Преди да се потопите с главата в безброй индустриални проекти за проследяване на топлина, продукти и приложения, първо трябва да имате разбиране за основите на топлинните загуби.

2016-12-01

Проследяването на топлината се използва за поддържане на технологичните температури за тръбопроводи, които трябва да транспортират вещества, които се втвърдяват при околната температура, както и за защита от замръзване и за поддържане на технологичните течности при температура на потока. За промишлени топлинни процеси се използва както електрически, така и паронагряващо трасиране. Типичното електрическо проследяване на топлината включва постоянна мощност и саморегулиращо се проследяване на топлината. Въпреки че цялото проследяване на топлината е подложено на топлинни загуби, като разберете основите на топлинните загуби, можете да проектирате решение за проследяване на топлината, което ефективно да поддържа температурата на тръбопровода на вашия промишлен процес.

* Статия, първоначално публикувана в броя на списанието за отопление през януари 2006 г.

Тази статия разглежда основните принципи на пренос на топлина и изчисленията, използвани за тръби и съдове. Чрез разбирането на основните концепции за пренос на топлина можете да ги използвате, за да стигнете до обща формула, която се използва при изчисленията на топлинните загуби.

Фигура 1 изобразява разрез на типична тръбна система. Състои се от тръба, изолация, атмосферна преграда и пролуки между всеки слой. Ако тръбата и нейното съдържание са по-топли от околната среда, топлината ще се прехвърля от тръбата във въздуха. Ако от тръбата се прехвърли достатъчно топлина, съдържанието на тръбата може да се сгъсти или да се втвърди, което да доведе до повреда на тръбите или помпеното оборудване.

Топлината преминава от един обект към друг по същия начин като водата. Обектите с неравномерни температури в термична система са склонни към термично равновесие. По-горещият обект прехвърля част от топлината си към по-студения обект, докато обектите са с еднаква температура. Топлината може да се предава чрез проводимост, конвекция и излъчване.

Провеждане. Проводимостта се определя като пренос на топлина или електричество през проводяща среда чрез директен контакт. Скоростта на топлопреминаване зависи от това колко голямо съпротивление съществува между обекти с различни температури. В много случаи се желае прехвърляне на топлина от една среда в друга. Готвенето е ежедневен пример за планиран топлообмен. Освен това повечето електронни компоненти работят по-ефективно, ако излишната топлина, генерирана от оборудването, се разсейва до среда, която не се влияе неблагоприятно от добавянето на топлина.

За разлика от това, запазването на топлината в системата може да бъде също толкова важно, колкото и преноса на топлина. Поддържането на съдържанието на тръбата над замръзване в студено време е често срещана практика за свеждане до минимум на преноса на топлина.

Дали дадено вещество действа като топлопроводник или изолатор зависи от терморезистивните свойства на веществото. Термичното съпротивление (R) е мярка за способността на обекта да забавя преноса на топлина чрез проводимост през дадена дебелина на веществото. Математически R е:

където
L е дебелината на изолацията в инчове,
k е топлопроводимост, (BTU) (in)/(ft 2) (o F) (hr)

Тъй като дебелината (L) се променя, това влияе на стойността R или термичното съпротивление на изолацията. K стойностите са константи, които са специфични за физическите свойства на даден материал. Те измерват способността на материала да предава топлина. Някои често срещани стойности на K, измерени при стайна температура, на материалите са 325.300 за стомана, 2750.700 за мед, 0.250 за фибростъкло и 0.167 за въздух.

Конвекция. Може да се види, че загубите от конвекция са незначителни в система без обширни изчисления. Във всяка тръбна система съществуват малки въздушни междини между повърхностната стена и изолацията. Въздушните пролуки обикновено са леки - по-малко от една десета от инча - и предотвратяват въздушния поток, който ограничава конвекцията. Въпреки че малките въздушни междини не влияят на топлинните загуби чрез конвекция, техните терморезистивни свойства трябва да бъдат анализирани, за да се определи приносът към загубите на топлина в системата чрез проводимост.

За илюстрация, да предположим, че тръбата, показана на фигура 1, се състои от 1 "изолация от фибростъкло, а въздушната междина между стената на тръбата и изолацията е 0,05". Използвайки уравнението на стойността R, можете да изчислите съпротивлението на изолацията и въздушната междина. Съотношението на двете съпротивления показва, че изолацията има най-голямо влияние върху общото термично съпротивление, а незначителните несъвършенства при прилагането на изолация са минимални.

Процентът на съпротивление поради въздушната междина е 0,299, разделен на 4,299, или 6,95%.

Радиация. Загубата на лъчиста топлина възниква в резултат на силно енергийни молекули, предаващи топлина чрез вълни или частици. За да настъпят значителни топлинни загуби от радиация, по-горещата повърхност трябва да бъде доста над температурата на околната среда - много по-висока от тази, която се наблюдава при типичните приложения за проследяване на топлината. Следователно загубата на топлина от радиация може да бъде пренебрегната.

В практичните приложения с ниска до средна температура конвекцията и излъчването представляват около 10 процента от общите топлинни загуби на системата. Чрез добавяне на 10 процента може да се изчисли общата формула за изчисляване на топлинните загуби на система чрез проводимост, конвекция и излъчване.

Изчисления на топлинни загуби с плоска повърхност. Терминът "топлинни загуби" обикновено се отнася до топлопредаването на обект към околната среда. Това предполага, че въпросният обект - например стена - е с температура над околната температура (фигура 2). Математически формулата за изчисляване на топлинните загуби на система чрез проводимост, изразена в BTU/час, е:

където
U е проводимостта, BTU/(ft 2) (o F) (hr)
A е повърхността на обекта, ft 2
ΔT е температурната разлика (T1 -T2), o F

Проводимостта е обратна на съпротивлението R и може да бъде изразена като U = 1/R или U = k/L. Следователно, друг начин за изразяване на основните топлинни загуби (Q) е:

BTU и ватове: Сравнение. Горното уравнение изчислява топлинните загуби на цяла плоска площ в BTU/час, но електричеството обикновено се продава от киловат часа. Следователно уравнението се нуждае от коефициент на преобразуване, за да преобразува от BTU във ватове. Един ват е равен на 3,412 BTU. Модифицирането на уравнението дава нова формула:

Съображения за загуба на топлина на тръбите за промишлени приложения

Горното уравнение се основава на топлинните загуби на цяла плоска площ, където вътрешната площ на изолационната стена е същата като външната зона. За да се опростят изчисленията на топлинните загуби, топлинните загуби на тръбите се основават на топлинните загуби на линеен крак, а не на цялата площ с дадена дължина.

Също така, за изолацията на тръбите, външната площ на изолацията е по-голяма от вътрешната, поради обвиването на изолацията около цилиндричната форма на тръбата. В резултат на това трябва да се вземе предвид тази разлика при изчисляване на топлинните загуби за тръби.

Тъй като топлинните загуби на тръбите се базират на ватове на линеен фут, а не на цялата площ на тръбата, се изчислява средната изолационна площ за един линеен крак на тръбата (фигура 3). Средната площ (A) е съотношението на естествения логаритъм на външния и вътрешния диаметър на изолацията. За изчисляване на топлинните загуби на тръбите уравнението на основните топлинни загуби (Q) се пренаписва като:

където
2 π е част от формулата за изчисляване на площта на цилиндъра
40.944 е 12 "тръба, умножена по 3.412 коефициент на преобразуване
Да е външният диаметър на изолацията,
Di е вътрешният диаметър на изолацията
ln (Do/Di) е средната обиколка на изолацията

Това основно уравнение обаче е загубата на топлина за тръбите само поради проводимост. Чрез добавяне на 10 процента за конвективни и лъчисти загуби, крайната форма на основната формула на топлинните загуби е:

Основно срещу допълнително отопление

Първичното отопление е процесът на добавяне на топлина за повишаване на температурата на системата, докато допълнителното отопление има за цел само да поддържа топлината на системата на нейното текущо ниво. Обикновено за първична топлина трябва да се добави по-висока плътност на топлината, за разлика от допълнителното отопление. Като аналогичен пример, разгледайте количеството бензин, необходимо за ускоряване от 0 до 60 mph и поддържане на скорост от 60 mph. Количеството гориво и енергия, необходими за ускоряване, е много по-голямо от количеството гориво, необходимо за просто поддържане на скоростта.

Основна топлина. Първичното отопление се използва за повишаване на температурата на даден материал или материали. Основната формула за изчисляване на количеството топлина, необходимо за първично отопление във ватове/час, е:

където
m е масата (теглото) на материала (ите)
c е специфичната топлина на материала (ите)
ΔT е необходимото повишаване на температурата
3.412 е преобразуване от BTU във ватове

Тази формула може да се използва, при условие че нито един материал не променя състоянието си, т.е. преминава от твърдо в течно или течно в газово състояние. В случай, че материалите променят състоянието си, трябва да се добави допълнителна топлина, за да се приспособи латентната топлина на синтез и/или изпаряване. Когато трябва да се нагреят множество материали, формулата може да се разшири, както следва.

където
m е масата (теглото) на материала (ите)
c е специфичната топлина на материала (ите)
ΔT е необходимото повишаване на температурата
3.412 е преобразуване от BTU във ватове
n е броят на материалите

Теглото на всеки материал и специфичната топлина се умножават, след което се добавят заедно. След това резултатът се умножава по повишаване на температурата и накрая се преобразува във ватове на час.

Необходимото количество първична топлина е пропорционално на времето, необходимо за постигане на крайната температура. Ако едночасовото загряване изисква 10 W, тогава двучасовото загряване изисква 5 W/час за два часа. И обратно, половин час загряване изисква 20 W за отопление на системата.

Един пример ще ви помогне да илюстрирате въпроса. Да предположим, че искате да вдигнете 4 "стоманена тръба, пълна с вода, от 40 o F (4.4 o C) до 90 o F (32 o C) за един час. Изчислението се основава на един крак на тръбата. От различни таблици, намерени в инженерството наръчници, информацията в таблица 1 се събира и се вмъква в основното уравнение на топлината.

Ако са приемливи два часа, количеството първична топлина, което трябва да се подаде на линеен крак по тръбата, е 49,8 W/час за два часа.

Допълнителна топлина. Допълнителната топлина е по-формален термин за изчисленията на топлинните загуби. Допълнителна топлина е количеството топлина, необходимо за поддържане на съществуващото ниво на топлина.

За илюстрация разгледайте отново примера със стоманена тръба. Да предположим, че искате да изчислите количеството топлинни загуби или допълнителна топлина, необходими за поддържане на тръбата и водата при 90 o F в околна среда от 40 o F, използвайки 1 "изолация от фибростъкло. Коефициентът K за фибростъкло е 0,25 BTU-in/hr-ft 2 - o F. 4 "тръбата има външен диаметър 4,5". Ние знаем това

Вмъквайки стойностите от нашия пример, получаваме:

Сравнявайки първичната с допълнителната топлина за този пример, очевидно е, че прилагането на допълнителна топлина е много по-икономично, тъй като използва 17,4 пъти по-малко топлина за поддържане на крайната температура, отколкото за повишаване на температурата.

Изолация. Изолацията обикновено е най-големият съпротивителен компонент в система за загуба на топлина. Колкото по-добро е съпротивлението на изолацията, толкова по-дълго е необходимо, за да се достигне топлинно равновесие. Фактори като вида на изолацията, дебелината и работните температурни условия влияят върху общото съпротивление на изолацията.

К коефициентът определя ефективността на изолацията (таблица 2). Колкото по-нисък е коефициентът К, толкова по-добре действа като изолатор. И обратно, изолацията с по-високи К фактори води до по-малка ефективност. Въпреки че К факторът се счита за постоянна стойност, К факторите се влияят от температурата. Това се дължи на факта, че много видове изолация стават по-малко ефективни с повишаване на температурата. В резултат на това коефициентът К се усреднява по изолационния слой между поддържащата температура и околната температура. Използвайте следното уравнение, за да определите средния коефициент К.

Когато проектирате система за проследяване на топлината, имайте предвид, че проектирането за най-ниски топлинни загуби не винаги може да доведе до най-добри резултати. Например, полиуретанът е по-добър изолатор от фибростъклото, но има горна граница на работна температура от само 200 ° F. Клетъчното стъкло не изолира толкова добре, колкото фибростъклото, но няма да абсорбира течности в случай на течове. В повечето случаи обаче решението коя изолация да се използва е най-добре да се остави на спецификацията на завода.

В редки случаи се използват множество слоеве от различни изолационни материали. Когато това се случи, се изчислява общото термично съпротивление на системата. Съпротивлението на всеки материал се изчислява отделно, след което се сумира в общото съпротивление на системата.

Искам да се чуя с теб. Кажете ми как можем да се подобрим.