Расчет и проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов

Б. М. Шойхет, канд. техн. наук, заместитель генерального директора,

Л. В. Ставрицкая, главный специалист, ОАО «Теплопроект»;

Л. Б. Корельштейн, заместитель директора НТП «Трубопровод»

Процесс проектирования тепловой изоляции включает следующие этапы:

- анализ технических характеристик изолируемого объекта, назначения изоляции, условий эксплуатации теплоизоляционных конструкций;

- выбор материалов теплоизоляционного и покровного слоев;

- расчет толщины теплоизоляционного слоя;

- разработку конструктивных решений и рабочих чертежей теплоизоляционных конструкций;

- разработку спецификации оборудования и техномонтажной ведомости.

Практические расчеты тепловой изоляции выполняются по формулам стационарной и нестационарной теплопередачи через плоскую, цилиндрическую и сферическую стенки, адаптированным для конкретных условий применения. В расчетах используются инженерные методики, учитывающие теплофизические свойства материалов, термическое сопротивление изолированной стенки, температуру теплоносителя и окружающей среды, условия теплообмена на внутренней и внешней поверхностях изоляции.

В расчетах учитывается зависимость теплофизических свойств теплоизоляционного материала от температуры и влажности, степень черноты или коэффициент излучения материала наружной поверхности изоляции, деформативные свойства и степень уплотнения материала в конструкции и др.

Методика расчета толщины теплоизоляционного слоя определяется в зависимости от назначения и условий применения тепловой изоляции оборудования и трубопроводов, а именно:

- по нормированной плотности теплового потока, регламентируемой СНиП 41-03-2003;

- по заданной плотности теплового потока, обусловленной технологическими факторами;

- с целью предотвращения конденсации влаги на наружной поверхности изолируемого объекта;

- с целью предотвращения конденсации влаги и коррозии на внутренних поверхностях объектов, транспортирующих агрессивные газы, содержащие водяные пары;

- для обеспечения заданной температуры на поверхности изолированного объекта по условиям обеспечения безопасности персонала;

-  по  заданному снижению (повышению) температуры вещества, транспортируемого по трубопроводу;

- по заданной скорости охлаждения или нагревания веществ в емкостях;

- по заданному количеству конденсата в паропроводах;

- для предотвращения замерзания жидкости в трубопроводах при ее остановке.

Расчеты тепловой изоляции трубопроводов при подземной прокладке в канале с удовлетворительной для практики точностью выполняются по инженерной методике, учитывающей термическое сопротивление теплоизоляционного слоя, сопротивление теплоотдаче на границе теплоизоляции и стенок канала с воздухом в канале и термическое сопротивление стенок канала и грунта. Термическое сопротивление грунта рассчитывается по формуле Форхгеймера, учитывающей теплопроводность грунта в условиях эксплуатации, диаметр теплопровода и глубину его заложения. При двухтрубной прокладке учитывается взаимное тепловое влияние подающего и обратного теплопровода.

Расчеты тепловой изоляции при бесканальной прокладке трубопроводов выполняются по методике, учитывающей термическое сопротивление теплоизоляционного слоя и термическое сопротивление грунта.

В практике при двухтрубной прокладке трубопроводов тепловых сетей в канале толщина теплоизоляционного слоя обратного трубопровода с учетом монтажных требований принимается равной толщине теплоизоляции подающего трубопровода.

При расчете тепловой изоляции трубопроводов тепловых сетей двухтрубной бесканальной и канальной прокладки нормируются суммарные тепловые потери подающего и обратного трубопроводов. При этом толщина теплоизоляционного слоя принимается одинаковой для подающего и обратного трубопроводов.

Институтом Теплопроект для проведения указанных расчетов разработаны компьютерные программы на базе программного пакета Excel c использованием элементов языка программирования Visual Basic, облегчающие проведение трудоемких расчетов и анализ их результатов.

В 2003 году НТП «Трубопровод» (программное обеспечение) и ОАО «Теплопроект» (расчетные методики и информационная база) разработали компьютерную программу автоматизированного проектирования тепловой изоляции оборудования и трубопроводов «Изоляция».

Программа в автоматическом режиме полностью формирует теплоизоляционную конструкцию, рассчитывает и генерирует техномонтажную ведомость для строительного подразделения, ведомость объемов работ для сметного отдела и спецификацию в отдел материального обеспечения по ГОСТ 21.405-93, ГОСТ 21.110-95 и ГОСТ 21.101-97.

Программа «Изоляция» включает решение следующих задач:

- оптимальный выбор теплоизоляционных конструкций и материалов;

- расчет минимально необходимой толщины теплоизоляционного слоя;

- подбор типоразмеров изделий;

- расчет объемов работ и общего количества материалов;

- выпуск проектной документации (техномонтажная ведомость и СО).

Предусмотрена возможность использования типоразмеров материалов изоляции конкретного производителя, указанного проектировщиком.

Исходными данными являются тип и размер изолируемого объекта, его температура и расположение; прочие данные задаются по умолчанию и могут быть изменены пользователем. Геометрические размеры теплоизоляции рассчитываются в зависимости от назначения изоляции, типа изолируемого объекта, его размеров, температуры продукта, параметров окружающей среды, характеристик материала изоляции с учетом его уплотнения.

Программа «Изоляция» может производить расчеты в соответствии со следующими нормативными документами:

- СНиП 41-03-2003,

- СНиП 2.04.14-88*,

- НР 34-70-118-87 (для атомных и тепловых станций).

Программа рассчитывает изоляцию трубопроводов наземной прокладки и проложенных в грунте (канально и бесканально), включая прямые участки, отводы, переходы, арматуру и фланце-вые соединения; трубопроводов двухтрубной прокладки (канальной и бесканальной), в том числе теплосетей; различных видов оборудования – как стандартых (насосов, емкостей, теплообменников и др.), так и сложных составных аппаратов, включающих различного вида обечайки, днища, штуцера, люки и фланцевые соединения.

В программу включен модуль строительной климатологии и библиотека «Старс».

Модуль строительной климатологии содержит всю климатологическую информацию по СНиП 23-01-99. Пользователь вводит название или географические координаты населенного пункта либо указывает его на карте и получает из базы данных модуля все необходимые значения температур, которые автоматически используются при расчете.

Библиотека «Старс» позволяет по составу продукта рассчитывать его теплофизические свойства (плотность, теплоемкость, энтальпию и др.), а также определять точку росы, что бывает необходимо при расчете изоляции.

Структура выходной информации имеет открытый формат и возможность подключения ее к имеющейся на предприятии системе документооборота. Оформление документации соответствует ЕСКД.

Благодаря продуманной организации интерфейса пользователя и встроенной документа-ции с методическим описанием освоение программы не требует специального обучения и не занимает много времени. Программа работает в среде Windows 9x/2000/XP.

Программа  рекомендуется для использования в проектно-конструкторских бюро и отделах при проектировании и реконструкции технологических трубопроводов и трубопроводов тепловых сетей, оборудования в нефтеперерабатывающей, химической, нефтехимической, газовой, нефтяной, теплоэнергетической и других отраслях промышленности.

Внедрение автоматизированной системы проектирования тепловой изоляции в практику проектных институтов и организаций направлено на повышение качества и снижение трудоемкости этих проектных работ.

В заключение следует отметить, что совершенствование методов и средств расчета и проектирования тепловой изоляции, расширение номенклатуры и повышение качества применяемых теплоизоляционных и покровных материалов в целом способствуют повышению энергоэффективности изолируемых объектов и, как следствие, решает проблему энергосбережения и экономии топливно-энергетических ресурсов в промышленном секторе экономики.