Расчет теплоизоляции трубопроводов. Инженерный расчет при помощи формул. Варианты изоляции трубопровода

Тип и параметры поверхности

ВВЕДЕНИЕ

Настоящий Свод правил содержит указания по проектированию тепловой изоляции наружной поверхности оборудования и трубопроводов, выполнение которых обеспечит соблюдение обязательных требований к теплозащите тепловых сетей, технологических трубопроводов при строительстве, капитальном ремонте и эксплуатации теплоизоляционной конструкции, установленных действующим СНиП 2.04.

14-88* «Тепловая изоляция оборудования трубопроводов».Решение вопроса о применении данного документа при проектировании и строительстве конкретных зданий и сооружений относится к компетенции проектной или строительной организации. В случае если принято решение о применении настоящего документа, все установленные в нем правила являются обязательными.

Частичное использование требований и правил, приведенных в настоящем документе, не допускается.В данный Свод правил включены методы расчета тепловой изоляции оборудования, технологических трубопроводов и трубопроводов надземных и подземных тепловых сетей, приведены таблицы толщины изоляции, составленные с ориентацией на применение высокоэффективных утеплителей на основе новых норм плотности теплового потока через изолированную поверхность оборудования и трубопроводов, введенных постановлением Госстроя России от 31.12.97 г. N 18-80.

Выберите тип расчета

Классификация теплоизоляционных материалов для труб выполняется в зависимости от сферы их применения, исходя из чего выделяют:

• Утеплителя для труб канализации, дренажных и сточных труб;
• Утеплители для вентиляционных каналов, и труб систем кондиционирования;
• Утеплители для подземных магистралей горячего и холодного водоснабжения;
• Утеплители для элементов производственных линий.

В зависимости от формы материала выделяют следующие виды утеплителей:

• Рулонные и плитные как пароизоляция Изоспан;
• Напыляемые;
• Утеплители в виде полых цилиндрических гильз.

К категории рулонной теплоизоляции относится минеральная вата и фольгированный пенофол.

Минвата является идеальным утеплителем для теплоизоляции трубопроводов с высокой температурой носителя, поскольку данный материал огнеупорен, и не деформируется даже под прямым воздействием огня.

Утепляются трубы минватой посредством наматывания, и последующего закрепления  утеплителя скобами, либо проволокой.

Напыляемые утеплители – это пенополистирольная пена, и жидкий пеноизол. Данные материалы эффективны и долговечны, однако у них высокая стоимость, и для нанесения пенной теплоизоляции требуется специальное оборудование.

Утеплители в виде гильз, как правило, производятся из пенопласта и вспененного полиэтилена.

Они обладают низкой теплопроводностью и умеренной ценой, однако таким материалам свойственен общий недостаток – узкий температурный диапазон эксплуатации. Что ограничивает возможность их применения для утепления трубопроводов, транспортирующих горячую жидкость.к меню ↑

Главная причина замерзания трубопроводов – недостаточная скорость циркуляции энергоносителя. В таком случае, при минусовой температуре воздуха может начаться процесс кристаллизации жидкости. Так что качественная теплоизоляция труб – жизненно необходима.

Благо нашему поколению несказанно повезло. В недалеком прошлом утепление трубопроводов производилось по одной лишь технологии, так как утеплитель был один – стекловата. Современные производители теплоизоляционных материалов предлагаю просто широчайший выбор утеплителей для труб, отличающихся по составу, характеристикам и способу применения.

Сравнивать их между собой не совсем правильно, а уж тем более утверждать, что один из них является самым лучшим. Поэтому давайте просто рассмотрим виды изоляционных материалов для труб.

По сфере применения:

• для трубопроводов холодного и горячего водоснабжения, паропроводов систем центрального отопления, различных технических оборудований;
• для канализационных систем и систем водоотвода;
• для труб вентиляционных систем и морозильного оборудования.

По внешнему виду, который, в принципе, сразу же объясняет и технологию применения утеплителей:

• рулонные;
• листовые;
• кожуховые;
• заливочные;
• комбинированные (это скорее уже относится к способу изоляции трубопровода).

Основные требования к материалам, из которых изготавливаются утеплители для труб – это низкая теплопроводность и хорошая устойчивость к огню.

Под эти важные критерии подходят следующие материалы:

• Минеральная вата. Чаще всего продается в виде рулонов. Подходит для утепления трубопроводов с теплоносителем высокой температуры.
  Однако если использовать минвату для изоляции труб в больших объемах, то такой вариант окажется не очень-то выгодным с точки зрения экономии.
  Тепловая изоляция с помощью минваты производится методом намотки, с последующим ее закреплением синтетической бечевкой или нержавеющей проволокой.

• Пенополистирол. В народе его прозвали «скорлупой». Такой утеплитель удачно сочетает в себе качество, все необходимые свойства и удобство при монтаже.
  Пожаростойкость, низкая теплопроводность и низкое влагопоглощение делают пенополистирол незаменимым материалом для изоляции труб водоснабжения и отопления.
  

  Пенополистироловые «скорлупы»

  Использовать его можно как при низких, так и при высоких температурах. Подходит для стальных, металлопластиковых и других полимерных труб.
  Еще одна положительная особенность – пенополистирол имеет цилиндрическую форму, причем его внутренний диаметр можно подобрать под размер любой трубы.

• Пеноизол. По своим характеристикам находится в близком родстве с предыдущим материалом. Однако способ монтажа пеноизола совсем иной – для его нанесения требуется специальная распыляющая установка, так как он представляет собой компонентную жидкую смесь.
  После застывания пеноизола вокруг трубы образуется герметичная оболочка, почти не пропускающая тепло. К плюсам здесь также можно отнести отсутствие дополнительного крепления.

• Вспененный полиэтилен. Довольно-таки распространенный утеплитель, который чаще всего можно встретить на водопроводных линиях. Примечателен он легкостью монтажа: отрезали полосу необходимой длины, обмотали трубу, закрепили скотчем.
  Более того, сегодня вспененный полиэтилен производят в виде разрезанных по одной стороне труб – нужно будет лишь надеть его и все.

• Фольгированный пенофол. Самая последняя разработка в сфере утеплительных материалов, но уже завоевавшая своих поклонников среди российских граждан. Пенофол состоит из полированной алюминиевой фольги и слоя вспененного полиэтилена.

Такая двухслойная конструкция не просто сохраняет тепло, а даже является неким обогревателем! Как известно, фольга обладает теплоотражающими свойствами, что позволяет накапливать и отражать тепло к изолируемой поверхности (в нашем случае это трубопровод).

Кроме того, фольгированный пенофол экологичен, слабогорюч, устойчив к температурным перепадам и повышенной влажности.

Как вы сами видите, материалов предостаточно! Выбирать, чем утеплять трубы, есть из чего. Но при выборе не забывайте учитывать особенности окружающей среды, характеристики утеплителя и его простоту монтажа. Ну и не помешало бы произвести расчет теплоизоляции труб, дабы сделать все грамотно и надежно.

1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий Свод правил следует применять при проектировании и монтаже тепловой изоляции наружной поверхности оборудования и трубопроводов с температурой содержащихся в них веществ от 50 до 600 °С и расположенных в зданиях, сооружениях и на открытом воздухе, а также трубопроводов тепловых сетей при надземной прокладке и подземной, выполненной в каналах и бесканально.

Способы расчета

Для того чтобы определиться с выбором подходящего утеплителя, необходимо рассчитать оптимальную толщину и плотность материала для конкретного случая. Такой расчет позволяет не только уменьшить потери тепла, но и снизить саму температуру труб, с целью их безопасного использования.

Какие факторы нужно учитывать при расчете?

• Температуру утепляемой поверхности;
• Температурные перепады окружающей среды;
• Наличие механических воздействий (например, вибрации и т.д.);
• Допустимые нагрузки на трубы;
• Нагрузки от вышележащего грунта и транспортных средств;
• Коэффициент теплопроводности, которой обладает выбранный утеплитель;
• Стойкость изолирующего материала к деформации.

Сейчас мы рассмотрим расчет теплоизоляции трубопровода – два проверенных способа, каждый из которых по-своему удобен и надежен.

Оптимальную толщину слоя утеплителя находят путем технико-экономического расчета: толщина материала определяется исходя из его сопротивления температурам – не менее 0,86 (ºC м²/Вт) для труб с диаметром меньше или равным 25 мм, и 1,22 (ºC м²/Вт) для труб с диаметром больше 25 мм.

Приведенная ниже информация будет полезна при проведении инженерных расчетов теплоизоляции для различных трубопроводов. В качестве примера мы рассчитаем необходимую толщину утеплителя для выпускного коллектора высокофорсированного дизеля.

• d_из – наружный диаметр утеплителя для трубы;
• d_н – наружный диаметр трубы;
• _из – коэффициент теплопроводности утеплительного материала;
• _в – коэффициент теплоотдачи от утеплителя к воздуху.

• t_н – температура наружной стенки трубы;
• t_из – температура поверхности утеплительного слоя.

• d_в – внутренний диаметр трубы;
• _г – коэффициент отдачи тепла от газа к стенке;
• _т – коэффициент теплопроводности материала, из которого сделана труба.

Пример расчета: поставлена задача – рассчитать теплоизоляцию для трубопровода высокофорсированного дизеля.

Имеются следующие значения:

• наружный диаметр трубопровода – 0,6 м;
• его внутренний диаметр – 0,594 м;
• температура наружной стенки трубопровода – 725 K;
• температура наружной поверхности утеплителя – 333 K;
• коэффициент теплопроводности утеплителя – 0,11 Вт/(м K).

Подставив все значения в формулы, данные выше, мы получаем необходимую толщину утеплителя для трубопровода – не менее 0,1 м.

Если вы все же решили самостоятельно проделать всю работу, то помните, расчет толщины утеплителя для трубопровода должен осуществляться под конкретные условия – от утеплительного материала, до сезонных температурных перепадов на улице и влажности воздуха. Кстати, влажность значительно ускоряет теплообмен и снижает эффективность некоторых утеплителей (например, минеральной ваты).

Помимо услуг квалифицированного инженера есть вариант воспользоваться онлайн помощником. Калькулятор расчета теплоизоляции трубопроводов абсолютно бесплатная программа, не требующая инсталляции и какой-либо оплаты. С ее помощью можно своими руками, да к тому же за считанные минуты произвести точное вычисление.

Пользоваться калькулятором достаточно просто.

Сначала предлагается выбрать одну из четырех задач:

• утепление трубопровода с целью обеспечить заданную температуру на поверхности изоляции;
• утепление трубопровода с целью предотвратить замерзание содержащейся в нем жидкости;
• утепление трубопровода с целью предотвратить конденсацию влаги на поверхности изоляции;
• утепление трубопровода водяной тепловой сети двухтрубной подземной канальной прокладки.

Далее вам будет предложено ввести некоторые данные, необходимые для расчета:

• утеплительный материал (в предложенном списке вы непременно найдете тот утеплитель, который предпочли);
• наружный диаметр трубопровода (мм);
• температура утепляемой поверхности (ºC);
• сколько времени проходит до замерзания воды в состоянии инерции;
• наличие защитного покрытия (металлическое или же неметаллическое);
• средняя температура теплоносителя (воды и т.д.).

Теперь останется лишь нажать кнопку «рассчитать» и получить максимально точный результат.

Варианты изоляции трубопровода

Качественная теплоизоляция трубопроводов возможна только в том случае, когда утепление производится эффективным материалом, с максимально низкой теплопроводностью, правильно рассчитанным для условий конкретного случая.

Пренебрежение расчетом теплоизоляции с звукоизоляцией потолка своими руками, в итоге, выльется против самого же владельца трубопровода. Во-первых – неподходящий утеплитель (недостаточность толщины, высокая теплопроводность и тд), попросту не будет нормально выполнять требуемые задачи.

И наоборот, отсутствие расчета изоляции также чревато неоправданными финансовыми затратами, так как стоимость утеплителя напрямую зависит от его толщины, которая, в некоторых случаях, может быть попросту излишней.

Расчет изоляции необходим для определения объема и толщины, которой должен обладать утеплитель для трубопроводов.

При расчете толщины изоляции необходимо учитывать следующие факторы:

• Температуру среды, циркулирующей в трубопроводе;
• Допустимую величину механической нагрузки на конструкцию трубопровода;
• Перепады температуры воздуха в окружающей трубопровод среде;
• В случае, если трубопровод расположен в почве – нагрузку, которую он испытывает от грунта;
• Теплоизоляционные характеристики утеплителя, который вы предпочитаете использовать;
• Устойчивость теплоизоляции к деформации как у ветрозащитных мембран Изоспан.

Также необходимо учитывать требования Строительных Норм и Правил (СНиП), которые определяют особенности утеплителей, исходя из эксплуатационных условий и типа трубопровода.

Для любых трубопроводов с температурой рабочей среды до 12 градусов, с соответствиями с указаниями СНиП, необходимо использовать фольгированный теплоизоляционный материал.

Слой фольги, в таком случае, будет выступать в качестве пароизоляционного барьера, препятствующего образованию конденсата на поверхности трубопровода. А так не может даже теплоизоляция K-Flex для труб.

Ниже представлено два метода, каждый из которых в итоге даст правильный результат. Первый метод – использование онлайн-калькулятора, гораздо проще и быстрее.

Второй – классический расчет по инженерным формулам, более трудоемкий, однако дает возможность рассчитать те параметры теплоизоляции, которые не учитываются в онлайн-программах.к меню ↑

Ранее, когда качественных компьютерных программ в этой сфере не существовало, для профессионального расчета толщины изоляции для трубопроводов было необходимо пользоваться оплачиваемыми услугами инженеров, однако сейчас ситуация изменилась.

К услугам частных пользователей, в интернете представлено большое количество разнообразных инженерных калькуляторов, который позволяют выполнить быстрый и качественный расчет параметров требуемого утепления.

Данный калькуляторы представлены в свободном доступе, они не требуют какой-либо оплаты, поскольку нет необходимости устанавливать калькулятор на компьютер. Вы просто заходите на сайт с программой, и используете её в своих целях.

Технология расчет посредством таких программ достаточно простая. Качественный калькулятор многофункционален – он дает возможность выполнить расчет изоляции сразу по нескольким итоговым целям.

• Теплоизоляция трубопровода для получения требуемой температуры на поверхности труб (изоляция горячих труб от детей, и тд), и здесь лучше всего ставить отражающие теплоизоляционные материалы;
• Теплоизоляция трубопровода для защиты циркулирующей в нём среды от промерзания в холодное время года;
• Теплоизоляция трубопровода для защиты труб от влаги, конденсирующейся на поверхности утеплителя;
• Теплоизоляция для двухтрубной тепловой магистрали при подземной прокладке.

После выбора требуемой задачи, калькулятор предлагает вам ввести исходные данные, необходимые для осуществления расчета:

• Диаметр наружной поверхности трубы;
• Температура рабочей среды трубопровода;
• Длительность времени, за которое происходит замерзание циркулирующей в трубах жидкости, при отсутствии принудительной прокачки;
• Материал, из которого изготовлены трубы (металл, медь, либо пластик);
• Температура на поверхности трубопровода;
• Коэффициент теплопроводности используемого утеплителя (как правило, калькулятор сам устанавливает этот показатель, и предлагает вам выбрать утеплитель из представленных материалов).

По итогам расчет вы узнаете, какой толщины утеплитель нужно использовать в вашем случае. Не рекомендуется брать утеплитель «с запасом» (теплоизоляция Изорок), поскольку излишняя толщина материала никакой роли играть не будет, а удорожание стоимости теплоизоляции произойдет существенное.

В случае, если онлайн-калькулятор вам по каким-либо причинам не доступен, либо вы желаете проверить полученный результат, можно воспользоваться старым проверенным способом – расчетом теплоизоляции посредством инженерных формул.

Расчет толщины теплоизоляции для трубопроводов своими руками осуществляется в несколько этапов.

1. В первую очередь вычисляется температурное сопротивление теплоизоляции, которая будет использоваться для утепления труб. Выполняется оно по следующей формуле.

• Dиз – диаметр используемой теплоизоляции;
• Dн — диаметр трубопровода;
• Из – коэффициент теплопроводности утеплителя;
• В – коэффициент теплообмена между воздухом и теплоизоляционным материалом.

2. Далее, высчитывается линейная плотность теплового потока.

• t_{н – температура на поверхности трубопровода;}
• t_{из –} температура на поверхности теплоизоляции.

3. На третьем этапе выполняется расчет температуры на внутренней стенки теплоизоляции.

• d_{в – внутренний диаметр трубопровода;}
• г – коэффициент теплообмена между стенкой трубопровода и циркулирующей средой;
• т – коэффициент теплопроводности материала, использующегося для изготовления труб.

4. Последней подводящей формулой является расчет теплового баланса.

В данную формулу подставляются все величины, уже использованные раннее.

5. Последняя формула – расчет толщины теплоизоляции для трубопровода.

На этих же формулах базируется алгоритм действия любого онлайн-калькулятора по расчету толщины утеплителей.к меню ↑

2.1 Основные расчетные зависимости для определения теплозащитных свойств теплоизоляционных конструкций

Для теплового расчета изоляции используются уравнения стационарной теплопередачи через плоские и криволинейные поверхности.Теплопередача плоской теплоизоляционной конструкции рассчитывается по формулам:состоящей из слоев изоляции

плоской однослойной

криволинейной -слойной

криволинейной однослойной

; ; ; ; ; (5); ; ; (6); , (7)

; ; (8)

температура на наружной поверхности первого слоя изоляции, на границе 1-го и 2-го слоев

и далее, начиная со 2-го слоя, на границах ()-го и -го слоев

; (10)

. (11)

; ; (12)

; (13)

; (14)

. (15)

Значения поверхностной и линейной плотности тепловых потоков, входящих в формулы (8)-(15), определяются по (1)-(3), а термические сопротивления — по (5)-(7).При применении формул (1), (3) необходимо знать коэффициенты теплопроводности изоляционных слоев. Поскольку они зависят от температуры, должны быть известны средние температуры каждого слоя, для определения которых необходимо знать температуры на границах слоев.

Для их расчета обычно используется метод последовательных приближений путем проведения нескольких расчетных операций.На первом этапе, принимая для всех слоев среднюю температуру изоляции, обычно равную полусумме температур внутренней и наружной среды, находят при этой температуре теплопроводность всех теплоизоляционных слоев.

Затем, по (1), (3) определяют значения или и по (8)-(11) для плоской и по (12)-(15) цилиндрической стенок рассчитывают температуры на границах слоев и средние температуры каждого слоя.На втором этапе по найденным на первом этапе средним температурам слоев вновь определяют теплопроводность всех слоев, затем находят плотности потоков тепла и снова рассчитывают послойные температуры, и так далее до требуемой точности расчета.

Например, до тех пор, пока послойные температуры на -м и ()-м шаге будут отличаться не более чем на 5%. Обычно для этой цели необходимо проведение не более 3-4 расчетных операций.Значительное место в промышленной изоляции занимают теплоизоляционные конструкции подземных сооружений, основной особенностью которых является контакт с массивом окружающего грунта, что в значительной степени усложняет их тепловой расчет по сравнению с конструкциями, контактирующими с атмосферой.

Анализ температурных полей и тепловых потоков в теплоизоляционных конструкциях и в граничащих с ними грунтом позволил заключить, что непосредственно в теплоизоляции с достаточной для инженерных расчетов точностью температурное поле можно считать одномерным. Это позволит определить их термическое сопротивление по формулам (5)-(7).

Плотность теплового потока через теплоизоляционные конструкции, граничащие с грунтом, определяется в этом случае по формулам (1)-(4), в которых термические сопротивления внешней теплоотдаче и заменяются термическим сопротивлением грунта, зависящим от конфигурации изолируемого объекта, расположения его в массиве грунта и теплопроводности последнего.

Вывод

Вот мы и обговорили все самые важные моменты касательно утепления трубопроводов. Вне зависимости от того, какой материал и способ вы выберете для этой цели – перед тем как приступать к монтажу теплоизоляции, желательно рассчитать количество необходимого утеплителя и его стоимость.

Так в дальнейшем вы сэкономите силы и финансовые затраты. Удачи всем строителям своего теплого настоящего и будущего! В представленном видео в этой статье вы найдете дополнительную информацию по данной теме.