меньшей плотностью может иметь теплопроводность больше.
В соответствии с нормами температура нагретых поверхностей оборудования и ограждений на рабочих местах не должна превышать 45ºС, а для оборудования, внутри которого температура равна или ниже 100 ºС, температура на поверхности не должна превышать 35 ºС.
При устройстве теплоизоляции важно рассчитать общую толщину изоляционного слоя, включающего толщину конструкции:
, (3.13)
где Т о - температура окружающего воздуха, К; α - коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции в окружающий воздух,
. (3.14)
Для определения категории помещения по избыткам тепла следует вычислить количество тепла q, Вт/м3, выделяющегося с 1 м3 производственного помещения:
, (3.15)
где S к - площадь поверхности, отдающей тепло, м2; 
- потери тепла с 1 м2 изолированной поверхности, Вт/м2; W - объем помещения, м3,
, (3.16)
Задача. Площадь плоского участка печи, отдающего тепло, 20 м2, толщина теплоизоляционного слоя δиз. Температура теплоносителя 473 К. Температура окружающего воздуха 293 К.
Определить толщину слоя изоляции, необходимую для того, чтобы температура наружной поверхности, которой могут касаться работающие, не превышала нормативной - 318 К.
Решение. Определяем теплопроводность принятого изоляционного материала - стекловатные маты (формула 3.12):
λ0 = 0,042 Вт/(м2.К); b = 0,0003;
λиз = 0,042 + 0,0003∙(473 + 318 - 546)/2 = 0,0787 Вт/(м2.·К).
Коэффициент теплоотдачи α от поверхности изоляции в окружающую среду находим по формуле 3.14:
α = 8,4 + 0,06 . (318 -293) = 9,9 Вт/(м2.К).
Толщина слоя изоляции по формуле 3.13:
δиз= 0,0787 ∙ (473 - 318)/9,9 ∙ (318 - 293) = 4,9 см.
Потери тепла при принятых условиях по формуле (3.16) составят:
q = 9,9 . (318 - 293) = 247,5 Вт/м2.
Расчеты тепловой изоляции, выполненной из различных теплоизолирующих материалов или экранов из различных металлов, позволят определить экономическую эффективность применения различных способов и материалов.
Задание
Определить толщину слоя изоляции для материалов, представленных в табл. 3.6.
Таблица 3.6
Варианты заданий
| № варианта | Материал | Теплопроводность λ0, Вт/м ∙ К |
| 1/11 | Асбест | 0,151/0,123 |
| 2/12 | Бетон | 1,28/1,4 |
| 3/13 | Винилпласт | 0,163/0,17 |
| 4/14 | Войлок шерстяной | 0,047/0,038 |
| 5/15 | Опилки древесные | 0,070/0,043 |
| 6/16 | Пенопласт | 0,047/0,05 |
| 7/17 | Стекло | 0,698/0,814 |
| 8/18 | Шлаковая вата | 0,076/0.06 |
| 9/19 | Кирпич обыкновенный | 0,698/0,814 |
| 10/20 | Стекловата | 0,05/0,055 |