Исследование влияния газов на теплоизоляцию трубопроводов

В статье исследуется теплоизолирующая композиция на основе жесткого пенополиуретана, имеющая пористую структуру.

ППУ - один из лучших изоляционным материалом благодаря своему строению (состоит из пор, которые почти на 90% заполнены изоляционными газами). Это тугоплавкий материал, который выдерживает высокие температуры, а также обладает гигроскопическими свойствами и не подвержен воздействию химических веществ и микроорганизмов, имеет высокую удельную прочность.

Теплоизоляция играет важнейшую роль в работе всей системы трубопровода. Если уменьшаться тепловые потери на неё, то функциональность тепловой сети намного повыситься.

Для того, чтобы получить теплоизоляционный материал на основе ППУ с улучшенными характеристиками, то проведем расчет, где в порах вместо воздуха заполнен аргон, теплопроводность которого ниже, чем у воздуха.

При заполнение пор изоляции другими газами, то эффективные теплофизические свойства определяются по зависимостям:

Лэф = [(1- П) *Ли + П *Лг],

РИф = [(1 - П) *ри + П *рг],

С эф = [(1 - П * С и + П * Сг],

где Л Иф , Л и , Л г - эффективный коэффициент теплопроводность изоляции, коэффициент теплопроводности ППУ изоляции (принимается 0,035

Вт/(м*°С)), коэффициент теплопроводности газа, Вт/(м*С) соответсвенно;

Р Иф , Р и , Р г - эффективная плотность изоляции, плотность ППУ (принимается 60 кг/ м ³ ), плотность газа соответственно, кг /^з;

изоляции

удельная

удельная

с Иф , с и , с_г - эффективная удельная теплоемкость изоляции, теплоемкость ППУ изоляции (принимается 1470 Дж/ ^_кг * oq),

Дж

/ (кг * С)’

теплоемкость газа соответственно,

П - пористость, принимается 0,87.

Исходные данные для расчетов коэффициентов в пористой структуре. как в двухкомпонентной среде, принимаются из справочных материалов научно-технической литературы. Начальные и рассчитанные коэффициенты сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Вещество	Плотность, кг/ м 3	Теплопроводность, Вт/(м*С)	Удельная теплоемкость, Дж /( кг *С)
Воздух (нач.)	1,247	0,0251	1005
Аргон (нач.)	1,7457	0,0169	523
Воздух (эффект)	8,8849	0,02639	1065,45
Аргон (эффект)	9,3187	0,01931	646,11

Термическое сопротивление подающего (R 1 ) и обратного

(R 2 )

трубопроводов определяется по формулам:

^i = —

2* я* Л _и

ln

d+2* 5 1 d

+

-^— ln

2* я* Л п

d+2* 5 1 + 2* 5 п d+2* 5 1

+

я*(d+2* 5 1 + 2* 5 _п )* а _п ,

[м *

град/Вт],

^2 = -^T

2* я* Л _и

ln

d+2* 5 2 d

+

-^— In

2* я* Л п

d+2* 5 2 + 2* 5 п d+2* 5 2

+

я*(d+2* 5 2 + 2*5 п )* а п ,

[м *

град/Вт], где d – наружный диаметр трубопроводов, м;

5из 1, 5из2 - толщина изоляции на подающем и обратном трубопроводах соответственно, м; 5из 1=5из2 =55,5 мм.

Л из , Л _п - коэффициенты теплопроводности изоляции и наружного покрытия соответственно, Вт/м °С. Принимается Л п = 0,1 Вт/(м*^оС).

c п - коэффициент теплоотдачи от изоляции к стенкам канала, Вт/ м ² °С. Принимается c _п = 12 Вт/ м ² °С.

5 п - толщина наружного покрытия трубопроводов, м. Принимается в соответствии с диаметром трубы 5 п = 7 мм.

Температура воздуха внутри непроходного железобетонного канала определяется по формуле:

т 1 т 2 ^t гр

R1 R2 R tHK 1   1  1 , [Т],

RT+R2+R где R1, R2, Rк.о - термическое сопротивление подающего, обратного трубопровода, а также термическое сопротивление на поверхности канала и грунта (м * град) /Вт;

trp - температура грунта, Т;

τ1, τ2 – температуры теплоносителя для подающего и обратного трубопроводов, Т.

Удельные тепловые потери трубопроводов рассчитываются по формуле:

q^, [Вт/м] ,

где т - температура теплоносителя, Т;

R 1 , - термическое сопротивление подающего трубопровода, ( м * град)/Вт ;

R₂ - термическое сопротивление обратного трубопровода, ( м * град )/ Вт;

1нк - температура воздуха внутри непроходного железобетонного канала, Т.

Расчеты проводились в программе Microsoft Excel и все результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Вещество	R 1 , (м * град) /Вт.	R 2 , (м * град) /Вт.	1 нк , Т.	q 1 , Вт/м	q1, Вт/м
Воздух	1,8822	1,8822	29,37932	40,17723	21,58175
Аргон	2,5322	2,5322	25,4589	31,41186	17,58989

Анализируя результаты подсчетов, можно сделать вывод, что если уменьшить теплопроводность изоляции, то уменьшаться и удельные потери трубопроводов. Соответственно, что чем ниже теплопроводность, тем лучше теплоизоляция.

Аналогично можно проделать расчеты с другими аналогичными газами, теплопроводность которых ниже теплопроводности воздуха, чтобы получить теплоизоляционный материал с улучшенными характеристиками.