РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ
НЕИЗОЛИРОВАННЫМИ ТРУБОПРОВОДАМИ
ПРИ НАДЗЕМНОЙ ПРОКЛАДКЕ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Содержание
| Введение 1. Теоретические основы расчета тепловых потерь неизолированными трубопроводами при надземной прокладке 2. Особенности расчета потерь теплоты длинными участками неизоли- рованных теплопроводов 3. Практическая методика расчета тепловых потерь 4. Пример расчета теплопотерь трубопровода Приложение А. Теплофизические характеристики сухого воздуха |
Введение
В настоящем документе рассмотрены особенности расчета тепловых потерь неизолированными трубопроводами тепловых сетей при надземной прокладке и предложена практическая методика выполнения расчета.
Расчет тепловых потерь изолированными трубопроводами должен выполняться в соответствии с методиками, изложенными в действующих нормативных документах /1, 2/. Характерным для данной ситуации является то, что тепловой поток в основном определяется термическим сопротивлением тепловой изоляции. При этом коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности покровного слоя мало влияет на величину тепловых потерь и поэтому может быть принят по средним значениям.
Работа трубопровода тепловой сети без тепловой изоляции является нетиповой ситуацией, так как, согласно нормам, все теплопроводы должны иметь тепловую изоляцию во избежание значительных тепловых потерь. Именно поэтому ни в каких нормативных документах не приводятся методики расчета теплопотерь трубопроводов для данного случая.
Тем не менее, при эксплуатации тепловых сетей могут возникать и возникают ситуации, когда отдельные участки трубопроводов лишены тепловой изоляции. Для обеспечения возможности расчета потерь тепла такими трубопроводами и разработано настоящая методика. Она базируется на наиболее общих теоретических зависимостях по теплоотдаче трубопровода в условиях вынужденной конвекции, которые приводятся в учебной и справочной литературе.
В соответствии с требованием заказчика все формулы и расчетные величины приводятся не в международной системе единиц, а применительно к измерению теплопотерь в ккал/час.
Теоретические основы расчета тепловых потерь
Неизолированными трубопроводами
При надземной прокладке
Трубопровод тепловой сети представляет из себя горизонтально расположенную нагретую трубу, обдуваемую ветром или находящуюся в спокойном воздухе. Поэтому теплоотдачу такого трубопровода можно определять по известным зависимостям с использованием коэффициента теплопередачи через стенку трубы:
Q = Fп · (Tп – Tв ) / К, (1.1)
К = 1 / (1/αп + δм/λм + 1/αw), (1.2)
| где | Q αп Fп Tп Tв К αп δм λм αw Tп | — — — — — — — — — — — | теплоотдача трубопровода, ккал/час; коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности трубопровода, ккал/(час м2 °С); площадь наружной поверхности трубопровода, м2; температура наружной поверхности трубопровода, °С; температура наружного воздуха, °С. коэффициент теплопередачи через стенку рассматриваемого трубопровода, ккал/(час м2 °С); коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности трубопровода, ккал/(час м2 °С); толщина металлической стенки трубы, м; теплопроводность материала стенки трубы, ккал/(ч м °С); коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности трубопровода, ккал/(час м2 °С); температура наружной поверхности трубопровода, °С; |
В качестве расчетных температур следует брать средние температуры за рассматриваемый период. При этом, температуру поверхности трубопровода можно принимать равной температуре воды в трубопроводе, так как термическое сопротивление стенки трубы δм/λм и сопротивление теплоотдаче на внутренней поверхности 1/αw для чистой трубы во много раз меньше, чем сопротивление теплоотдаче на наружной поверхности 1/αп. Такое допущение позволяет значительно упростить расчет и уменьшить число необходимых исходных данных, так как тогда не требуется знать скорость воды в трубе, толщину стенки трубы, степень загрязнения стенки на внутренней поверхности. Погрешность расчета, связанная с таким упрощением, невелика и значительно меньше погрешностей, связанных с неопределенностью других расчетных величин.
Площадь наружной поверхности трубопровода определяется его длиной и диаметром:
Fп = π Dп L, (1.3)
| где | Q π Dп L | — — — — | теплоотдача трубопровода, ккал/час; константа, равная 3,141; наружный диаметр трубопровода, м; длина трубопровода, м. |
С учетом выше изложенного выражение (1) можно преобразовать к виду:
Q = αп π Dп L (Tп – Tв ), (1.4)
Наиболее важным при расчете тепловых потерь является правильное определение коэффициентов теплоотдачи на наружной поверхности трубопровода. Вопрос теплоотдачи от одиночной трубы хорошо изучен, и расчетные зависимости приводятся в учебных пособиях и справочниках по теплообмену. Согласно теории, общий коэффициент теплоотдачи определяется как сумма коэффициентов конвективной и лучистой теплоотдачи:
αп = αк + αл (1.5)
Коэффициент конвективной теплоотдачи зависит от скорости воздуха и направления потока по отношению к оси трубопровода, диаметра трубопровода, теплофизических характеристик воздуха. В общем случае выражение для определения коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности трубопровода при поперечном обдувании потоком воздуха будет:
при ламинарном режиме движения воздуха (критерий Рейнольдса Re меньше 1000)
αк = 0,43 βφ Re0,5 λв / Dn (1.6)
При переходном и турбулентном режиме движения воздуха (критерий Рейнольдса Re равен или больше 1000)
αк = 0,216 βφ Re0,6 λв / Dn, (1.7)
| где | Re λв βφ | — — — | критерий Рейнольдса, вычисляемый по наружному диаметру трубопровода и скорости движения воздуха, определяемой с учетом высоты расположения трубопровода над землей и характера рельефа местности. коэффициент теплопроводности воздуха, ккал/(ч м °С); поправочный коэффициент, учитывающий направление воздушного потока по отношению к оси трубопровода. |
Re = U βuDn / vв, (1.8)
| где | U βu vв | — — — | расчетная скорость движения воздуха; поправочный коэффициент, учитывающий высоту расположения трубопровода над землей и характер рельефа местности. коэффициент кинематической вязкости воздуха, определяемый при температуре наружного воздуха, м2/с. |
Выбор расчетной скорости ветра U является ответственной задачей, так как этот параметр в существенной степени влияет на значение коэффициента конвективной теплоотдачи. Сложность выбора заключается в том, что скорость ветра является сильно переменной и трудно предсказуемой величиной, поэтому в расчете неизбежно приходится ориентироваться на некоторые средние значения скорости. Среднее значение расчетной скорости ветра U можно определять по фактическим данным скоростей ветра за рассматриваемый период на основании метеорологических наблюдений или по среднемесячным значениям по данным /6, 7/. При этом первый вариант явно предпочтительнее, так как данные СНиП и климатологических справочников являются результатом осреднения за очень большой период многолетних наблюдений и не могут учитывать особенностей климата в конкретный расчетный год.
Значение поправочного коэффициента βu может быть определено на основании данных по поправкам на ветровое давление, приводимым в /4/.
Соотношение между поправочным коэффициентом на скорость воздуха и поправкой на ветровое давление достаточно простое:
 |
βu = βp, (1.9)
Высота расположения трубопровода над землей обычно не превышает 5 м, поэтому значения поправочного коэффициента на скорость ветра определены только для такой ситуации и приведены в таблице 1.
Таблица 1— Поправочные коэффициенты на ветровое давление и скорость воздуха
| Тип местности | Поправка на ветровое давление βp | Поправка на скорость воздуха βu |
| Открытая — побережья морей и озер, пустыни, степи, лесостепи, тундра | 0,75 | 0,866 |
| Пересеченная — городские территории, лесные массивы и др., с препятствиями высотой до 10 м | 0,5 | 0,707 |
| Городская — городские районы с застройкой зданиями высотой более 20 м | 0,4 | 0,632 |
Данные по зависимости коэффициента кинематической вязкости vв и коэффициента теплопроводности λв от температуры для воздуха с интервалом в 10 градусов приведены в /1, 2, 3/. В приложении 1 приводятся результаты интерполяции этих данных с шагом 1 градус для непосредственного использования при расчете.
В /1/ приводится зависимость поправочного коэффициента βφ от угла обдувания трубопровода. Эти данные представлены в таблице 2.
Таблица 2 — Поправочные коэффициенты на от угол обдувания
| φ, град. | |||||||||
| βφ | 0,98 | 0,95 | 0,87 | 0,77 | 0,67 | 0,60 | 0,55 |
Учитывая, что направление движения воздуха по отношению к ориентации трубопровода обычно неизвестно, поправочный коэффициент на угол обдувания βφ следует принимать как среднее значение в диапазоне изменения угла направления потока от 90 градусов (перпендикулярно оси трубопровода) до 0 (параллельно оси трубопровода). Согласно данным таблицы 2, среднее значение равно 0,821.
Коэффициент лучистой теплоотдачи зависит от температуры воздуха и температуры поверхности трубопровода, а так же от степени черноты поверхности трубопровода εп .
αл = εп С0 (((Tп + 273)/100)4 – ((Tв + 273)/100) 4 ) / (Tп – Tв ) (1.10)
| где | С0 | — | коэффициент излучения абсолютно черного тела. С0 =4,97ккал/(час м2 (°К)4) |
Оголенная стальная труба теплопровода, находящаяся в атмосферных условиях, имеет окисленную или сильно окисленную поверхность, для которых степень черноты εп ,согласно данным /1/, лежит в пределах от 0,8 до 0,98. Поэтому, рекомендуется принимать среднее значение εп = 0,9.
Особенности расчета потерь теплоты