Тепловая изоляция. Критический диаметр изоляции

Для снижения тепловых потерь в окружающую среду необходимо увеличение полного термического сопротивления нагретого тела. Чаще всего это достигается путем нанесения на нагретую поверхность слоя тепловой изоляции. В качестве изоляции применяют материалы с низким значением теплопроводности и достаточно стабильными другими физическими характеристиками (шерсть, хлопок, древесина – органические; шлак, глина, песок – неорганические).

Исследуем влияние материала и толщины наружного диаметра изоляции на полное линейное термическое сопротивление и тепловые потери изолированного трубопровода.

С этой целью рассмотрим цилиндрическую трубу, покрытую по внешней поверхности однослойной тепловой изоляцией. Полное линейное термическое сопротивление такой двухслойной цилиндрической стенки определяется по формуле:

. (16.24)

Будем считать, что в этом выражении неизменным является только один параметр , который при известном значении внешнего диаметра определяет толщину изоляции.

С увеличением растет местное термическое сопротивление слоя изоляции , но одновременно уменьшается местное термическое сопротивление теплоотдачи .

Возьмем первую производную от правой части по в уравнении (16.24).

. (16.25)

Определим значение , при котором производная =0:

.

Значение диаметра изоляции, при котором =0 называется критическим диаметром .

. (16.26)

Термическое сопротивление при имеет минимальное значении, теплопередача – максимальное.

Таким образом, критический диаметр изоляции не зависит от наружного диаметра трубопровода , толщин изоляции и коэффициента теплоотдачи , а зависит только от и .

Разность между линейным термическим сопротивлением неизолированной трубы и линейным термическим сопротивлением трубы, покрытой изоляцией :

- = .

· Если = , то линейная плотность потока теплоты во внешнюю среду будет одинакова как у изолированной, так и у неизолированной трубы.

· Если > , то наличие изоляции приводит к увеличению тепловых потерь в окружающую среду.

· Если < , то наличие изоляции приводит к уменьшению тепловых потерь в окружающую среду.

· Если < , то при наложении последовательных слоев изоляции толщина её будет увеличиваться, и, наконец, диаметр изолированного трубопровода достигнет значения . При этом тепловые потери увеличиваются, превышая тепловые потери неизолированного трубопровода. При дальнейшем увеличении потери уменьшаются (рис. 16.4, кривая «а»).

· Если > , то при любой толщине изоляции обеспечивается уменьшение тепловых потерь (рис. 16.4, кривая «б»).

Рисунок 16.4 – Зависимость теплового потока от диаметра изоляции

Литература: [4], с. 58-61; [5], с. 144-148; [11], с. 45-47; [12], с. 50-52.

Вопросы для самоконтроля

1.Нарисуйте плоскую стенку и покажите, какие виды теплообмена наблюдаются при передаче тепла от одного теплоносителя к другому через эту разделительную стенку.

2. Назовите наиболее распространенные природные теплоносители.

3.Чем отличаются расчетные формулы теплопередачи через цилиндрическую стенку от формул для плоской стенки?

4.Как участвует в теплообмене оребрение трубок?

5.Что такое коэффициент оребрения?

6.Какой эффект дает оребрение?

7.В каких случаях теплопередачу в трубчатых теплообменниках можно рассматривать как теплопередачу через плоскую стенку?