РАСЧЕТ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОПРОВОДОВ
Цель работы - знакомство с системой теплоснабжения и конструкциями теплопроводов; расчет коэффициентов тепловых потерь для типичных теплопроводов; определение влияния физических свойств теплоизоляционных материалов и конструктивных особенностей теплопроводов на коэффициенты тепловых потерь и выработка рекомендаций для выбора энергоэффективных теплопроводов.
Работа выполняется в течение 2-х академических часов.
Введение
Транспортировка тепла осуществляется с помощью теплопроводов. На рис.2 показан элемент современного теплопровода, изготовленного в заводских условиях, который включает водопроводную стальную трубу для транспортировки энергоносителя, тепловую изоляцию из пенополиуретана и защитный кожух из пластмассы. Данные теплопроводы являются перспективными и прокладываются непосредственно в грунте (рис.3, тип А), что сокращает затраты на их монтаж и эксплуатацию. В настоящее время в Беларуси наиболее распространены теплопроводы с прокладкой в непроходных каналах (рис.3, тип В) или с надземной прокладкой (рис.3, тип С)
Каждый из рассмотренных теплопроводов характеризуется наружным диаметром каналов Dн, толщиной стенки трубы δ, толщиной изоляции δи и защитного кожуха δк, расстоянием между трубами s и глубиной прокладки h.
Теплопроводы в каналах дополнительно включают размеры канала: ширину а и высоту b. На рис.2 основные размеры представлены в виде общепринятых символов и идентификаторов вычислительной программы СОNDORS.
|
Рис.2. Схема элемента
предварительно изолированного
теплопровода
Метод анализа
При транспортировке теплоты имеются потери в окружающую среду, величина которых зависит как от температуры теплоносителя и окружающей среды, так и от качества тепловой изоляции теплопроводов. Основной характеристикой теплоизоляционных материалов является коэффициент теплопроводности λи. Коэффициент теплопроводности зависит от применяемого материала и его влажности. С ростом влажности материала коэффициент теплопроводности увеличивается.
Интегральной индивидуальной характеристикой теплопроводов является коэффициент тепловых потерь К, который показывает, какой тепловой поток теряется теплопроводом длиной 1м при разности температур между теплоносителем и окружающей средой, равной одному градусу [4]. В качестве окружающей среды для надземного теплопровода выступает атмосферный воздух, а для подземных - грунт.
Рис.3. Схемы конструкций типичных теплопроводов: А - подземный теплопровод с заводской изоляцией; В - подземный теплопровод в непроходном канале; С - надземный теплопровод
Различаются два типа коэффициентов тепловых потерь. Первый коэффициент К1 непосредственно связан с количеством теряемого тепла в окружающую среду, а второй - К0 учитывает полезную теплоту, которая передается от более нагретого подающего теплопровода обратному. Тогда общий коэффициент тепловых потерь
(1)
Подающие и обратные надземные теплопроводы являются независимыми, и для них К0=0. Коэффициент тепловых потерь К1 надземного теплопровода есть обратная величина термического сопротивления:
(2)
где λ, λи, λк - коэффициенты теплопроводности соответственно трубы, изоляции и защитного кожуха, Вт/(м-°С); Dв, Dн, Dи, Dк - диаметры трубы, внутренний и наружный, наружные диаметры изоляции и защитного кожуха, мм.
Коэффициенты тепловых потерь К1 и К0 подземных теплопроводов определяются на основе синтеза экспериментальных и расчетных данных с учетом решения уравнения теплопроводности.
С учетом конструктивных особенностей теплопровода в непроходных каналах (тип В) и в соответствии со схемой, которая дана на рис.3, дополнительно рассчитываются наружный диаметр теплопровода с изоляцией и кожухом Dк, глубина прокладки теплопровода h′′ (DYBD), ширина канала a (BRED) и высота канала b (HOEJ):
DК=DИ+2δИ+2δК,
h′′ = 0,5DК+h, (3)
a =2,5DК,
b = 1,5DК.
Параметры h′′ , а и b являются исходными данными для теплопровода В.
В реальном случае эти параметры соответствуют номенклатурному ряду типоразмеров непроходных каналов.
Порядок расчета
Расчет теплотехнических характеристик теплопроводов А и В проводится на компьютере на базе пакета прикладных программ CONDORS с использованием файла исходных данных VTAB.CMD. Для теплопроводов В по формуле (3) дополнительно рассчитываются конструктивные параметры h′′ , а и b, которые служат исходными данными и заносятся в файл VTAB.CMD при расчете соответствующих вариантов. Расчет коэффициентов тепловых потерь для теплопроводов С проводится с помощью калькулятора по формуле (2).
Выполнение работы
1. Из табл.2 в соответствии с выполняемым вариантом, который задается преподавателем, дополнительно берутся данные о диаметре труб, толщине стенок теплопроводов и теплопроводности материала труб и кожуха.
2. Для проведения вычислительного эксперимента загрузите программу CONDORS. На рабочем столе монитора найдите значок с имен программы, подведите к нему курсор и дважды нажмите левую кнопку мыши. После появления главной формы нажмите кнопку <Работа№1>.
3. Провести редактирование текущего варианта в соответствии с табл. 1 и 2 исходных данных и схемами теплопроводов, которые даны на рис.3. Данные, которые содержатся в файле VTAB.CMD и не входят в табл.1 и 2, являются константами. Пример файла VTAB.CMD с описанием основных идентификаторов дан на рис.4. Переменные выделены подчеркиванием. Для теплопровода В1 проводится дополнительный расчет параметров по зависимостям (3), где h=900 мм.
4. Сохранить данные, нажав кнопку <Сохранить>.
5. Нажатием кнопки <Счет> провести расчет по программе CONDORS с выполнением следующих операций:
5.1. При появлении первого запроса "Oenskes der ikke udskrifter, tastes <Enter> введите имя файла результата расчета 1 и нажмите клавишу <Enter>.
5.2. При появлении следующего запроса "Indtast venligst overskrift for udskrifter" нажмите клавишу <Enter>.
Исходные данные и форма для записи результатов расчета
Таблица 1
| Код | Изоляция | (ISOL) dи, мм | (LAMI) lи, Вт/м/оС | (LAMJ) lг, Вт/м/оС | (JORD) h, мм | (K1) К1, Вт/м/оС | (K0) K0, Вт/м/оС |
| А1 | Пенополиуретан | 0,027 | 1,5 | ||||
| А2 | Пенополиуретан | 0,027 | 1,5 | ||||
| А3 | Сухая минеральная вата (w=0%, r=350кг/м3) | 0,055 | 1,5 | ||||
| А4 | Влажая минеральная вата (w=30%, r=350кг/м3) | 0,19 | 1,5 | ||||
| А5 | Без изоляции | 0,19 | 1,5 | ||||
| А6 | Пенополиуретан | 0,027 | 0,33 | ||||
| А7 | Пенополиуретан | 0,027 | 1,5 | ||||
| В1 | Сухая минеральная вата | 0,055 | 1,5 | ||||
| В2 | Без изоляции | 0,055 | 1,5 | ||||
| С1 | Без изоляции | 0,027 | - | - | |||
| С2 | Пенополиуретан | 0,027 | - | - | |||
| С3 | Пенополиуретан | 0,027 | - | - |
5.3. При появлении следующего запроса "Please type files name for output or <CR> for screen", нажмите клавишу <Enter>.
5.4. На последнем этапе введите номер меню 1 и нажмите клавишу <Enter>.
5.5. После нажатия кнопки <Результат> в окне отображаются результаты расчета текущего варианта (первая таблица - варианты А1-А7, вторая таблица – варианты В1 –В2).
6 Провести расчет и обработку всех вариантов для трубопроводов А и В в соответствии с табл. 1 и пп.3-5.
7 Провести сравнительный анализ результатов расчета. Показать, для какого типа теплопровода коэффициент тепловых потерь К имеет минимальное значение и на сколько процентов по сравнению с другими теплопроводами при прочих равных условиях. Количественно для теплопроводов А и С показать относительное влияние материала, толщины и влажности изоляции на коэффициент тепловых потерь. Объяснить полученные результаты. Сделать окончательные рекомендации по использованию теплопроводов А и В, учитывая, что реальные теплопроводы в непроходных каналах выпускаются с теплоизоляцией из минеральной ваты, а предизолированные - из пенополиуретана.
Рис.5. Фрагмент структуры файла результатов расчета
Работа № 2