Текст
ББК 35.112
Варфоломеев Б.Г., Карасев В.В. «Теплел*m и кипция аг
паратов», М_. МИТХТ, 2000, 61 с.
Учебно-методическое пособие «Тепловая изоляции ан
ратов» предназначено для студентов 3-4 курсов г
5 курса вечернего отделений.
Утверждено Библиотечно-издательской комиссией МИ1X
им. М. В. Ломоносова в качестве учебного пособия.
ББК
© МИТХТ им. М. В. Ломоносова, 2000 г
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение 4
2. Характеристика изоляционных материалов.... 7
3. Способы изготовления изоляции. 15
4. Расчет толщины тепловой изоляции. 1g
4.1 Критический диаметр изоляции 1g
4.2. Изоляция одно- и многослойных плоских
стенок. 28
4.3. Изоляция одно- и многослойных цилиндри-.
ческих стенок 34
4.4. Расчет толщины термоизоляции. 39
4 4 1 Толщина термоизоляции кубовых кипятиль-
ников ректификационных колонн, выносных
и соосных греющих камер, выпарных аппа-
ратов. 39
4.4.2. Толщина термоизоляции выпарных аппара-
тов с подвесной греющей камерой. 47
4 4.3. Толщина термоизоляции барабанных су-
шилок. 54
4.4.4. Толщина термоизоляции сушилок с псевдо-
ожиженным слоем. 55
4 4.5. Толщина термоизоляции горизонтальных
конденсаторов ректификационных колонн.. 55
5 Контрольные вопросы. 5g
Литература.. 59
3
1. ВВЕДЕНИЕ
При проектировании теплообменных hi и трогов (а
также тепловых сетей) необходимо сведение д<> минимума
тепловых потерь, что является важным экономическим фак-
тором. Обычно это достигается установкой на внешнюю по-
верхность аппаратов тепловой изоляции. Кроме этого, теп-
лоизоляция химико-технологических аппаратов позволяет
обеспечить надежное проведение технологического процес-
са (например, экзотермических и др. процессов).
Другая функция тепловой изоляции - создание безо-
пасных условий труда для персонала. Согласно санитарным
нормам температура наружной поверхности изоляции не
должна превышать у технологических аппаратов 40-50°С, у
тепловых сетей - 60°С.
В качестве тепловой изоляции применяются самые
разнообразные материалы с коэффициентом теплопровод-
ности лиз < 0,125 Вт/(мК) при 25°С. Кроме невысокой тепло-
проводности изоляционные материалы должны удовлетво-
рять следующим требованиям (свойствам):
4
- обладать малой кажущейся плотностью (менее 600
кг/м3) за счет высокой пористости. Пористость - по-
ложительное свойство изоляции, т.к. находящийся в
порах воздух имеет низкую теплопроводность (лвоэд
=0,026 Вт/м К);
- обладать низкой гигроскопичностью, т.к. при впиты-
вании влаги увеличивается теплопроводность изоляции за
счет высокой теплопроводности влаги (^8эг.ы = 0,56 Вт/м К),
- характеризоваться высокой теплоемкостью (Сиз~ 0,8
кДж / кгК), чтобы иметь низкую температуропроводность
а=Х/ср;
обладать термостойкостью, механической прочно-
стью, достаточной пластичностью, чтобы при колебаниях
температур и механических нагрузок не изменялась струк-
тура изоляционного материала;
- должны быть невосприимчивы к посторонним запа-
хам и практически не иметь собственного запаха;
- должны быть пожаробезопасными; не выделять при
горении вредных и ядовитых веществ;
- должны быть долговечными и дешевыми. Продолжи-
тельность эксплуатации мастичных изоляций составляет
5
5-10 лет, засыпных - до 4 ле г, ни умных (формованных) до
6-8 лет и оберточных - до 5-8 лет
Изоляция - необходимый технологический прием
экономии тепла, а также защиты аппаратуры от коррозии. В
теоретических курсах общеинженерных дисциплин вопросы
подбора изоляционных материалов и методики расчета
толщины изоляции для различных случаев теплопереноса
от теплоносителей в окружающую среду рассмотрены не-
достаточно.
Поэтому основные цели данного учебно-
методического пособия следующие
ознакомление студентов с основными характеристи-
ками изоляционных материалов, областями практического
применения теплоизоляционных материалов,
закрепление теоретических знаний по кондуктивно-
му и конвективному геплопереносу при анализе стадий теп-
лопереноса для условий изоляции химико-технологической
аппаратуры,
рассмотрение методов расчета толщины изоляции
для ряда химико-технологических аппаратов.
6
Материалы учебно-методического пособия «Тепловая
изоляция аппаратов» целесообразно использовать при кур-
совом и дипломном проектировании.
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕ-
РИАЛОВ [3]
По ГОСТ 16381-77 теплоизоляционные материалы
классифицируют по следующим основным признакам.
По форме и внешнему виду Штучные изоляционные
материалы (плиты, кирпичи, сегменты, блоки, цилиндры,
полуцилиндры), прикрепляемые к изолируемому аппарату с
помощью цементирующей массы. Преимущество штучных
изоляционных материалов - фабричное изготовление,
удобство монтажа и возможность повторного использова-
ния.
Рулонные и шнуровые изоляционные материалы (в
основном, асбест и вата). Преимуществом является воз-
можность повторного использования, удобство монтажа -
демонтажа. Недостатки - высокая стоимость, высокая теп-
лопроводность, экологическая опасность (особенно асбе-
ста)
Рыхлые и сыпучие изоляционные материалы (вспу-
ченные перлит и вермикулит, минеральная и стеклянная ва-
та, каолин). Преимущества - низкая теплопроводность и
плотность, монтаж в холодном состоянии Недостатки -
монтаж изоляции проводится на дополнительном каркасе,
трудность ремонта.
“о структуре изоляционного материал а различают
волокнистые (асбест, стекловолокно, минеральная вата),
ячеистые (пенодиатомит, совел ит, пенопласты, пеностекло),
зернистые (крошка диатомитовая, совелитовая, вермикули-
товая)
По плотности изоляционный материал делят на груп-
пы и марки.
Группа
Особо низкой плотности
(ОНП)
Низкой плотности (НП)
Средней плотности (СП)
Плотные
Марка по плотности,
100
200
400
125
225
450
35
150
250
500
50
175
300
600
15 Т 2! 5
По жесткости изоляционные материалы делят на ви-
8
Вид Относительное сжатие (%) при удельной нагрузке (Мпа)
0,02 0,04 0,10
• Мягкие (М) 30 —1
• Полужесткие (П) 6-30 j
• Жесткие (Ж) 6
• Повышенной 10
жесткости (ПЖ) • Твердые (Т) 10
По виду исходного сырья: органические и неорганиче-
ские. Органические изоляционные материалы (например,
пенопласты) используют при изоляции поверхностей с тем-
пературой не менее 100°С.
По возгораемости: изоляционные материалы несго-
раемые, трудносгораемые и сгораемые (горючие)
По теплопроводности изоляционные материалы раз-
деляют на три класса: низкой (Н) теплопроводности /.изол <
0,06 Вт/м К’, средней (Б) А.изол = 0,06-0,115 Вт/м К\ повы-
шенной (В) - \ИЭол- 0,115-0,175 Вт/м К.
Основные свойства современных промышленных те-
плоизоляционных материалов представлены в табл.1
9
Таблица 1. Свойства теплоизоляционных материалов и
изделий [13]
Наименование,
марка
Плот-
ность
р, кг/м'
Теплопро-
вод-ность
X, Бт/(м К)
Средняя
удельная
теплоем-
кость с,
кДж/(кгК)
Допусти- ;
мая тем-
пература
.макс
^раб ;
(°Q :
Неорганические материалы
Асбест хризолито- вый распушенный ! (ТУ 21-22-10-72) 1 i 150 400-450 800 0.039+18,6-10‘ь( 0.106+18,6-10 5t 0.209+18,6 10 0,82-0.85 0,82-0,85 0,82-0,85 600 600 • 600 I k I
1 Бумага асбестовая ' БТ толщиной 0,5-1 ’ мм (ГОСТ 23779-79) 900 0,156+14 10'5t 0,84 500 j I 1
• Картон асбестовый толщиной 2-10 мм (ГОСТ2850-80) [ 1000- 1300 0,157+14-10ь7 0,84 500
Ткань асбестовая с хлопком (ГОСТ 6102-78) 1 500-600 0,124+22 10 0.83 200
Ткань асбестовая со стеклонитью 600 0,124+18-10’bt 0,86 450 i 1
! Шнур асбестовый (ГОСТ 1779-83) диаметром 10-55 мм: ШАОН ШАП 550-750 250 0,14+23 10'5f 0.092+19-10’5( 0,85 0,85 J. 1 I 1 400 220
[ Асбестовермикули-
' товые плиты (ГОСТ
; 13450-68)
I
(
)
250
300
350
0,081+23,3 10*/
0,088+23,3-1 O'5/
0,095+23,3-10'5/
6,84
0,84
0,84
600
600
600
Вата стеклянная в
набивке (ГОСТ 4640-
76)
130-170
0.04+35-10*1
1,48+62.8-105/
45СП
Маты из штапельного
стекловолокна в ру-
: лоне технические
i (ГОСТ 10499-78) ма-
I рок:
’ МРТ-35
МРТ-50
55
80
0,04+41 10'5/
0,042+35-10‘sf
0,84 (20°C) 500
0,84 (20°C) 500
Вата минеральная в
набивке (ГОСТ 4640-
76) марок:
75
, 100
i 125
120
150
190
0,043+29 10
0,046+23 10’5/
0,053+19- 10 s/
0,92 600
0,92 600
0,92 600
Маты прошитые из
минеральной ваты
ВФ-75 (ГОСТ 21880-
76)
150-200 " 6,049+20-IO5/
0,92 (20^0) ГббО
Плиты минераловатные
на битумной связке
i (ГОСТ 10140-80) марок:
' 200
жесткие 250
i жесткие 300
С Плиты минераловатные
। на синтетическом свя-
: зующем (ГОСТ 9573-82)
мягкие марки 75
полужесткие марки 100
полужесткие марки 125
полуцилиндры (ГОСТ
23208-78)
цилиндры полые (ГОС ’
23208-78)______________
; Диатомитовые кирпичи,
сегменты.полуцилиндры
1 (ГОСТ 2694-78) марок:
Д-500
. Д-600
200
250
300
115
120
150
150
200
421-525
526-630
0,82 (20°С)
0,87 (20°С)
0,93 (20°С)
0,043+22,1-10'5Г
0,0442+21-10^
0,0465+19,8-10’5f
0.0512+19,8-Ю’5/
0,0535+18,6-10’5t
0.107+23-10^
0,128+23-10'5t
0.92
0,92
0,92
70
70
70
0,92 400
I
I
I
0,92 400 •
0,92 400
0,92 400
0,92
400
0,84
(20°С)
0,84
(20°С)
900
900
Пенодиамитовые
изделия (ГОСТ
2694-78) марок’
ПД-350
ПД-400
365
365-420
0,058+18,6-10 t
0.078+22-10'5t
Диамитовая
обожженная
крошка в засыпке
(ТУ 36-888-77)
Перлит вспучен-
ный (ГОСТ 10832-
74)
Перлитокерами-
ческие изделия
(ГОСТ 21521-76)
марок:
250
300
Перлитоцемент-
ные изделия
(ГОСТ 18109-80)
марок:
250
350
500
600
150
250
300
250
350
0,011+17,4-10'ьГ 0,012+23,3 10’5/ 0,84 (20иС) 0,84 (20°С)
0,054+1 8,6-10'^ I
0,061+18-10'5, 0,071+ 18-10'5f
0,087 (25°С) 0,099 (25°С) I
0,84 (20°С)
0.84 (20°С)
ими пии। ы (I ()С I
1МИ) /л) мирок
200
250
300
0,064+16,3-10‘5f 0,076+16,3-10 5f 600 600
0,087+16,3-l0’5f 600
i )рганичоские материалы
1 ирфянын пииты 1 1 г 160 260 240 1/U 0,045+14 -Ю4? 0,06+14 10 sf I СМ СМ I I 100 ! 100 ! 1 i к
! Пробковые пли гы 1 ! Войлок технический ; грубошерстный (ГОСТ ! 6418-81) i 1 1 1 1 i 0,058 (20vC) 6,047+19,8-10’7 1,76 1,88 60 1 100 : I i ч i I 1
Полистирольные пе- нопластовые плиты (ГОСТ 15588-70) марки ПСБС 25-40 0,052 (20°С) 70 =
Пенопластовые изде- лия марки ФРП-1 (ГОСТ 22546-77) 40-60 0,046 (20вС) 150 1 1
; Полиуретановые пе- нопластовые изделия марки ППУ-ЗН (ТУ i ВНИИСС 56-70) 50-60 0,032 (20УС) 1 А I
Асбодревесные плиты 210-240 0,064 (20°С) 2,3 100
3. СПОСОБЫ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ [8,151
При изготовлении изоляционных слоев используют
мастичный, штучный и засыпной изоляционный материалы
Мастичная изоляция готовится из порошкообразных
материалов (асбослюдяной массы, асботермита, совелита и
др.), разводимых в воде. Мастику накладывают на предва-
рительно очищенную и подогретую поверхность в несколько
слоев (с просушкой каждого слоя) Толщина первого слоя
обычно 2-3 мм, остальных 10-12 мм, причем последний
(заделочный) слой делают наиболее густым.
Штучная (формованная) изоляция в форме кирпичей,
сегментов, плит и др. по мере укладки последних обвязыва-
ется; образовавшиеся швы заделываются мастикой. Штуч-
ная изоляция после заделки швов обмазывается снаружи
мастикой. Крепление изоляционного материала проводят с
15
помощью стальных полос или проволоки. Для крепления
штучных изоляционных материалов иногда используют спе-
циальные приспособления в виде штырей, крюков, скоб.
Засыпная изоляция (торфяная крошка, обожженный
вермикулит и др.) или волокнистая изоляция утрамбовыва-
ется в заранее подготовленных ограждающих устройствах.
Эти устройства секционируют продольно и вертикально для
предотвращения усадки изоляционного материала. После
засыпки для обеспечения жесткости конструкции ограж-
дающее устройство стягивают бандажом из листовой стали
или проволоки.
Оберточная изоляция выполняется из асбестового
шнура, войлока и обычно сверху закрывается (крепится)
алюминиевой фольгой.
Для увеличения прочности изоляцию оштукатуривают
магнезиальной мастикой или оклеивают марлей, миткалем,
бязью, мешковиной и пр. В качестве клеящегю материала
используют синтетические клеи. Готовую изоляцию окраши-
вают масляной краской и иногда заключают в кожух.
При установке теплообменной аппаратуры на откры-
тых площадках изоляцию изготавливают из стекловаты с по-
16
следующим ее обертыванием листовыми заготовками из
алюминия или оцинкованной жести.
При проектировании теплоизоляции рекомендуется
[8] толщина изоляционного слоя в зависимости от наружного
диаметра аппарата или труб тепловых сетей (табл.2).
Из табл. 2 следует, что для цилиндрических (сфери-
ческих) и плоских поверхностей толщина слоя изоляции не
должна превышать 150 мм.
Таблица 2. Предельные толщины изоляции (5пред
D, мм 57 108 159 216 267 325 376 427 529
^преД) Л4А4 65 110 120 125 130 135 140 145 150
Значение 8пред должно быть проверено на критический
диаметр выбранного типа изоляционного материала
При расчете толщины тепловой изоляции следует
принимать соответствующие нормы тепловых потерь. Так,
согласно [8] максимально допустимые поверхностные теп-
ловые потери через слой изоляции определяются из данных
табл.З.
17
Таблица 3 Поверхностные удельные тепловые
потери через изоляцию (£т/лг)
Поверхность Температура теплоносителя, иС 350
100 150 i 200 i 250 ; 300 I
Цилиндрическая 116 151 164 197 215 232
Плоская 116 151 174 209 232 261
4. РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
4.1. Критический диаметр изоляции
Принцип изоляции - создание дополнительного кондук-
тивного термического сопротивления переносу теплоты за
счет слоя малотеплопроводного материала, что уменьшает
потери тепла в окружающую среду Однако увеличение слоя
изоляции (толщины изоляции 8ИЗ) не приводит к пропорцио-
нальному уменьшению тепловых потерь. Прежде всего, это
связано с противоположным действием двух параметров
(толщины изоляционного слоя и наружной поверхности
изоляции) с ростом толщины изоляции увеличивается
18
термическое сопротивление переносу теплоты через этот
слой; с другой стороны, происходит рост внешней поверхно-
сти изоляции, что приводит к улучшению условий отвода те-
плоты от аппарата в окружающую среду.
Рис. 1.Схема теплопереноса от горячего теплоносителя
в окружающую среду (t! > 1г)
К примеру, рассмотрим влияние изменения наружного
диаметра на термическое сопротивление однородной ци-
19
линдрической стенки [2]. При установившемся тепловом ре-
жиме (Q=const) рассмотрим перенос теплоты (согласно схе-
ме на рис.1)
От горячего теплоносителя к стенке
Q = a](t(-0()nd]l (1)
через цилиндрическую стенку
Q = ^W(01-e,) (2)
In
di
от стенки к окружающей среде
Q = ao(02 - tc)nd2l (3)
Тепловой поток, отнесенный к 1 м длины теплопере-
дающей поверхности, называется линейной плотностью те-
плового потока
Ч| = Q /1 ,Вт/м;
(4)
Это удобно использовать при расчете толщины теп-
ловой изоляции.С учетом (4) преобразуем выражения (1)-(3)
4i = а1(Ь
Ч| =
1
2А. ст
к
(5)
(6)
20
q>
= Ct0(62-tc)nd2
Складывая уравнения (5)-(7), чтобы исключить неиз-
вестные температуры стенок 01 и 02, получаем
(8)
(9)
откуда
_ =_________rc(tl - tc)
Ч| 1 1 d2 1
----+ ---- In —А _|----..
ctjdj 2ХСТ dj o0d2
Обозначим К/ - линейный коэффициент теплопере-
дачи, Вт/мК
ctid] 2ХСТ dj ct0d2
Значение К/ численно равно количеству теплоты, ко-
торое проходит через стенку длиной 1 м в единицу времена
от одной среды к другой при разности температур между
ними 1°К
Величина Rq = I / К[- линейное термическое сопро-
тивление теплопередачи. Из уравнения (10) видно, что
21
R! = —-— 4 — In —- 4 !— (11)
(i]d| 2XCT dj aod2
При постоянных значениях коэффициентов теплоот-
дачи оц и а2, а также внутреннего диаметра стенки ф, пол-
ное термическое сопротивление теплопередачи будет зави-
сеть от наружного диаметра d2. Из уравнения (11) следует,
что при вышеназванных условиях — = const = R.
a,d]
Термическое сопротивление теплопроводно-
1 <Ь
сти----In — = R| с ростом d2 будет возрастать, а терми-
Пст d]
1 „
ческое сопротивление -----= Ri будет падать. Очевидно,
aod2
что полное термическое сопротивление будет определяться
характером изменения слагаемых
—-—In — = R. и
2XCV d, 12
Изменение частных термических сопротивлений с
ростом d2 показано на рис.2.
22
Рис. 2. Зависимости R
Ri и Rj^ от диаметра dz
Чтобы выяснить, как будет изменяться Rjnpn изме-
нении толщины цилиндрической стенки, исследуем функцию
R] = f(d2)Ha экстремум:
d(Rj) = 1______1_
d(d2) ZZCTd2 aod2
02)
Значение d2 из выражения (12) соответствует мини-
мальному значению термического сопротивления (рис. 2)
При этом значение внешнего диаметра d21 соответствующе-
23
го минимальному полному термическому сопротивле-
нию, называется критическим диаметром
(13)
ос0
Рис. 3. К понятию критического диаметра изоляции
При d2<dKp с увеличением d2 полное термическое со-
противление Rjснижается, т.к. увеличение наружной по-
24
верхности оказывает на термическое сопротивление боль-
шее влияние, чем увеличение толщины слоя изоляции.
При d2>dKp с увеличением бг термическое сопротив-
ление возрастает, что указывает на доминирующее влияние
толщины стенки.
Изложенные выше соображения следует учитывать
при выборе тепловой изоляции. К примеру, рассмотрим кри-
тический диаметр изоляции, наложенной на трубу (рис. 3).
Общее термическое сопротивление для такой трубы равно
R1 = -—+ —|П^2+—L.|ni« +—- (14)
ci|d| 2ХСТ dj 2ХСТ d| ctodl13
Рис. 3. К понятию критического диаметра изоляции
Из уравнения
Ч| =
(15)
следует, что qj при увеличении dH3сначала будет
возрастать (рис. 4) и при (dH3)Kp будет иметь максималь-
ное значение. При дальнейшем увеличении dH3 величина
9] будет снижаться.
25
Рис. 4 Зависимость тепловых потерь qj от толщины изоля-
ции
Поэтому, выбрав какой-либо изоляционный материал,
следует прежде всего рассчитать критический диаметр по
формуле
т\
(<*ИЗ)кр = —(16)
а0
Если окажется, что значение (dH3)Kp больше наруж-
ного диаметра трубы d2, то применение выбранного мате-
риала в качестве тепловой изоляции нецелесообразно. В
26
области d2 <(dM3)Kp при увеличении толщины изоляции бу-
дет наблюдаться увеличение теплопотерь (рис. 4).
Следовательно, для эффективной работы тепловой
изоляции необходимо, чтобы выполнялось условие
«1и3)кр«а2 (in
Отметим, что только при dH3 = (<Лиз)эф (рис. 4) тепло-
вые потореи вновь станут такими же, как для первоначаль-
ного, неизолированного аппарата. Таким образом, dH3 дол-
ожен быть больше (с1из)эф
Пример. Трубу внешним диаметром бг=20 мм необхо-
димо покрыть тепловой изоляцией. В качестве изоляции
был взят асбест (/^из=0,1 Вт/мК), коэффициент теплоотдачи
в окружающую среду ао = 5 Вт/м2К. Необходимо решить,
целесообразно ли использовать асбест в качестве материа-
ла для тепловой изоляции?
Критический диаметр изоляции
(dH3)Kp = =2*0,1/5=0,04 м = 40 мм
а0
Вывод: так как d2 <(d„3)Kp, то асбест в рассматри-
ваемом случае использовать нецелесообразно.
27
4.2. Изоляция одно- и многослойных плоских стенок
При стационарном тепловом потоке (Q=const) удель-
ный поток тепла (q=Q/F) от горячего теплоносителя через
стенку (стенки) и слой изоляции можно представить сле-
дующим образом.
q = «1О1 -0i)
(18)
стадия конвективного теплопереноса от теплоноси-
теля с температурой ti к стенке с температурой ои - ко-
эффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке;
(19)
стадия кондуктивного теплопереноса в стенке 1
(толщина стенки 5Ci, теплопроводность этой стенки лст),
q =
(02-03)
(20)
- стадия кондуктивного теплопереноса в стенке 2;
-е„)
(21)
28
ции;
- стадия кондуктивного теплопереноса в слое изоля-
1
_ ^покр fl _ft
Ч “ е \”п + 2 )
OflOKp
(22)
стадия конвективного теплоперенрса в ограждаю-
щем изоляцию покрытии;
q = ao(6n + 2-tc)
(23)
стадия конвективного теплопереноса от покрытия в
окружающую среду; ос0 - коэффициент теплоотдачи от по-
крытия изоляции в окружающую среду
Чтобы избавиться от неизвестных температур 9i,
02,- Оп+2- почленно складываем выделенные из уравнений
(18)-(23) разности температур. В итоге имеем
t, - tc = q[ -и^ + 4 — | (24)
\а1 ^СТ2 ^из ^-покр М
Отметим, что из-за малой толщины покрытия 8ПОКр ве-
личиной 8покр//-покр можно пренебречь. Поэтому для много-
слойной стенки
29
(25)
для однослойной стенки
(26)
Из уравнений (25) и (26) определяем толщину изоля-
ции:
для многослойной стенки
(27)
для однослойной стенки
(28)
Следует учесть, что величина q, Вт/м2 выбирается по
данным табл.З с учетом того, чтобы потери тепла в окру-
жающую среду Qo-qF не превышали (0,03-0,05)0, где О -
общее количество тепла, передаваемое в аппарате.
30
Уравнение (28) можно упростить, если считать, что
удельный поток тепла с наружной поверхности изоляции
равен
q = ao(0-tc),
(28-1)
где 0 - температура наружной поверхности изоляции;
величиной 0 задаются (см. Введение). Кроме того расчеты
показывают, что термическим сопротивлением стенки мож-
но пренебречь, т.к. 8Ст/аст»(0,0001-0,0003) м2К/Вт. Поэтому
уравнение (28) приводится к виду
или
откуда
т.е. критерий Био
31
t,-9
e c
(28-4)
Видно, что уравнение (28-4) позволяет оценить тол-
щину изоляции, чтобы по уравнению (16) определить пра-
вильность подбора теплоизоляционного материала Для
этой оценки необходимо знать также отношение c/q/cxi т к.
безразмерный температурный комплекс [(ti-O)/(O-tc)] обычно
известен. Ориентировочные значение коэффициентов теп-
лоотдачи ex-, для различных условий теплообмена [7 10.14]
приведены в табл 4
Таблица 4 Ориентировочные значение коэффициен-
тов теплоотдачи ич
Вид теплоотдачи
си, Вт/м'К
Вода Воздух при р=1
I эта
I
1 Вынужденное турбу-
лентное движение
. а) продольный поток । 1500-5800 35-60
। (вдоль оси труб)
б) поперечный поток 3100-10000 s_ __ 70-100
2. Свободная конвекция • 350-930 ! 4-9А)
I I
_____£____________ i____ ______
3. кипение воды i 2000-24000 i~
;___________________ ________
‘ 4 Конденсация насыщен- ’ 9300-15000
ного водяного пара на на-
ружной поверхности гори-
зонтальной грубы
5 Вынужденная конвекция i
в неподвижном слое на-
садки, в неподвижном
зернистом слое
20-50
6 Псевдоожиженный слой
200-400
теплоперенос от наружной поверхности изоляции в
окружающую среду оценивается величиной о.0=4-9 Вт/ м2К
Для кипящих растворов неорганических солей коэф-
фициенты теплоотдачи оц в 2-3 раза меньше щ для воды и
уменьшаются с ростом концентрации раствора
Для кипящих органических жидкостей меньше, чем
для кипящей воды, примерно на порядок
Из данных табл 4 следует что для ряда конкретных
условий теплопередачи и уравнение (28-^! упроща-
ется
(Bi)
0 t
(28-5)
Повторно отметим,что уравнения (28-4) и (28 5) опре-
деляют ориентировочную величину толщины изоляции пло-
ских теплопередающих поверхностей, т к. при их выводе не
учтена величина удельных тепловых потерь в окружающую
среду
4.3. Изоляция одно- и многослойных цилиндрических
стенок
При стационарном тепловом потоке (Q=const) удель-
ный поток тепла (q=Q/F) от горячего теплоносителя через
цилиндрическую стенку (стенки) и слой изоляции можно
представить следующим образом:
Ч| = ctift]-0,)7idi (29)
стадия конвективного теплопереноса от теплоноси-
теля с температурой ti к стенке с температурой 01, ои - ко-
эффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке.
Кондуктивный теплоперенос через цилиндрические
стенки толщиной 8СТ и теплопроводностью ^ст-
41 =
22iCT| d|
(30)
где di и d2 - наружный и внутренний диаметры цилин-
дрической стенки.
34
(31)
(32)
стадия кондуктивного теплопереноса через слой
изоляции;
Ч| = ао(0п - tc)7ldiB
(33)
стадия конвективного теплопереноса от поверхности
изоляции в окружающую среду
Отметим, что как и в предыдущем примере (п. 4 2)
пренебрегаем кондуктивным сопротивлением покрытия изо-
ляции.
После избавления от неизвестных температур
()>,. 0п (см п. 4.2), имеем для многослойных цилиндриче-
ских стенок
1 . dH3 1
+ Н-----In — — +---------
2Х из dn rx,QdH1
(34)
35
для однослойной цилиндрической стенки
t| - tc = —1 —— + — In — + 1— In —11 + —-—
7i \CX|dj 2A,ct dj 2X1I3 d2 ot0dH3..
(35)
Из уравнений (34) и (35) определяем искомую толщи-
ну изоляции через внешний диаметр изоляции:
для многослойной цилиндрической стенки
1|п _!1________ я(*1 ~ *с) _ 1 _ V" 1|n dn
^111 а(Ан Ч| \ 2Чгп ^п-1>
(36)
для однослойной цилиндрической стенки
2X1I3 dj ct0dll3 Qi ct|d] 2XCT d|
(37)
На практике в химико-технологических теплообмен-
ных аппаратах толщина
стенок мала по сравнению с их
диаметрами Поэтому в
уравнении (37) величину ln(d?/di)
разложим в ряд:
In 2
di
dj
(38)
d
Если отношение d2/d1-+1, то с достаточной точностью
можно ограничиться первым членом ряда
36
d
(39)
. d
In —
d
d2
di
d2 d
di
Аналогично
d ...J 2о....
In "Л =-----HL
d? d->
W
Поэтому уравнение (36) упрощается
(40)
ИЗ
(41)
из
0ииз
<li
n
п
Для однослойной цилиндрической стенки имеем
__1$ст
а 1 d 1 л _
d из __________
Z..,d-> otnd
(42)
Ч|
С учетом того, что с/из=с/2+2диз, по уравнению (41) или
(42) определяем толщину слоя изоляции 6И3.
При расчете 6ИЗ следует учесть, что величина qi=Q(/l,
где I - высота изолируемой поверхности аппарата, Qq - по-
тери тепла в окружающую среду, равные Qo=qF Здесь q -
поверхностные удельные тепловые потери через изоляцию
(поданным табл. 3), a F - изолируемая поверхность аппара-
та. Отметим, что Qo не должны превышать 3-5% от общего
количества тепла, передаваемого в аппарате.
Как и при рассмотрении плоских стенок, сделаем уп-
рощение уравнения (42): пренебрегаем величиной дСт/лСт и
вводим
qi=Qo/J = ao(0-tc)ndHJ
В результате имеем
^из^2 а0^из
ao(O tc)7idH3 ocjdj
(42-1)
^01 ^с)
Домножим все слагаемые уравнения (42-1) на а0:
С*0^из 1 _____1 )_____а0
I XlI3 J d2 dll3 (0-tc)dll3 ctjd]
(42-2)
После преобразований уравнения (42-2) получим
0 из
«|dj
(42-3)
или выражение
0 - tc ajdj
0 ct,QdH3
(42-4)
которое, учитывая близость отношений du3/d2 и dU3/di к 1,
упрощается до
(28-4)
38
Видно, что для цилиндрических стенок ориентировоч-
ную толщину термоизоляционного слоя можно определить
по формуле (42-4) или (при дальнейшем упрощении) по
формуле (28-5).
4.4. Расчет .толщины термоизоляций
4.4.1. Толщина термоизоляции кубовых кипятильников
ректификационных колонн, выносных и соосных грею-
щих камер выпарных аппаратов
Рассматриваем вертикально расположенные кубовые
кипятильники ректификационных колонн и вертикальные
греющие камеры выпарных аппаратов. Во всех случаях теп-
лоносителем является греющий пар с заданным давлением
(ргп, ата) и температурой (t3n, °C).
Корпуса этих теплообменных аппаратов изготовлены
из цилиндрических обечаек, их толщина 6СТ известна из
прочностных расчетов.
Исходное уравнение для расчета 5И3.
39
(42)
^113^2 а0^цз 4j ^“ст
где d?, di -соответственно наружный и внутренний
диаметры обечаек.
В случае конденсации водяного греющего пара в межтруб-
ном пространстве теплообменников коэффициент теплоот-
дачи при конденсации равен
С'4 Р—- = 2,04А
р Wn-e.)
(43)
где X, р, р физические параметры пленки конденсата
греющего пара при tsn,
г- теплота парообразования конденсата водяного пара, g -
ускорение свободного падения.
Величина комплекса А табулирована [10]
и °с 100 120 140 160 180 200
А = дЖ V м 179 188 194 197 199 199
г*103 Дж/кг 1 2260 I 2207 ! 2150 I I 2089 . 2021 I 1984 I
Интенсивность переноса тепла от поверхности изоля-
ции в окружающую среду оценивают [10] уравнением (если
температура поверхности аппаратов не выше 150 °C)
«о - 9,74+0,07 At,
(44)
где At - разность температур поверхности изоляции и
окружающего воздуха, °C.
Обозначим стадии теплопереноса от греющего пара в
окружающую среду
-o^Sd,
(45)
41 =«i(ti -01)= A(trn
Ql =
(46)
л(е2 -оиз)
2ХИЗ d2
(47)
41 =ссо(01п-1с)ла113 =[9,74 + 0,07At](eH3-tc)TtdHJ (48)
Выделим из уравнений (45)-(48) разности температур
Ч|
k And])
(49)
41
1,3 'c 7tdln[9,74 + 0,07At]
(50)
(51)
(52)
Сложением уравнений (49)-(52) освободимся от неиз-
вестных температур стенок 01, 021 0з
/ ч4/3 / ч
t _ t. = - 5L + 51 —-In-2 + — In-41 + в , (53)
kAndU 7r\2Xer d» 2ХИ, d? J 7rdMt
Iх V I I И J rl.f
где В - ——------------
(9,74 + 0,07At)
Упростим уравнение (53), введя In (d2/d^=2^fdi и In
(dU3/d2)^2.b\A3ld2,
С учетом константы В имеем
(54)
42
Я|
Ч|
(55)
ind2 din(9,74 + 0,07t\t)
из
I
Оценим вклад в решение уравнения (55) каждого сла-
гаемого. Для примера, принимаем внутренний диаметр теп-
лообменного аппарата сЛ=1 м, его высота /=3 м, 6ст-6 мм,
Лст=40 Вт/мК, Хиз=0,05 Вт/мК. Теплоноситель - греющий
пар, /гп=160°С; температура наружной поверхности изоля-
ции 0из= 40°С, температура окружающей среды /с=1ОоС. По
таблице 3 принимаем q=153,6 Вт/м2 Тогда потери в окру-
жающую среду Qo=qF=qn£)l = 1450 Вт, что дает
q<=Q(/l= 1450/3=483,3 Вт/м.
Константа Д (по /гл=160°С) равна
l~r 70RQ 1 fP
А 2,04А « = 2,04 • 197|-----------= 11614}
Vi v з
В результате имеем
0,974-5,27*3,92*10‘6+1,5*104+19,765,5+0,102/d„3
Из расчета видно, что термическое сопротивление
стадии конденсации греющего пара и ко нду кт и внести стен-
43
ки практически не влияет на толщину слоя изоляции. По-
этому принимаем
0,974- 19,768иэ+0,102/cU
откуда диаметр изоляции du3=1,12 м, следовательно, тол-
щина изоляции <5ц3=54 мм.
Таким образом, с достаточной точностью расчет тол-
щины теплоизоляции для рассматриваемого случая можно
проводить по упрощенному уравнению
7^01 __________________
4i ~ w2 dH3(9,74 + 0,074t)
(56)
Учитывая, что коэффициент теплоотдачи от наружной
поверхности изоляции в окружающую среду (ао), складыва-
ется из теплоотдачи за счет естественной конвекции (ас) и
теплоотдачи за счет излучения (ао ), то
ао=схо +ао (57)
Это позволяет уточнить расчет 6ИЭ, представив урав-
нение (56) в виде
tc- = 7^- +--------7----7- (58)
Ч| ^njd2 dH3(a0 + (Xq )
Коэффициент теплоотдачи ао определяется из зави-
симостей [16]:
44
при (Gr*Pr)<500
при (Gr*Pr)=500-2*107
при (Gr*Pr)> 2*107
Nu=1,16(Gr*Pr)°’125
Nu=O,54(Gr*Pr)0’25
Nu=0,135(Gr*Pr)°’33
(59)
(60)
(61)
В уравнениях (59)-(61) критерий Nu=aol/A, где Л ко-
эффициент теплопроводности окружающей среды при
средней температуре пограничного слоя t=(0U3 + tc)/2.
Критерий Прандтля Рг для воздуха (окружающей сре-
ды) в интервале температур 10-500°С при атмосферном
давлении остается практически постоянным и равным
Рг«0,722.
gl
Критерий Грасгофа Gr = -~PAt, причем р коэффи-
у/
циент объемного расширения воздуха, равный в рассматри-
ваемом случае р=1/Т= 1/(273+t)\ v - кинематическая вязкость
воздуха при температуре t\ /At=Qu3-tc. / - определяющий гео-
метрический размер (для вертикальных аппаратов - высота,
для горизонтальных аппаратов - диаметр).
Коэффициент теплоотдачи ао определяют по урав-
нению [10]
45
а0 =
<273+e,nV f273 + trV
_____ _ Hj _ L,
c 100 ~ ioo
Q(13 “
(62)
Константа излучения С равна [10]:
(63)
причем для случая установки аппарата в цеху или на откры-
той площадке F2»Fi (Fi - поверхность аппарата, F2 -
поверхность изоляции).
ПОЭТОМУ С=С7= EfCr,
(64)
где с7 - степень черноты поверхности изолируемого
аппарата: Сг - коэффициент лучеиспускания абсолютно
черного тела (Сг= 5,7 Вт/м2!^).
Значения е? для некоторых защитных покрытий изо-
ляции приведены ниже [10]:
Материал
Алюминий
Асбест
Железо оцинкованное
Лак
Лак алюминиевый
Масляная краска
0,05-0,07
0,96
0,27
0,8-0,98
0,4
0,78-0,96
4.4.2. Толщина термоизоляции выпарных аппаратов
с подвесной греющей камерой
Отличием схемы теплопереноса от теплоносите-
ля(греющего пара) в окружающую среду (рис. 5) является
то, что между стенками греющей камеры и корпуса выпарно-
го аппарата имеется кольцевое пространство, через которое
происходит естественная циркуляция упариваемого раство-
ра.
Согласно схеме на рис. 5 опишем стадии теплопере-
носа
Ч| = а|(1гп-е|)= A(trn-e1)3/4TtdI
(66)
4i =«2(02 -6з)л<1ср,где dcp=(d3+d4)/2
(67)
(68)
47
Рис. 5, Схема теплопереноса в выпарном аппарате
с подвесной греющей камерой
1 - стенка греющей камеры, 1СТ1, 2 - стенка корпуса выпар-
ного аппарата, ХСТ2, 3 - слой изоляции, лиэ, 4 - окружающая
среда
(69)
48
Ч| ао(^пз
(70)
После исключения неизвестных температур 0ь 02- Оз и
04 имеем
гп
4l
Arcd
d
4i
di
2й ср
d4 1 , d™
In +-----In—
dj d4
С учетом того, что
. d2
In — = —
di d
d- 25
In-
d
ln^ =
d,
tnl
(L
d
имеем
4/3
-4 4
ю
(72)
^•СТ] di ^Ар
Как показано в п. 4.2 термическим сопротивлением
металлических стенок (5СтАст), а также термическим сопро-
гивлением стадии конденсации греющего пара можно пре-
небречь. Поэтому уравнение (72) упрощается
49
1
^О^из
(73)
гп
| ^из
71 (Х2^ср ^из^4
Интенсивность теплопереноса в кольцевом циркуля-
ционном контуре (рис. 5) оценивается коэффициентом теп-
лоотдачи аз. величина которого зависит от скорости естест-
венной циркуляции раствора (И/ц). Скорость И/ц, по данным
[16], зависит от уровня кипящего раствора в аппарате (здесь
учитывается влияние паросодержания в трубках, соотноше-
ние высот зон подогрева и вскипания) и плотности раствора.
Предлагается [16] для расчета оптимального превы-
шения уровня раствора над кипятильными трубками ис-
пользовать эмпирическую формулу, полученную при испы-
таниях промышленных выпарных аппаратов
h (%) = lyprtmn = 26 +0,14 Ар, (74)
где Др = рр-ра - рводы, Рр-ра - плотность упариваемого
раствора в выпарном аппарате; рВОды - плотность воды при
температуре кипения раствора.
50
о го 40 бо 80
Рис. 6 Зависимость И/0от/7
Скорость естественной циркуляции определяют из
экспериментальной зависимости И/Ь=А(Д), представленной
на рис. 6.
Поскольку в циркуляционном контуре практически от-
сутствует кипение раствора, то определение коэффициента
теплоотдачи аг, Вт/м2 К, следует проводить по критериаль-
ным зависимостям для условий вынужденной конвекции
[10]
для турбулентного режима (Re> 104)
51
^°/о
Nu=0,021Re°’8*PrM (75)
для переходного режима (2320<Re< 104) по графи-
ку на рис. 7
для ламинарного режима (Re= 10-2000)
Nu=O,15eiRe° 33*Pr0'43 *Gr°'1 (при Pr/PrCT=1) (76)
Значения коэффициента q приведены ниже:
l/d3 10 15 20 30 40
£| 1,28 4 1,18 1,13 1 1,05 1,02
В уравнениях (75), (76) критерий Рейнольдса
Re=Wod3/vp: где эквивалентный диаметр кольцевого сечения
равен d3= d3-d2, м; vp - кинематическая вязкость упаривае-
мого раствора, м2/С. Критерий Прандтля Pr=Vp/ap, где ар -
коэффициент температуропроводности раствора. Критерий
gd3
Грасгофа Gr = —y-pAt, где At можно принять равной (trn -
vp
tKlrtn)> [3=1/(273+ tKVin)- Критерий Нуссельта Nu=a2d;/A,p, где Хр -
коэффициент теплопроводности раствора, Вт/мК.
52
Л/и
Рис. 7 Зависимость Л/с/ от Re для переходного режи-
ма (Рг/Ргст=1)
Расчет коэффициента теплоотдачи ос0 от наружной
поверхности изоляции к окружающей среде приведен в п.
4.4.1
В итоге известны значения схг и ссо» чт0 позволяет рас-
считать толщину изоляции по уравнению (73).
53
4.4.3^ Толщина термоизоляции барабанных сушилок
В качестве исходного используем уравнение
6из + 1 _ rc(t] tc) _ 1 _ бст
^из^2 а0^из 41 ^ст
(42)
где ф, d2 - наружный и внутренний диаметры бараба-
на, а0 - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности
изоляции в окружающую среду (расчет см. в п. 4.4.1) » ^ст, ^ст
- толщина и коэффициент теплопроводности материала
барабана; ti, tc - соответственно средняя температура су-
шильного агента по длине барабана и температура окру-
жающей среды.
Применительно к стадии теплопереноса от сушильно-
го агента (воздуха, топочных газов) к внутренней стенке ба-
рабана для расчета коэффициента теплоотдачи рекоменду-
ется зависимость [12]
0ц =3,14 1 + 0,0415
(Wr Рг)
в--\,Вт/&К (77)
где Wr - скорость сушильного агента в сечении бара-
бана; рг - плотность сушильного агента при температуре ti.
54
Причем последним членом 6СТ/Аст в уравнении (42)
можно пренебречь.
4.4.4. Толщина термоизоляции сушилок•<псевдоожи-
женным слоем
В качестве исходных используем уравнения
(28)
для плоских стенок сушильной камеры;
(42)
для цилиндрических сушильных камер.
В уравнениях (28), (42) ti -температура сушильного
лента (для расчета 6ИЭ с некоторым запасом можно прини-
мать ti - температура сушильного агента после калорифе-
ра). Расчет коэффициента теплоотдачи а0 приведен в п.
4 4 1
Коэффициент теплоотдачи ои от псевдоожиженного
слоя к внутренней поверхности сушильной камеры
55
рекомендуется [11] определять по формуле, соответствую-
щей максимальному значению оц.
Numax=0,86 АГ0'2
3 2
ГДе NUmax-г> Аг=С[С1э Pt*(v рож), О-max МЗКСИ-
мальное для данной псевдоожиженной системы значение
коэффициента теплоотдачи; d3 - эквивалентный диаметр
частицы зернистого материала; - коэффициент тепло-
проводности газа; рт и рож - плотность соответственно час-
тиц зернистого материала и газа; v - кинематический коэф-
фициент вязкости газа при его температуре; g - ускорение
свободного падения.
Уравнение (78) рекомендовано [11] для чисел Архи-
меда Аг=30-135000.
4.4.5. Толщина термоизоляции горизонтальных
конденсаторов ректификационных колонн
В качестве исходного используем уравнение
^ИЗ J ^(^1 ~ )___________1^СТ (Д2)
из d 2 0 из ЧI ст
56
в котором ti температура конденсации паров дист
i иллята.
С учетом того, что
где Ci = 1,28; коэффициент рядности ер ~0,6-0,7 [5]; dH
наружный диаметр труб, можно представить ai=0,83A(tr
Oi)1/4 причем комплекс
1/4
(79)
где pg> pg - физические параметры жидкой пленки
дистиллята при температуре конденсации; rg - теплота па-
рообразования дистиллата (Дж/кг); g - ускорение свободно-
ю падения;.
После исключения неизвестных температур 0Ъ 02 по-
лучаем расчетное уравнение
0,83 Adj >
(80)
которое решается относительно 6И3.
57
5. Контрольные вопросы
— Какие типы теплоизоляционных материалов при-
меняются в промышленности?
— Какими основными свойствами должны обладать
теплоизоляционные материалы?
— Что такое критический диаметр изоляции?
— Как должны соотноситься критический диаметр
изоляции и наружный диаметр аппарата (труСы
— Назовите и охарактеризуйте стадии теплопереноса
при расчете толщины изоляции.
— Какой физический смысл критериев Bi, Nu, Re, Pr,
Ar, Gr?
58
Литература
1 Гельперин Н.П. Основные процессы и аппараты
химической технологии. - М..Химия, 1981. - 812 с.
2. Гельперин НИ., Айнштейн В.Г Будков В.А. и др.
Методические указания по курсовому проектированию су-
шильных установок. - М.. МИТХТ, 1976. - 124 с.
3. ГОСТ - 16381-77 Материалы строительные тепло-
изоляционные. Классификация и общие технические требо-
вания.
4. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической
технологии. М.. Химия, 1992. - 384 с.
5. Захаров М.К. Методические указания по расчету
геплообменника при конденсации пара на пучках труб. М
МИТХТ, 1996. - 10 с.
6. Исаченко В П., Осипова В.А., Сукомел А С Тепло-
передача. - М.. Энергоиздат, 1981 -417 с.
7 Кутателадзе С.С., Боришанский В.Н. Справочник по
теплопередаче. Л.-М.. Госэнергоиздат 1959 -414 с.
8. Лунин О.Г Вельтищев В.Н. Теплообменные аппа-
раты пищевых производств. - М.. Агропромиздат, 1987 -
239 с.
59
9. Михеев М.А., Михеева ИМ. Основы теплопередачи.
- М.: Энергия, 1977 -342 с.
10. Павлов КФ Романков П.Г Носков А.А. Примеры
и задачи по курсу процессов и аппаратов химической техно-
логии. - М.. Химия, 1987 - 574 с.
11 Плановский А.Н., Николаев Н.И. Процессы и аппа-
раты химической и нефтехимической технологии. - М.. Хи-
мия, 1987 - 496 с.
12. Солопенков К.Н. Барабанная сушилка. Методиче-
ское пособие по курсовому проектированию. М. МИТХТ,
1969.-54 с.
13. Теплоэнергетика и теплотехника. Справочник под
ред. Григорьева В.А. - М.. Энергоатомихдат, 1987 -456 с.
14. Хоблер Т Теплопередача и теплообменники. - Л..
Госхимиздат, 1961 -820 с.
15. Чернобыльский И.И. Выпарные установки. - Изд-
во Киевского ун-та, 1960 - 268 с.
16. Колач ТА., Радун Д.В. Выпарные станции-
М.:Машгиз.,1963.-400 с.
60
Б Г Варфоломеев, В В. Карасев
Тепловая изоляция аппаратов
Учебно-методическое пособие
Гл. редактор В.Д. Калкин
Компьютерная верстка Лёвкин П.А.
ЛР № от
Подписано в печать 2V. @3 Формат 60x90/16.
Бумага офсетная. Гарнитура Arial Суг Печать офсетная
Уч из. л. /о Тираж Заказ №__
Издательско-полиграфический центр МИТХТ
117571 Москва, пр. Вернадского 86.
61