Jak správně vypočítat tloušťku izolace pro potrubí?

Aby byla zajištěna optimální přeprava různých médií potrubím, jsou válcové konstrukce obvykle izolovány. Regulační dokumenty stanoví určité požadavky na tloušťku tepelné izolace.

Proces výpočtu tloušťky tepelně izolační vrstvy potrubí je složitý a časově náročný. Nejběžnější metodou je stanovení tohoto parametru pomocí standardizovaných indikátorů tepelných ztrát. Hodnoty ztrát jsou stanoveny SNiP a závisí na metodách pokládky potrubí různých průměrů:

• otevřeno na ulici;
• otevřené uvnitř;
• bezkanálový;
• v neprůchodných kanálech.

Podstata výpočtu spočívá ve výběru takové tloušťky tepelně izolačního materiálu, aby skutečná tepelná ztráta nepřekročila hodnoty stanovené v SNiP.

Výpočet tloušťky jednovrstvé izolace konstrukce

Hlavní vzorec pro výpočet izolace potrubí je uveden takto:

• λ – součinitel tepelné vodivosti izolace (referenční);
• K – součinitel dodatečných tepelných ztrát upevněním nebo podpěrami;
• t_T – teplota dopravovaného média (roční průměr);
• t_o – teplota venkovního vzduchu (průměrná roční);
• q_L – hodnota tepelného toku;
• R_H – odpor prostupu tepla na vnějším povrchu izolace (tabulková hodnota).

Hodnota ukazatele B se stanovuje samostatně:

• δ – tloušťka izolační konstrukce;
• d_z – vnější průměr potrubí;
• d_tr – vnější průměr izolované trubky.

Parametr ln se zjistí z tabulky logaritmů. V důsledku toho by tloušťka izolace měla být taková, aby byla splněna podmínka identity levé a pravé strany rovnice.

Výpočet tloušťky vícevrstvé tepelné izolace

Pohybuje-li se potrubím chladivo o vysoké teplotě (500-600 ℃), povrch předmětu je izolován dvěma vrstvami různých materiálů. Jedna z vrstev působí jako bariéra proti horkému povrchu z druhé, která zase slouží k ochraně potrubí před nízkými teplotami venkovního vzduchu. V tomto případě je důležité, aby teplota na hranici vrstvy t_1,2 byl přijatelný pro materiál vnější izolační vrstvy.

Pro výpočet tloušťky tepelné izolace první vrstvy používáme již známý vzorec:

Pro stanovení tloušťky druhé vrstvy se místo povrchové teploty potrubí t_T odeberte teplotu na rozhraní dvou izolačních vrstev t_1,2.

Pokud je průměr potrubí menší než 2 m, vzorec je následující:

Docela těžkopádné výpočty tloušťky tepelné izolace je obtížné provádět ručně. Pro zjednodušení procesu a rychlé získání výsledků se proto doporučuje zadat algoritmus do aplikace Microsoft Excel.

Výpočet izolace potrubí na základě dané hodnoty snížení teploty chladicí kapaliny

V některých případech je požadováno, aby chladivo bylo dodáno potrubím na místo určení při určité teplotě. Podle této podmínky je třeba vypočítat tloušťku tepelné izolace.

Nejprve se zjistí celkový tepelný odpor izolace RП:

• K – součinitel dodatečných tepelných ztrát upevněním nebo podpěrami;
• t_t.začátek – počáteční teplota chladicí kapaliny;
• t_о – okolní teplota;
• t_t.začátek – konečná teplota chladicí kapaliny;
• l – délka potrubí;
• G – průtok chladicí kapaliny;
• C – měrná tepelná kapacita dopravovaného média.

Dále se hodnota tloušťky tepelné izolace vypočítá pomocí známého vzorce:

Výpočet izolace potrubí na základě dané teploty povrchu izolační vrstvy

V mnoha průmyslových závodech jsou potrubí položena uvnitř pracovních oblastí, kde jsou přítomni lidé. V tomto ohledu předpisy na ochranu práce diktují zvýšené požadavky na teploty potrubí. Výpočet tloušťky tepelně izolační vrstvy pro trubky o průměru větším než 2 m při dané teplotě izolačního povrchu se provádí pomocí vzorce:

• α – součinitel prostupu tepla (referenční);
• t_П – normalizovaná teplota povrchu izolace;
• zbývající parametry jsou z předchozích vzorců.

Navzdory skutečnosti, že tato technika má nevýznamnou chybu, v současné době se používá pro výpočet výkonu izolační vrstvy. Pro získání přesnějších výpočtů je lepší použít specializovaný software.

V moderním designu je obvyklé používat různá konstrukční řešení, určité typy a odrůdy materiálů. Tepelná izolace se vyznačuje použitím tlouštěk nevycházejících z výpočtů, ale podle tradice použití. V moskevské oblasti je tedy zapotřebí 200 mm tepelně izolačního materiálu pro střechu a 150 mm pro stěny. Ne vždy se však berou v úvahu nuance. Například jaký druh základů a jaká konstrukce stěny nebo střechy se používá. Charakteristiky (tepelná vodivost) izolačního materiálu se často neberou v úvahu.

V případě projektování stavebních inženýrských systémů (potrubí) se zpravidla používají pěnové roztoky s malými tloušťkami, převážně 6–13 mm. To je způsobeno mimo jiné snadnou instalací tenké izolace, její nízkou cenou a úsporou místa při těsném uspořádání potrubí. V tomto případě lze ignorovat silnější materiály pro tepelnou izolaci potrubí.

Na příkladu teplovodní a topné izolace si rozebereme, jaké tloušťky různých druhů materiálů jsou požadovány a jaké jsou důsledky nesprávného výběru.

Při navrhování inženýrských systémů budov se výpočet tloušťky izolace provádí v souladu s SP 61.13330.2012 „Tepelná izolace zařízení a potrubí“ (aktualizované vydání SNiP 41–03–2003). Obecná ustanovení společného podniku (4) naznačují, že tepelně-izolační konstrukce musí zajistit parametry chladicí kapaliny při provozu, standardní úroveň tepelných ztrát zařízení a potrubí a teplotu jejich vnějších povrchů bezpečnou pro člověka. (4.1). Návrhy tepelné izolace potrubí a zařízení musí navíc splňovat požadavky na energetickou účinnost – mít optimální poměr mezi náklady na tepelně izolační konstrukci a náklady na tepelné ztráty izolací během projektové životnosti (4.2).

To znamená, že je nutné zvolit tloušťku tak, aby bylo bezpečné být v blízkosti horkého potrubí nebo zařízení (pro ochranu před popáleninami). Kromě toho by tepelné ztráty neměly být větší než normalizované (W/m) v SP 61.13330.2012 pro odpovídající potrubí (jeho provozní parametry).

Na základě výpočtů tloušťky přívodu teplé vody a tepelné izolace (průměry potrubí jsou brány jako příklad) pro Moskvu získáme hodnoty níže.

— Výpočet byl proveden pomocí programu Izolace (NTP Truboprovod LLC).

— Tloušťky izolace jsou uvedeny v milimetrech podle nomenklatury výrobce obsažené v programu „Izolace“ (v závorkách je uvedena vypočítaná tloušťka izolace v milimetrech).

Na základě tabulky se použití tenkých pěnových materiálů může zdát logické a vhodné, ale další povinný výpočet produkuje výrazně odlišné hodnoty.

Tedy podle bodu 4. SP 61.13330.2012 „Tepelná izolace zařízení a potrubí“ (aktualizované vydání SNiP 41-03-2003) je nutné použít materiály výrazně větší tloušťky, než ukázal první výpočet. V opačném případě použité materiály neposkytují standardní úroveň tepelných ztrát, a tudíž nesplňují požadavky na energetickou účinnost.

Ukazuje se, že tloušťky izolace materiálů s různou strukturou budou v návrhu srovnatelné (kvůli srovnatelné tepelné vodivosti). Za určitých podmínek je izolace z kamenné vlny o něco silnější, za jiných je o něco tenčí. To závisí na sortimentu výrobků a tepelné vodivosti při dané teplotě.

Fyziku neoklamete a materiály s přibližně stejnými tepelně izolačními vlastnostmi by měly mít v identických strukturách podobnou tloušťku.

Podívejme se, jaká bude úroveň ztrát nad normou, pokud nainstalujeme izolaci, přičemž vezmeme v úvahu pouze bezpečnou teplotu na povrchu (údaje uvedené níže).

Je vidět, že použití malých tlouštěk, jak je v současné době v některých projektech praktikováno, a to i na návrh výrobců tenkých pěnových izolací, vede k obrovským tepelným ztrátám. Ve skutečnosti v systémech vytápění a zásobování teplou vodou překračují normu dvakrát až třikrát (!). Jde o obrovské finanční ztráty, svědčící o energetické neefektivitě.

Možná i proto je ruská ekonomika jednou z energeticky nejnáročnějších na světě. Podle odborníků je Ruská federace na 130. místě mezi 143 zeměmi z hlediska ekonomické energetické účinnosti. Energetická náročnost ruského HDP je dvakrát vyšší než světový průměr.

Pokud dojdeme k závěru, že je nutné použít podobné tloušťky kamenné vlny a pěnové izolace, ukáže se, že tloušťky (30–40 mm) různých průměrů se buď nevyrábějí (výrobci pěnové pryže a polyetylenu), nebo jsou hodně dražší. Příklad průměrné tržní cenové hladiny je uveden níže.

Při větších tloušťkách a průměrech (počínaje Dy = 25) se například pěnová pryž výrazně prodraží – čtyř až šestinásobně (ve srovnání s válci z kamenné vlny).

Všechny tyto faktory naznačují, že tradiční použití (bez výpočtů) pěnové izolace s malou tloušťkou je přímou cestou k obrovskému plýtvání energií a použití pěnových řešení se správně vypočítanými tloušťkami vede k nadměrným nákladům na samotnou izolaci. A to nebere v úvahu komplexní posouzení požárního nebezpečí pěnových polymerních materiálů a jejich trvanlivosti.