Jak obliczać straty ciepła z instalacji przemysłowych?

Procesy fizyczne, jakie zachodzą w funkcjonujących instalacjach przemysłowych czy rurociągach ciepłowniczych, są bardzo złożone. To, co głównie interesuje inżynierów i projektantów, a więc wielkość strat ciepła z układu oraz temperatury panujące na powierzchniach roboczych, zależą od całego szeregu czynników. Wśród nich szczególną uwagę warto zwrócić na siłę wiatru. Jak aspekt ten wpływa na izolacyjność termiczną, a w efekcie wydajność instalacji?

Jak obliczać straty ciepła z instalacji przemysłowych?

W idealnym świecie instalacje przemysłowe zabezpieczano by możliwie jak najgrubszą warstwą izolacji, co pozwalałoby na zredukowanie strat ciepła do minimum, a w konsekwencji na uzyskanie procesów maksymalnie efektywnych z punktu widzenia utrzymania ruchu i kosztów eksploatacji.

- W rzeczywistości grubość izolacji często bywa mocno ograniczana, co wynika z barier technicznych lub czysto finansowych - podkreśla Michał Nękanowicz, doradca techniczny ds. współpracy z Biurami Projektowymi w Paroc Polska.

- Dobór odpowiednich wymiarów materiału powinien wszak znaleźć uzasadnienie ekonomiczne, co oczywiście nie jest łatwe, biorąc pod uwagę chociażby rosnące ceny energii - dodaje.

Grubość izolacji rurociągów w postaci mat czy otulin powinna zatem stanowić wypadkową szeregu czynników, co pozwoli na jak najdokładniejsze oszacowanie strat związanych z akumulowaniem lub transportem medium.

Zasad obliczania strat ciepła dostarcza norma PN-EN ISO 12241:2010 „Izolacja cieplna wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych - Zasady obliczania”. W celu określenia wymaganej izolacji, niezbędna jest znajomość geometrii obiektów oraz właściwości fizycznych materiałów, z których są one wykonane. Znaczenie mają też czynniki środowiskowe.

Znaczenie zjawiska oporu cieplnego

Straty cieplne wzrastają współmiernie do rosnącej amplitudy temperatur transportowanego medium i otoczenia, choć w dużej mierze zależą także od oporu, jaki energia termiczna napotka na swojej drodze, przenikając na zewnątrz rurociągu.

Opór cieplny R oblicza się jako sumę cząstkowych wartości oporów przewodzenia warstw przewodu (Ri) oraz oporów przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni rurociągu (Rsi) i zewnętrznej powierzchni osłony izolacji (Rse). Odwrotność oporu cieplnego R określana jest jako współczynnik przenikania ciepła U, który często wykorzystuje się przy określaniu izolacyjności przegród budowlanych:

U=
1
Rsi + ∑ Ri + Rse

Z punktu widzenia inżyniera projektującego instalacje, które docelowo mają przebiegać na zewnątrz budynków, szczególne znaczenie zdaje się mieć właśnie opór przejmowania ciepła po stronie zewnętrznej rurociągu (Rse).

- Wielkość ta zależy głównie od współczynnika przejmowania ciepła oraz radiacyjnej wymiany ciepła, a te z kolei oblicza się m.in. na podstawie prędkości wiatru, średnicy płaszcza, współczynnika emisyjności materiałów czy amplitudy temperatur osłony izolacji i otaczającego powietrza - wyjaśnia Michał Nękanowicz.

- Zmiana któregokolwiek z parametrów wpływa na wartość współczynnika przejmowania ciepła, z czego największe znaczenie ma właśnie prędkość wiatru - dodaje ekspert Paroc.

Prędkość wiatru a parametry termiczne izolacji i rurociągu

Aby unaocznić, jak prędkość wiatru wpływa na parametry termiczne izolacji i rurociągu jako całości, warto skorzystać z narzędzia obliczeniowego PAROC Calculus. Do przykładowych obliczeń weźmy stalowy rurociąg o średnicy zewnętrznej 406,4 mm i grubości ścian 8,8 mm, który będzie transportować parę wodną o temperaturze 550°C.

Hipotetyczny przewód biegnie na zewnątrz, dlatego określmy też warunki atmosferyczne: średnia temperatura otoczenia wynosi 25°C, a wilgotność względna powietrza - 50%. W ramach eksperymentu wykorzystaliśmy niepalną matę z wełny kamiennej PAROC Pro Wired Mat 130, której przewodność cieplna w temperaturze 600°C wynosi 0,161 W/mK.

Ponieważ mamy do czynienia z rurociągiem wysokotemperaturowym, niezbędne będzie założenie takiej grubości izolacji, która nie tylko pozwoli na ograniczenie strat ciepła, ale zapewni też prawidłową temperaturę płaszcza - maximum 50°C, zgodnie z wymaganiami normy PN-EN ISO 12241:2010.

Jeśli przyjmiemy prędkość wiatru na poziomie 0 m/s, potrzebować będziemy do tego zadania izolacji trójwarstwowej o łącznej grubości 240 mm (w przypadku płaszcza ze stali ocynkowanej) lub 330 mm (przy płaszczu aluminiowym).

PAROC Calculus - izolacja z płaszczem (stal ocynkowana).

PAROC Calculus - izolacja z płaszczem (aluminium).

To, jak gwałtownie zmienia się temperatura na powierzchni płaszcza w warunkach odmiennej prędkości wiatru przy zachowaniu tej samej grubości izolacji, obrazuje poniższy wykres.

Wpływ prędkości wiatru na temperaturę powierzchni płaszcza.

Prędkość wiatru a temperatura powierzchni płaszcza

Praktyka projektowa udowadnia, że opór przejmowania ciepła po stronie zewnętrznej izolowanych rurociągów jest co najmniej o rząd większy po, niż po stronie wewnętrznej. Jednocześnie wielkość ta zmienia się znacząco wraz z rosnącą prędkością wiatru.

- Wiatr ma to do siebie, że potęguje wymianę ciepła pomiędzy powierzchnią izolacji, a otaczającym je powietrzem - podkreśla Michał Nękanowicz.

- Dokonując kalkulacji parametrów izolacji, warto uwzględnić średnie wartości prędkości wiatru w danym miejscu. Dobrane rozwiązanie może bowiem wpłynąć zarówno na wielkość strat ciepła, jak też na temperaturę powierzchni płaszcza izolacji - podsumowuje ekspert Paroc.

Źródło i zdjęcia: Paroc


FILMY OSTATNIO DODANE