Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

К ИЗМЕРЕНИЮ ЛИНЕЙНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ГИБКИХ ПРЕДИЗОЛИРОВАННЫХ ТРУБ

Необходимость представления данных, характеризующих теплоизолирующие свойства гибких предизолированных труб, предписана стандартом EN 15632-1:2009 (E) [1] и ТУ 2248-001-48532278-2013 [2]. Согласно стандарту EN ISO 8497:1996 [3], измерения линейного термического сопротивления проводят в стационарном тепловом режиме обычно на относительно небольших образцах труб, что требует минимизации или учета теплового потока в осевом направлении. Для достаточно длинных образцов вкладом теплового потока через их торцы в полные тепловые потери можно пренебречь. Более простой метод расчета полных тепловых потерь основан на измерении средней скорости (расхода) теплоносителя в длинной трубе и его температур на входе и на выходе из нее. Ниже приведен выполненный на основе результатов таких измерений расчет полных линейных термических сопротивлений теплопередачи и теплопроводности, а также коэффициента теплопроводности теплоизоляции из пенополиуретана (ППУ) для находящейся в закрытом помещении свернутой в бухту с разнесенными витками трубы ИЗОПРОФЛЕКС. В [4, 5] описан метод измерения температурной зависимости коэффициента теплопроводности с использованием бухты диаметром 1,8 м предизолированной трубы длиной 18 м, которая кондиционировалась в водяном термостате при температуре около 17 °С. Измерения проводились в нестационарном тепловом режиме, и одно измерение занимало около 10 часов. 

  

Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки 

Общий вид используемой нами экспериментальной установки представлен на рис. 1. Установка включает в себя замкнутый контур с циркулирующей в нем водой, состоящий из находящегося в термокамере участка трубы без теплоизоляции (нагревателя) и участка теплоизолированной трубы, расположенной на открытом воздухе в помещении. Искусственная циркуляция воды осуществлялась насосом Grundfos UP 20-30, ее объемный расход измерялся ротаметром KROHNE VA 40, а температура – погруженными в воду на концах теплоизолированной трубы термопарами типа К (хромель-алюмель) М8. В опытах использовалась предизолированная труба ИЗОПРОФЛЕКС 25/63 длиной 20 м, свернутая в виде спирали диаметром 1,6 м; расстояние между поверхностями защитных оболочек соседних витков равнялось 0,1 м. Температура окружающего воздуха измерялась двумя термометрами, расположенными на уровне нижнего и верхнего витков спирали. 

Из рассмотрения баланса энергии в находящемся на воздухе трубопроводе может быть получено следующее уравнение для расчета температуры теплоносителя на выходе из него   (см., например, [6]):

  

где t0 – температура теплоносителя на входе в трубопровод; tair – температура окружающего воздуха; R – полное линейное термическое сопротивление теплопередачи (величина, обратная коэффициенту теплопередачи); g – объемный расход теплоносителя; ρ и C – соответственно, его плотность и теплоемкость. При выводе этого уравнения предполагалось, что величины R, ρ, C не зависят от температуры. 

В представляющем практический интерес случае l/(gρCR) << 1 распределение температуры теплоносителя вдоль трубопровода можно считать линейным и падение температуры в нем Δt малым:

 

Таким образом, экспериментальные данные, представленные в координатах   вне малой окрестности начала координат должны описываться линейной зависимостью (2). Эта зависимость может быть также получена из приравнивания следующих двух выражений для величины тепловой энергии, теряемой в трубопроводе за одну секунду (полные тепловые потери) –  причем последнее выражение справедливо при линейном распределении температуры теплоносителя вдоль трубопровода.

 

Рис. 2. Результаты измерений для двух температурных режимов термокамеры th = 60 и 80 °С  

Результаты измерений и расчетов, выполненных для двух температурных режимов работы термокамеры th = 60 и 80 °С при четырех значениях расхода теплоносителя, представлены на рис. 2. Коэффициент корреляции для полученных прямых (их тангенс угла наклона a вычислялся методом наименьших квадратов) равен 0,9993 для серии измерений при th = 80 °С и 0,996 для th = 60 °С. Полное линейное термическое сопротивление теплопередачи рассчитывается по формуле

 

Сделанное выше предположение о независимости величин ρ и С от температуры для описанных здесь опытов обосновано, так как при максимальном наблюдавшемся в них падении температуры воды (теплоносителя) Δt = 10 °С соответствующее уменьшение ее объемной теплоемкости ρС составляет всего 0,4% (данные по температурным зависимостям плотности и теплоемкости воды см., например, в [7]). Результаты расчетов R при  представлены в таблице. 

Рассчитаем теперь полное линейное термическое сопротивление теплопроводности предизолированной трубы Rpipe и среднее значение коэффициента теплопроводности теплоизоляции в ней, полагая, что величина R известна. При проведении тепловых расчетов трубопроводов обычно пренебрегают термическим сопротивлением теплоотдаче от теплоносителя к внутренней поверхности напорной трубы [8, 9]. Тогда, с учетом термического сопротивления теплоизоляции Ri , напорной трубы Rf , защитной оболочки Rc и сопротивления теплоотдаче с внешней поверхности оболочки Re, имеем

 

где Dc, DPUR, d0 – наружные диаметры, соответственно, защитной оболочки, теплоизолирующего слоя и напорной трубы; e – толщина стенки напорной трубы; λi, λf, λc – коэффициенты теплопроводности материалов теплоизоляции, напорной трубы и оболочки; αe – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности оболочки. В отличие от небольших продольных градиентов и изменений температуры в трубопроводах в стационарном режиме, радиальные градиенты и изменения велики, что, вообще говоря, требует учета зависимости величины коэффициента теплопроводности от температуры при расчете термических сопротивлений слоев предизолированных труб. Подавляющий вклад в полное термическое сопротивление труб с теплоизоляцией из пенистых полимеров вносит теплоизолирующий слой (Ri >> Rf,c , для трубы ИЗОПРОФЛЕКС 25/63 он составляет около 98 %), и в первом приближении можно считать, что практически все падение температуры в трубе происходит в этом слое. Поэтому под λi здесь и ниже следует подразумевать усредненную в соответствующем температурном диапазоне величину.

Из уравнений (4) и первого из уравнений (5) следует 

Размеры трубы ИЗОПРОФЛЕКС используемого типа 25/63 равны d0 = 25 мм, e = 2,3 мм, средние значения внешних диаметров теплоизоляции и защитной оболочки – DPUR = 59 мм, Dc = 63 мм [10, 11]. Для численных расчетов возьмем следующие значения коэффициентов: λf  = 0,38 Вт/(м • °С) для напорной трубы из сшитого полиэтилена, λc = 0,43 Вт/(м • °С) для защитной оболочки из полиэтилена низкой плотности [11], αе = 10 Вт/(м2 • °С) для горизонтального трубопровода в закрытом помещении с высоким коэффициентом излучения оболочки [9]. Величины термических сопротивлений, рассчитанные по формулам (5), равны Rf + Rc = 0,11 м •°С/Вт, Rе = 0,51 м •°С/Вт, а соответствующие значения Rpipe и λi , вычисленные из уравнений (6), даны в таблице. 

Результаты расчетов величин линейных термических сопротивлений R, Rpipe и коэффициента теплопроводности теплоизоляции из ППУ λi для трубы ИЗОПРОФЛЕКС 25/63

Представленные в таблице значения λi  близки к соответствующим средним значениям коэффициента теплопроводности, определенным ранее из результатов измерений температурных зависимостей теплопроводности ППУ с помощью прибора IZOMET 2114 с измерительным зондом IPN 1100; при средней температуре теплоизолирующего слоя   отличие от среднего для исследованных образцов ППУ значения составляет около 7 %, а при   практически совпадает с ним. В таблице также даны оценки абсолютных погрешностей косвенных измерений коэффициента теплопроводности ППУ Δλi при доверительной вероятности 0,95.

Таким образом, близость определенных здесь значений коэффициента теплопроводности ППУ к полученным ранее при помощи прибора IZOMET 2114 показывает возможность измерения термического сопротивления гибких предизолированных труб в стационарном тепловом режиме на расположенных в закрытом помещении длинных свернутых в бухту образцах.

 

Литература

1.EN 15632-1:2009 (E) District heating pipes – Pre-insulated flexible pipe systems – Part 1: Classification, general requirements and test methods. 

2.ТУ 2248-001-48532278-2013 Трубы «ИЗОПРОФЛЕКС-115А» с теплоизоляцией из пенополиуретана в гофрированной полиэтиленовой оболочке.

3.EN ISO 8497:1996 Thermal insulation – Determination of steady-state thermal transmission properties of thermal insulation for circular pipes.

4.Reidhav C., Claesson J. A transient method to determine temperature-dependent thermal conductivity of polyurethane foam in district heating pipes. The 8th Nordic symp. on building physics. – Copenhagen, Denmark, 2008.

5.Reidhav C., Claesson J. Transient thermal conductivity of flexible district heating twin pipes. The 12th Int. symp. on district heating and cooling. – Tallinn, Estonia, 2010. 

6.Копко В.М. Теплоизоляция трубопроводов теплосетей. – Минск: Технопринт, 2002.

7.Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник. –Минск: Современная школа, 2005.

8.Ионин А.А., Хлыбов Б.М., Братенков В.Н., Терлецкая Е.Н. Теплоснабжение. – М.: Стройиздат, 1982.

9.СП 61.13330.2012 Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов.

10.ТУ 2248-021-40270293-2005 Трубы ИЗОПРОФЛЕКС и ИЗОПРОФЛЕКС-А из сшитого полиэтилена с теплоизоляцией из пенополиуретана в гофрированной полиэтиленовой оболочке.

11.ИЗОПРОФЛЕКС. Техническое описание. Гибкие предизолированные трубы для ГВС и сетей отопления. – Группа ПОЛИМЕРТЕПЛО, 2007.

 

Авторы: Евгений Девяткин, Игорь Гвоздев, Дмитрий Гвоздев

 

 

 

 

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА