Теплотехника_РГР_2013
.pdf
|
|
|
|
25 |
|
|
Толщина, см |
|
|
20 |
|
|
|
|
|
26 |
|
|
Коэффициент теплопроводности утеплителя, Вт/(мС) |
|
|
0,05 |
|
|
Утеплитель |
|
|
27 |
|
|
Термическое сопротивление утеплителя, (кв.м С)/Вт |
|
|
4,00 |
|
|
|
|
28 |
|
|
Общее термическое сопротивление стенки, (кв.м С)/Вт |
|
|
4,56 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
29 |
|
|
Потери тепла через стенки с утеплителем, МДж |
|
|
69540,05 |
|
|
|
|
|
30 |
|
|
Объем, куб.м. |
|
|
104,77 |
|
|
|
|
|
31 |
|
|
Время эксплуатации, лет |
|
|
6 |
|
|
|
|
|
32 |
|
|
ГСОП, град сут |
|
|
7000 |
|
|
|
|
|
33 |
|
|
Общий расход тепла за год без утеплителя, МДж |
|
|
850248,76 |
|
|
|
|
|
34 |
|
|
Общий расход тепла за год с утеплителем, МДж |
|
|
349960,61 |
|
|
Энергозатраты |
|
|
35 |
|
|
Общий расход тепла за год без утеплителя, Гкал |
|
|
203,24 |
|
|
|
|
36 |
|
|
Общий расход тепла за год с утеплителем, Гкал |
|
|
83,65 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
37 |
|
|
Экономия тепла за год, Гкал |
|
|
119,59 |
|
|
|
|
|
38 |
|
|
Расход тепла за плановый период эксплуатации без утеплителя, Гкал |
|
|
1219,44 |
|
|
|
|
|
39 |
|
|
Расход тепла за плановый период эксплуатации с утеплителем, Гкал |
|
|
501,90 |
|
|
|
|
|
40 |
|
|
Экономия энергозатрат от установки утеплителя, % |
|
|
58,84% |
|
|
|
|
|
41 |
|
|
Цена энергии, тыс. руб./Гкал |
|
|
1,6 |
|
|
|
|
|
42 |
|
|
Цена за утеплитель, т.р./куб.м. |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
43 |
|
|
Годовая стоимость энергозатрат без утеплителя, тыс. руб. |
|
|
325,18 |
|
|
|
|
|
44 |
|
|
Годовая стоимость энергозатрат с утеплителем, тыс. руб. |
|
|
133,84 |
|
|
|
|
|
45 |
|
|
Экономия на оплате за энергию за год, тыс. руб. |
|
|
191,34 |
|
|
|
|
|
46 |
|
|
Затраты на утеплитель, тыс. руб. |
|
|
314,31 |
|
|
Экономические |
|
|
47 |
|
|
Период окупаемости, лет |
|
|
1,64 |
|
|
расчеты |
|
|
48 |
|
|
Стоимость энергозатрат за период эксплуатации без утеплителя, тыс. руб. |
|
|
1951,08 |
|
|
|
|
|
49 |
|
|
Стоимость энергозатрат за период эксплуатации с утеплителем, тыс. руб. |
|
|
803,04 |
|
|
|
|
|
50 |
|
|
Общая стоимость затрат за период эксплуатации с утеплителем, тыс. руб. |
|
|
1117,35 |
|
|
|
|
|
51 |
|
|
Экономия затрат от установки утеплителя за период эксплуатации, тыс. руб. |
|
|
833,73 |
|
|
|
|
|
52 |
|
|
Экономия затрат от установки утеплителя за период эксплуатации, % |
|
|
42,73% |
|
|
|
|
|
53 |
|
|
Оптимальная толщина утеплителя, см |
|
|
12 |
|
|
|
|
|
54 |
|
|
Общая стоимость затрат за период эксплуатации при опт. толщине, тыс.руб. |
|
|
1084,50 |
|
21
Пример выполнения задания 2
Провести простейший проверочный и проектный расчет теплопровода (задание 2) по данным таблицы:
Вариант |
Пример |
dс с |
108х4 |
п |
33 |
об |
4 |
L |
5000 |
V |
4,5 |
tвх |
105 |
tз |
– 30 |
вн |
2000 |
сн |
100 |
с |
50 |
п |
0,04 |
об |
0,4 |
Таким образом, задание формулируется так:
Подвод тепла к производственному помещению осуществляется через трубопровод, состоящий из стальных труб с тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной полиэтиленовой оболочкой (ГОСТ 30732-2006). Наружный диаметр и толщина стенки стальной трубы внутри теплопровода равны 108 4, мм. Толщина слоя пенополиуретана равна 33, мм. Толщина полиэтиленовой оболочки равна 4, мм. Длина трубопровода равна 5000, м, расход жидкости через трубу равен 4,5, м3/час. Температура воды на входе равна 105, °C, а температура снаружи в зимний период опускается до –30, °C. Коэффициент теплоотдачи внутри трубы равен 2000, Вт/(м2·К); снаружи –
22
100, Вт/(м2·К). Теплоемкость воды принять равной 4200 Дж/(кг·°C). Коэффициенты теплопроводности стали, пенополиуретана и полиэтиленовой оболочки равны соответственно 50, 0,04, 0,4, Вт/(м·К).
Провести проверочный расчет. Определить:
температуру на выходе из трубопровода в самый холодный день;
максимальную мощность потери тепла в теплопроводе;
температуру на поверхности трубы около точки начала трубопровода.
Провести проектный расчет. Определить:
во сколько раз нужно увеличить расход воды в самый холодный день, чтобы температура на выходе не опускалась ниже 60°C;
линейное термическое сопротивление добавочной тепловой изоляции, которой нужно обернуть трубу, чтобы при исходном расходе воды температура на выходе не опускалась ниже 60°C в самый холодный день.
Решение Проверочный расчет
Сначала найдем линейное термическое сопротивление трубы.
Составим схему (рис. 2.1). При вычислении диаметров необходимо помнить, что внешний диаметр конструкции равен внутреннему диаметру плюс удвоенная толщина стенки конструкции.
|
|
Вода |
|
Сталь |
Пенополиуретан |
|
Оболочка |
|
|
Воздух |
||||||||
|
|
2000 |
|
Вт |
|
50 |
Вт |
0,04 |
Вт |
|
0, 4 |
Вт |
|
|
2000 |
Вт |
||
вн |
|
|
|
|
|
сн |
|
|||||||||||
|
|
|
м2 С |
с |
|
м С |
п |
|
м С |
об |
|
|
м С |
|
|
м2 С |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
d1 dс 2 с |
|
d2 dс |
d3 dс 2 п |
d4 d3 2 об |
|
||||||||||
|
|
|
100мм 0,1м |
108мм 0,108м |
174мм 0,174м |
182мм 0,182м |
|
|||||||||||
Рис. 2.1. Схема сечения стенки трубы
23
Найдем последовательно линейные термические сопротивления всех составляющих:
|
R |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
0,005 |
м С |
; |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
l вн |
|
|
|
|
|
d1 вн |
|
|
|
|
|
0,1 2000 |
|
|
Вт |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
R |
|
|
|
1 |
ln |
d2 |
|
|
|
|
|
1 |
|
ln |
0,108 |
0,00077 |
м С |
; |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
l c |
|
2 c |
|
|
|
|
|
|
d1 |
|
|
|
2 50 |
|
|
|
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Вт |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
R |
|
1 |
|
|
|
ln |
d3 |
|
|
|
1 |
|
|
|
ln |
0,174 |
5,96 |
м С |
; |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
l п |
|
|
|
2 п |
|
|
|
|
d2 |
|
|
|
|
|
2 0,04 |
0,108 |
|
|
|
|
|
|
Вт |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
R |
|
|
1 |
|
|
|
ln |
d4 |
|
|
1 |
|
|
ln |
0,182 |
|
0,056 |
м С |
; |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
l об |
|
|
|
2 об |
|
|
|
|
|
d3 |
|
|
|
2 0, 4 |
0,174 |
|
|
|
|
|
|
|
Вт |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
R |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
0,055 |
м С |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
l сн |
|
|
|
|
|
d4 сн |
|
|
|
|
|
0,182 100 |
|
|
Вт |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
Заметим, что подавляющее термическое сопротивление несет в себе слой пенополиуретана. Остальные сопротивления пренебрежимо малы относительно него.
Общее линейное термическое сопротивление трубы Rl тр равно:
R |
R |
R |
R |
R |
R |
|
0,005 0,00077 5,96 0,056 0,055 6,08 |
м С |
|
||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||
l тр |
l вн |
l c |
l п |
l об |
l сн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вт |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Переведем объемный расход V в массовый: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
V 4,5 |
м3 |
|
G 4,5 |
м3 |
1000 |
кг |
|
1 |
|
|
час |
1, 25 |
кг |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
час |
|
|
|
час |
м3 |
3600 |
|
с |
|
с |
|||||||||
Температура на выходе из длинной трубы tвых и мощность потери тепла Q в теплопроводе определяются по |
|||||||||||||||||||||||
формулам: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
tвых t f |
tвх |
t f exp |
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cGRl тр |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Q c G tвх tвых ,
24
где с 4200 |
Дж |
– теплоемкость воды, t f |
|
– температура окружающего воздуха. |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
кг С |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Так как нам нужно найти температуру на выходе в самый холодный день и максимальную мощность потери |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
тепла, то принимаем t f tз 30С . Получим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
L |
|
|
30 105 30 exp |
|
|
|
|
|
|
3,14 5000 |
|
|
135 e 0,492 |
|
||||||||||||||||
tвых tз tвх tз exp |
|
|
|
|
|
|
|
30 52,5 С |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
cGRl тр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4200 1,25 6,08 |
|
|
|||||||||||
|
|
Q c G tвх tвых |
4200 1,25 105 52,5 275625Вт 275,6кВт . |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
Для определения температуры на поверхности трубы в точке начала трубопровода найдем сначала тепловой по- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
ток с единицы длины трубы в этом месте: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вт |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
tвх tз |
|
|
|
|
30 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
ql |
|
|
|
|
|
|
3,14 105 |
|
|
|
|
69, 72 |
|
|
, |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
Rl тр |
|
|
6, 08 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
После чего температура на поверхности tпов |
трубы определяется по одной из формул: |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ql |
|
tпов |
tз |
|
tпов |
|
ql |
Rl сн |
tз , |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rl сн |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rl вн Rl с |
Rl п Rl об |
|
|
|||||||
|
|
ql |
|
tвх tпов |
|
|
tпов tвх |
|
|
ql |
. |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
Rl вн Rl с Rl п Rl об |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
По первой из формул находим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
tпов |
|
ql Rl сн |
tз |
|
69,72 0,055 |
|
30 28,79С . |
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3,14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Очевидно, что тепловой изоляции вполне хватает, чтобы поверхность не нагревалась даже около точки выхода.
25
Итак, в результате проверочного расчета определяем:
температура на выходе из трубопровода в самый холодный день будет опускаться до 52,5 С ;
максимальная мощность потери тепла в теплопроводе равна 275,6кВт ;
температура на поверхности трубы около точки начала трубопровода равна 28,79 С .
Проектный расчет
Температура на выходе оказалась меньше tвых необх 60 С . Чтобы увеличить ее возможны два пути: 1) увеличить расход воды и 2) увеличить термическое сопротивление.
1. Найдем необходимый расход воды, чтобы температура на выходе была равна 60 С в самый холодный день. Необходимый расход определяется по формуле:
|
Gнеобх |
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
. |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
tвх tз |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
c Rl тр |
ln |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tвых необх tз |
|
|
|
|
|
||||||||
Подставляя числовые значения, получим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G |
|
|
|
|
|
3,14 5000 |
|
1,52 |
кг |
. |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
необх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
105 30 |
|
|
|
|
|
с |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
4200 6, 08 ln |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
60 30 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Соответствующий объемный расход равен: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
1,52 |
кг |
3600 |
|
с |
|
|
|
1000 |
кг |
|
5, 47 |
м3 |
. |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
необх |
|
|
с |
час |
|
м3 |
|
|
|
|
час |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
Vнеобх |
|
5, 47 |
1, 22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
V |
4,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
26
Таким образом, в самый холодный день необходимо увеличивать расход воды в 1,22 раза.
2. Найдем необходимое термическое сопротивление изоляции, чтобы температура на выходе была равна 60С в самый холодный день. Указанное линейное термическое сопротивление определяется по формуле:
|
Rl необх |
|
|
|
L |
|
|
|
. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
tвх tз |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
c G ln |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
tвых необх |
tз |
|
|
|
|
|
||||
Подставляя числовые значения, получим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
3,14 5000 |
|
|
7,38 |
м С |
. |
||||||||
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
|
|||||||
l необх |
|
|
|
|
|
105 |
|
|
|
|
|
Вт |
||||
|
|
4200 1, 25 ln |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
60 30 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Так как внешнее сопротивление пренебрежимо мало по отношению к общему, то без его учета добавочное со- |
||||||||||||||||
противление Rl доб будет равно разности необходимого и исходного сопротивлений: |
||||||||||||||||
R |
R |
R |
7,38 6,08 1,3 |
м С |
. |
|||||||||||
|
||||||||||||||||
l доб |
|
l необх |
|
l тр |
|
|
|
|
|
|
|
|
Вт |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Итак, в результате проектного расчета определяем:
чтобы температура на выходе не опускалась ниже 60°C в самый холодный день расход воды необходимо увеличивать примерно в 1,22 раза до 5, 47 м3
час ;
линейное термическое сопротивление добавочной тепловой изоляции, которой нужно обернуть трубу, чтобы при
исходном расходе воды температура на выходе не опускалась ниже 60°C в самый холодный день равно 1,3мС
Вт .
В заключение сведем все полученные результаты в таблицу:
27
Таблица 2.1. Результаты решения задания 2.
Температура на выходе из трубопровода в самый холодный день |
52,5С |
|
|
Максимальная мощность потери тепла в теплопроводе |
275,6кВт |
|
|
Температура на поверхности трубы около начала трубопровода |
28,79С |
|
|
Необходимое увеличение расхода воды |
В 1,22 раза |
|
|
Необходимое добавочное линейное термическое сопротивление |
1,3м С Вт |
|
|
28
Литература
1.Абдрахманов А.Р. Теплотехника: курс лекций – Казань: Изд-во «Познание» Института экономики, управления и права (г. Казань), 2010. – 112 с.
2.Теплотехника: учебник/ [авт. колл.: В. Н. Луканин и др.]; под ред. В. Н. Луканина – М.: Высш. шк., 2009. – 671с
3.ГОСТ 30732-2006 – Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной оболочкой
29
ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ, УПРАВЛЕНИЯ И ПРАВА (г. КАЗАНЬ)
Кафедра высшей математики
РАСЧЕТНО ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА
ПО ТЕПЛОТЕХНИКЕ
Вариант ___
Выполнил:
студент группы №_____
направления обучения Технология продукции и организация общественного питания
Фамилия Имя Отчество зачетная книжка № ______________
контактный телефон: _______________
Руководитель:
проф. (доц.; ст. преп.; асс.) Фамилия И.О.
Казань – 2013 г.
30