6-5. ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ

Если требуется снизить теплопередачу, то для этого необходимо увеличить термическое сопротивление. При этом достаточно увеличить какое-либо из частных термических сопротивлений, что может быть сделано по-разному. В большинстве случаев это достигается путем нанесения на стенку слоя тепловой изоляции.

1. Виды изоляции. Тепловой изоляцией называется всякое вспомогательное покрытие, которое способствует снижению потери теплоты в окружающую среду. Целевое назначение изоляции различно — это или экономия топлива, или создание возможности осуществления технологических процессов, или создание санитарных условий труда. Подход к выбору и расчету изоляции в каждом случае должен быть различным. В первом случае на первый план выступают соображения экономического характера, а во втором и третьем — требования технологии и санитарии.

Для тепловой изоляции могут применяться любые материалы с низкой теплопроводностью. Однако собственно изоляционными обычно называют такие материалы, коэффициент тешюпроводности которых при температуре 50—100°С меньше 0,2 Вт/(м•°С). Многие изоляционные материалы берутся в их естественном состоянии, например, асбест, слюда, дерево, пробка, опилки, торф, земля и др., но большинство их получается в результате специальной обработки естественных материалов и представляет собой различные смеси. В зависимости от технологии обработки или процентного состава отдельных компонентов теплоизоляционные свойства материалов меняются. К сыпучим изоляционным материалам почти всегда добавляются связующие материалы, которые ухудшают изоляционные свойства.

Ассортимент изоляционных материалов разнообразен. Многие из них носят специальные названия, например шлаковая вата, зонолит, асбозурит, асбослюда, ньювель, совелити др. Шлаковая вата получается из шлака, который расплавляется и затем паровой струей разбрызгивается. Зонолит получается из вермикулита (сорт слюды) путем прокаливания его при температуре 700—800°С. Асбослюда представляет собой смесь асбеста и слюдяной мелочи. Совелит является продуктом химического производства. Широкое применение получила так называемая альфолевая изоляция. В качестве изоляции здесь используется воздух, и вся забота сводитая к уменьшению коэффициента конвекции и снижению теплоотдачи излучением путем экранирования алюминиевой фольгой (рис.6-11).

Коэффициент теплопроводности материалов в сильной мере зависит от их пористости. Чем больше пористость, тем меньше значение эффективного коэффициента теплопроводности. О пористости материала можно судить по величине его плотности, с увеличением пористости плотность материала уменьшается.

При выборе материала для изоляции необходимо принимать во внимание механические свойства материалов, а также их способность поглощать влагу и выдерживать высокую температуру. Если температура изолируемого объекта высокая, то обычно применяется многослойная изоляция: сначала ставится материал, выдерживающий высокую температуру, например асбест, а затем уже более эффективный материал с точки зрения теплоизоляционных свойств, например пробка. При этом толщина асбестового слоя выбирается из тех условий, чтобы температура пробки не была выше 80°С. Серьезным делом является изоляция объектов в сырых помещениях и при низкой температуре. При насыщении материала влагой его теплоизоляционные свойства резко снижаются. Для предотвращения этого явления обычно принимаются специальные меры.

До сих пор мы говорили об изоляционных свойствах отдельных материалов. Но когда материал наносится на объект, то вследствие примесей и способа нанесения изоляционные свойства материала меняются. В этом случае правильное представление об изоляции дает не коэффициент теплопроводности материала, а коэффициент теплопроводности всей конструкции в целом, который для практики имеет большее значение. Приближенно коэффициент теплопроводности конструкции определяется расчетным путем. Однако точное его значение можно определить лишь путем опыта. Последнее можно сделать как в лаборатории, так и в промышленных условиях. Для расчета тепловой изоляции применяются обычно формулы теплопередачи, которые подробно были рассмотрены выше; все сказанное там относительно их упрощений полностью сохраняет силу и здесь. При расчете изоляции следует придерживаться следующего порядка. Сначала устанавливаются допустимые тепловые потери объекта при наличии изоляции. Затем выбирают сорт изоляции и, задавшись температурой на поверхности изоляции, определяют среднюю температуру последней , по которой определяется соответствующее значение коэффициента теплопроводности . При расчете изоляции термическим сопротивлением теплоотдачи от горячей жидкости к стенке и самой стенки можно пренебречь. Тогда температуру изолируемой поверхности можно принять равной температуре горячей жидкости. Зная температуры на внутренней и внешней поверхностях изоляции и коэффициент теплопроводности, определяют требуемую толщину изоляции . После этого производится поверочный расчет и определяются значения средней температуры изоляционного слоя и температуры на поверхности. Если последние от предварительно принятого значения отличаются существенно, те весь расчет повторяют снова, задавшись новым значением температуры на поверхности изоляции.

И так до тех пор, пока расхождение температур не будет в допустимых пределах.

При теплоотдаче в условиях свободной конвекции и температуре окружающей среды толщину изоляции трубопроводов с точностью до 3—5% можно определить по формуле [67]

где — толщина изоляции, мм; — диаметр трубопровода, мм; — его температура; — коэффициент теплопроводности изоляции; — линейная плотность теплового потока.

Рис. 6-14. Вспомогательный график для определения

Рис. 6-15. Трубопровод с однослойной изоляцией.

На рис. 6-14 приведен график, по которому без подсчетов можно определить значения . Если температура окружающей среды не 20°С, а выше, то тепловые потери уменьшаются: на каждые 5° С повышения температуры тепловые потери снижаются приблизительно на 1,5%.

2. Условия рационального выбора материала для тепловой изоляции трубопроводов. При наложении тепловой изоляции на трубопровод тепловые потери уменьшаются не пропорционально увеличению толщины изоляции, более того, при неправильном выборе материала изоляции тепловые потери возрастут. Это связано с тем, что у изолированного трубопровода внешняя поверхность увеличивается и условия теплоотвода улучшаются. Анализ показывает, что материал изоляции выбран правильно, если удовлетворяет неравенству

где — наружный диаметр трубопровода, а — коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности к окружающей среде.

Приведенное условие можно понять, если рассмотреть общее термическое сопротивление теплопередачи трубопровода, на который наложен слой изоляции (рис. 6-15):

До наложения слоя изоляции общее термическое сопротивление теплопередачи трубопровода составляло:

Из сравнения величин видно, что при наложении изоляции термическое сопротивление изменилось на величину

Это соотношение показывает, что при наложении изоляции термическое сопротивление слоя изоляции возрастает и способствует снижению потерь теплоты, но одновременно термическое сопротивление теплоотдачи в окружающую среду уменьшается на величину , что связано с увеличением внешней поверхности .

Для снижения тепловых потерь нужно, чтобы термическое сопротивление изолированного трубопровода было выше, чем неизолированного , т. е.

Подставляя в соотношение (б) значение из соотношения (а) и решая неравенство относительно величины , получаем:

где — безразмерный числовой коэффициент, наименьшее значение которого равно 1 при . Изложенные соображения определяют основное условие (6-25) рационального подбора материала для тепловой изоляции трубопроводов.

Если условие (6-25) не выполнено, т. е. выбран материал, для которого , то при его нанесении на трубопровод тепловые потери будут не снижаться, а, наоборот, расти; при некоторой толщине слоя материала потери достигнут максимума и лишь при еще более толстом слое начнут постепенно снижаться. Характер изменения тепловых потерь трубопровода в зависимости от толщины слоя при рациональном и неверном подборе материала изоляции показан на рис. 6-16.

Наибольшие тепловые потери при неправильном выборе материала изоляции имеют место при значении диаметра

Это соотношение получается после дифференцирования выражения (а) по и приравнивания производной нулю. Значение , определяемое соотношением (в), часто называют «критическим диаметром тепловой изоляции» (это название не очень удачно, так как в данном случае изоляция выбрана неверно).

Рис. 6-16. Зависимость тепловых потерь трубопровода от толщины слоя изоляции при рациональном (1) и неправильном (2) подборе материала изоляции.

Пример 6-4. Трубопровод с внешним диаметром d2 = 15 мм необходимо покрыть тепловой изоляцией. Целесообразно ли использовать в качестве изоляции асбест, коэффициент теплопроводности которого . Коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляции в окружающую среду .

Используя условие (6-25), имеем:

Так как из условий задачи и, следовательно, для асбеста , то в данном случае этот материал использовать для тепловой изоляции трубопровода нецелесообразно. Из основного условия (6-25) следует, что в этом случае нужно использовать материалы, для которых [например, войлок шерстяной, для которого .