Рассмотрена методика подбора материала, применяемого в качестве тепловой изоляции, и расчёта его толщины
тепловая изоляция, термическое сопротивление, тепловые потери
Тепловая изоляция находит широкое применение в нефтехимической промышленности для уменьшения тепловых потерь, что является важным экономическим фактором при проектировании технологических аппаратов и трубопроводов. Кроме того, использование теплоизоляции способствует надежному проведению адиабатных, изотермических, экзотермических и других специфических химико-технологических процессов, а также защите оборудования от коррозии за счет предотвращения образования конденсата.
Не менее важным фактором является обеспечение безопасных условий труда для рабочего персонала. В соответствии с данными таблицы 1 [1], температура наружной поверхности тепловой изоляции для аппаратов, расположенных в рабочей или обслуживаемой зонах помещений, не должна превышать 35-55 °С. Температура наружной поверхности тепловой изоляции оборудования, расположенного на открытом воздухе в рабочей или обслуживаемой зоне, должна быть не выше 60 °С. Для трубопроводов, расположенных за пределами рабочей или обслуживаемой зоны, температура наружной поверхности тепловой изоляции не должна превышать температурных пределов применения материалов покровного слоя, и не должна быть выше 75 °С.
К материалам для тепловой изоляции предъявляются следующие требования: значение коэффициента теплопроводности не должно превышать 0,12 Вт/(м∙К) при 25°С; малая плотность (менее 400 кг/м3) за счет высокой пористости; низкая гигроскопичность; высокая удельная массовая теплоемкость (не менее 800 Дж/(кг∙К)); термостойкость, механическая прочность, достаточная пластичность; пожаробезопасность (при горении материала не должны выделяться вредные и ядовитые вещества); отсутствие собственного запаха и невосприимчивость к посторонним запахам; доступность, дешевизна и долговечность материала.
Таблица 1
Допускаемая температура изолируемых поверхностей,
расположенных в рабочей или обслуживаемой зонах помещений
|
Температура технологической среды в аппарате (трубопроводе), °С |
Температура наружной поверхности тепловой изоляции, °С, не более |
|
выше 500 °С |
55 |
|
от 150 до 500 °С |
45 |
|
150 °С и ниже |
40 |
|
температура вспышки паров ниже 45 °С |
35 |
В работе [2] рассмотрены основные положения, которые следует учитывать при подборе материала тепловой изоляции. Показано, что при подборе материала для тепловой изоляции следует определить ее критический диаметр 
и проверить условие целесообразности применения выбранного материала:
|
|
(1) |
где 
– коэффициент теплопроводности материала тепловой изоляции, Вт/(м·К); 
– коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к окружающей среде (атмосферному воздуху), Вт/(м2К); 
– наружный диаметр изолируемой поверхности, м.
Известно, что увеличение толщины теплоизоляционного слоя не приводит к пропорциональному уменьшению тепловых потерь, так как в этом случае помимо увеличения термического сопротивления теплопередачи стенки возрастает площадь наружной поверхности теплообмена с окружающей средой [3]. Критический диаметр тепловой изоляции соответствует минимальному значению полного термического сопротивления или, другими словами, максимальным потерям теплоты через наружную поверхность. Если условие (1) не выполняется, то следует выбрать другой материал с меньшим коэффициентом теплопроводности.
В настоящей работе рассмотрен подход к определению материала и толщины тепловой изоляции. Схематический разрез стенки аппарата, покрытого тепловой изоляцией, изображен на рисунке 1. Задача заключается в подборе материала и определении толщины тепловой изоляции 
для аппарата с внутренним диаметром 
, в котором происходит конденсация водяного пара при температуре 
°С, чтобы при температуре окружающего воздуха 
°С температура наружной поверхности изоляции 
не превышала 40°С.
В качестве материала тепловой изоляции выбираем стеклянную вату с коэффициентом теплопроводности 
Вт/(м·К). Проверим условие (1) целесообразности использования выбранного материала тепловой изоляции:
условие выполняется,
где 
Вт/(м2·К) – коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к воздуху (ламинарное движение); 
– наружный диаметр аппарата, м; 
– толщина стенки аппарата.
Рисунок 1 – Разрез стенки аппарата, покрытого тепловой изоляцией.
При стационарном режиме, согласно закону сохранения энергии, плотность теплового потока 
в окружающую среду будет одинакова для всех этапов теплопередачи, соответственно:
|
|
(2) |
где 
– коэффициент теплопередачи от горячего теплоносителя в окружающую среду через двухслойную стенку, 
:
|
|
(3) |
где 
Вт/(м2·К) – коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к внутренней поверхности аппарата; 
– термическое сопротивление загрязнений на стенке со стороны конденсирующегося пара; 
– коэффициент теплопроводности для конструкционного материала стенки аппарата (нержавеющей стали).
В первом приближении температуру наружной поверхности стенки аппарата 
принимаем равной температуре водяного пара в аппарате 
°С, а температуру наружной поверхности изоляции – равной заданному допустимому значению
°С.
Подставим в (2) известные величины и выразим искомую толщину тепловой изоляции:
Полученное значение толщины округлим до стандартного значения 
.
Определим по (3) величину коэффициента теплопередачи с учетом выбранной толщины тепловой изоляции:
Рассчитаем плотность теплового потока в окружающую среду:
Выразим температуру внутренней поверхности стенки аппарата:
Температура наружной поверхности стенки аппарата:
Температура наружной поверхности изоляции составит:
Полученное значение не превышает заданного допустимого значения температуры наружной поверхности тепловой изоляции 
°С.
В нормативной литературе [4] приводятся значения предельной толщины теплоизоляционных конструкций для оборудования и трубопроводов в зависимости от диаметра изолируемой поверхности и температуры. Так, для аппаратов и трубопроводов с наружным диаметром 1020 мм и более предельная толщина теплоизоляционного слоя составляет 320 мм.
В случае, если расчетная толщина изоляции больше предельной, следует принимать более эффективный теплоизоляционный материал и ограничиться предельной толщиной тепловой изоляции, если это допустимо по условиям технологического процесса.
Таким образом, рассмотренный в работе подход позволяет обоснованно подобрать материал и толщину слоя тепловой изоляции.
1. СП 60.13330.2012. Свод правил. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003. – М.: Мин-регион России, 2012.
2. Щербин, С.А. Подбор материала для устройства тепловой изоляции / С.А. Щербин, В.А. Глотов // Современные технологии и научно-технический прогресс. – 2021. – Т. 1, № 8. – С. 103-104.
3. Варфоломеев, Б.Г. Тепловая изоляция аппаратов / Б.Г. Варфоломе-ев, В.В. Карасев. – Москва : МИТХТ, 2000. – 61 с.
4. СП 61.13330.2012. Свод правил. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. Актуализированная редакция СНиП 41-03-2003. – М.: Минрегион России, 2012.
