Нужно ли учитывать температуру оболочки для

Нужно ли учитывать температуру оболочки для оценки целесообразности расчета для
установок с термочувствительными жидкостями или пластиковыми трубами?
ВВЕДЕНИЕ
Как правило, конструкция системы электрообогрева выполняется для трубы из
углеродистой стали, причем каких-либо ограничений по максимальной температуре
жидкости в трубе или самой трубе не налагается. Однако иногда необходимо выполнить
расчет для неметаллических (пластиковых) труб, труб из углеродистой стали с обсадными
трубами, а также труб из углеродистой стали с термочувствительными жидкостями в них.
Для того, чтобы определить допустимость проектного решения, температура оболочки
теплоспутника (наивысшая температура системы) часто сравнивается с номинальной
температурой неметаллической трубы, номинальной температурой обсадной трубы или
максимально допустимой температурой жидкости. Возникает вопрос: «Правильно ли
это и следует ли для оценки допустимости в таких ситуациях в расчет брать температуру
оболочки?»
Для установок с неметаллическими трубами ответ «да», но он справедлив только для
предварительной оценки. Если температура оболочки не превышает номинальную
температуру материала трубы, можно продолжать расчет далее. Однако если
температура оболочки, рассчитанная при помощи CompuTrace, не превышает
номинальную температуру трубы, для оценки фактической температуры стенки трубы
следует воспользоваться методиками CFD (Computational Fluid Dynamics — расчетная
гидродинамика) или FEA (Finite Element Analysis — анализ методом конечных элементов).
Результаты могут показать, что температура стенки трубы под теплоспутником допустима;
в этом случае необходимость выполнять расчет для нескольких теплоспутников меньшей
мощности отпадает. Таким образом, можно определить оптимальную и рентабельную
конструкцию системы.
Для нагревательных труб из углеродистой стали со внутренними обсадными колоннами
или труб из углеродистой стали, в которых находятся термочувствительные жидкости,
температуру оболочки теплоспутника в качестве показателя максимальной температуры
стенки трубы брать в расчет не следует, поскольку углеродистая сталь хорошо проводит
тепло. Тепло от теплоспутника передается по окружности, поэтому отдельных горячих
участков в трубе под теплоспутником не наблюдается. Следует воспользоваться
температурой поддержания трубы, полученной при расчете с помощью CompuTrace.
В следующих трех примерах показано, как можно достичь оптимальной конструкции
теплоспутника при использовании фактического значения температуры стенки трубы,
полученного при помощи методик CFD или FEA, по сравнению с температурой оболочки,
рассчитанной в CompuTrace.
www.thermon.com
Форма TT126-0709
1
Нужно ли учитывать температуру оболочки для оценки целесообразности расчета для
установок с термочувствительными жидкостями или пластиковыми трубами?
СЛУЧАЙ 1: Труба из углеродистой стали с термочувствительной жидкостью
Был выполнен анализ FEA при тех же условиях, что и расчет CompuTrace.
В результате расчета по методике FEA было получено то же значение
температуры спутника 123 ºC. См. рис. 1. Однако на основе полученных
результатов можно также совершенно точно сказать, что имеет место ровное
распределение окружных температур при значении 50 ºC или вблизи него.
Под теплоспутником отдельных участков с более высокой температурой не
наблюдается. Поэтому целесообразным можно считать один проход FP 10-2.
Результаты расчета CompuTrace показывают, что рабочая температура
кабеля (температура оболочки теплоспутника) равна 123 ºC. См. приложение
1. Это значение довольно намного превышает значение максимально
допустимой температуры жидкости 90 ºC. Если бы в качестве оценки местной
температуры трубы или жидкости использовалось значение температуры
оболочки спутника, полученное в ходе выполнения анализа CompuTrace,
данный расчет с FP 10-2 был бы отклонен, и нужно было бы рассмотреть
вариант меньшего значения выходной мощности с несколькими проходами.
Труба:
150 мм в диаметре
Рисунок
Тип: Температура
Модуль: ºC
Время: 1
21.04.2009 12:47
Изоляция:
Тип: Стекловолокно
Толщина: 80 мм
123 Макс.
114
106
98,4
90,3
82,2
74,2
66,1
58,1
50 Мин.
Температура:
Мин. окр. среды: -20 ºC
Поддерживаемая: 50 ºC
Макс. допустимая тем-ра жидкости: 90 ºC
Теплоспутник:
FP 10-2
Результаты расчета CompuTrace®: Труба из углеродистой стали с термочувствительной жидкостью
CompuTrace Version 5.5
Проект
Обозначение
Значения раб. температуры
Наименование проекта
Запись
Температура поддержания
50
Место производства работ
Цепь
Температура поддержания трубы
50
Разработчик
Линия/труба
Тем-ра поддержания трубы макс.
н/д
°C
Номер проекта
Номер панели/выключателя
Рабочая тем-ра кабеля
123
°C
Номер заказа
Изометрический номер
Рабочая температура кабеля макс.
н/д
°C
Макс. температура кабеля
128
°C
Труба и изоляция
Расчетные потери теплоты
1
Окружающая среда
°C
Кабеля
24,6
Вт/м
Потери теплоты без SF
20,5
Вт/м
Тем-ра окружающей среды на запуске
-20
°C
Расчетная выходная мощность в кабеле
30,1
Вт/м
Длина трубы
35
M
Макс. температура окр. среды
40
°C
Выходная мощность в кабеле - на конце кабеля
29,8
Вт/м
Размер трубы
150
DN
Макс. температура воздействия
н/д
°C
Номинальная рабочая мощность
1081
ВА
Тип трубы
Углеродистая Сталь
Макс. температура продукта
н/д
°C
Толщина изоляции
80
MM
Классификация участка
невзрывоопасный
Размер изоляции
169,0
MM
Тип изоляции
Стекловолокно
Коэффициент изоляции
0,0326
Вт/м-°C
Регулирование тем-ры Лимит для тревоги о достижении макс. темп.
Средняя температура изоляции
15
°C
Уставка макс.-предел.
55
°C
Излучающая способность оболочки
0,12
Скорость ветра
40
км/ч
Коэффициент запаса
20
%
Кол-во клапанов
Допуск клапанов
0
2,438
Кол-во опор
M
Допуск опор
0
0,7
Мин. температура окр. среды
°C
-20
Класс температуры
н/д
Температура самовозгорания
н/д
Кол-во фланцев
M
Допуск фланцев
0
0,17
°C
°C
Кол-во насосов
M
Допуск насосов
0
4,88
M
Название кабеля
FP 10-2
Длина контура
35,5
Общая длина кабеля
M
35,5
M
Номинальный рабочий ток
4,7
A
Суммарный макс. ток
4,9
A
Напряжение
230
Перенапряжение
0
Коэффициент передачи
1
Точки питания
1
Шаг зубьев
н/д
Номинал автом. выключателя
25
В перем. тока
%
MM
Примечания
Значения силы тока и мощности приведены с учетом всех проходов и точек питания для всех записей.
Номер по каталогу
FP 10-2-OJ
Описание
Нагревательный кабель постоянной мощности с оболочкой
Количество
35,5
Модули
Неметаллическая коробка подключения к питанию
1
каждая
контроллер регулирования температуры в трубе/точка регулирования
1
(для одного обогревателя)
(см. каталог)
PETK-3D
устройство регулирования макс. предела/точка регулирования
1
комплект для подключения питания и концевой заделки
FT-1H
лента стеклоткани
CL
Предупредительные таблички CL
Цена модуля
Расширенные данные о ценах
M
Оконечный элемент DP
(см. каталог)
1
2,38
11
(для одного обогревателя)
(для одного обогревателя)
рулонов
(для одного обогревателя)
www.thermon.com
Форма TT126-0709
2
Нужно ли учитывать температуру оболочки для оценки целесообразности расчета для
установок с термочувствительными жидкостями или пластиковыми трубами?
СЛУЧАЙ 2: Полиэтиленовая труба с водным раствором
Был выполнен анализ FEA при тех же условиях, что и расчет CompuTrace.
Результаты выполнения анализа FEA также показали температуру
теплоспутника 70 ºC. Обратимся к рис. 2. Однако результаты показали,
что участков с температурой выше 60 ºC на полиэтиленовой трубе нет.
Фактически, максимальная температура стенки трубы (под теплоспутником)
равна 30 ºC. Это намного ниже максимально допустимой температуры 60
ºC. Следовательно, можно считать допустимой конструкцию теплоспутника
BSX 10-2 с одним проходом.
В данном случае результаты расчета при помощи CompuTrace показывают,
что рабочая температура кабеля (температура оболочки теплоспутника)
равна 70 ºC. См. приложение 2. Это значение превышает максимальную
температуру эксплуатации полиэтиленовых труб 60 ºC. Если бы в качестве
оценки местной температуры трубы использовалось значение температуры
оболочки нагревателя, полученное в ходе выполнения анализа CompuTrace,
данная конструкция с BSX 10-2 была бы отклонена.
Труба:
100 мм в диаметре
Рисунок
Тип: Температура
Модуль: ºC
Время: 1
21.04.2009 12:50
Изоляция:
Тип: Стекловолокно
Толщина: 50 мм
70 Макс.
65
59
53
48
42
36
30
25
19 Мин.
Температура:
Мин. окр. среды: - 25 ºC
Поддерживаемая температура: 20 ºCМакс.
эксплуатационная тем-ра трубы: 60 ºC
Обогрев:
BSX 10-2 (установлен без алюминиевой ленты)
Результаты расчета CompuTrace®: Полиэтиленовая труба с водным раствором
CompuTrace Version 5.5
Проект
Обозначение
Наименование проекта
Запись
Место производства работ
Цепь
Значения раб. температуры
2
20
Температура поддержания
20
Температура поддержания трубы
°C
°C
Разработчик
Линия/труба
Тем-ра поддержания трубы макс.
н/д
°C
Номер проекта
Номер панели/выключателя
Рабочая тем-ра кабеля
70
°C
Номер заказа
Изометрический номер
Рабочая температура кабеля макс.
н/д
°C
74
°C
Макс. температура кабеля
Труба и изоляция
Расчетные потери теплоты
Окружающая среда
Мин. температура окр. среды
Кабеля
Вт/м
13,6
Вт/м
Тем-ра окружающей среды на запуске
-25
°C
Расчетная выходная мощность в кабеле
15,3
Вт/м
Длина трубы
35
M
Макс. температура окр. среды
40
°C
Выходная мощность в кабеле - на конце кабеля
15,0
Вт/м
Размер трубы
100
DN
Макс. температура воздействия
н/д
°C
Номинальная рабочая мощность
575
ВА
Макс. температура продукта
н/д
°C
Классификация участка
невзрывоопасный
Тип трубы
Углеродистая Сталь
Толщина изоляции
50
MM
Размер изоляции
121,0
MM
Тип изоляции
Стекловолокно
Коэффициент изоляции
0,0310
Средняя температура изоляции
-2
Излучающая способность оболочки
0,12
Кол-во клапанов
Кол-во опор
Вт/м-°C
°C
-25
Класс температуры
н/д
Температура самовозгорания
н/д
Уставка макс.-предел.
30
Скорость ветра
Допуск клапанов
1,524
M
Допуск опор
0,6
M
Допуск фланцев
°C
40
км/ч
10
Кол-во фланцев
0
°C
Регулирование тем-ры Лимит для тревоги о достижении макс. темп.
Коэффициент запаса
0
°C
Название кабеля
15
Потери теплоты без SF
0,15
%
Кол-во насосов
0
M
Допуск насосов
0
3,05
M
BSX 10-2
Длина контура
35,5
Общая длина кабеля
M
35,5
M
Номинальный рабочий ток
2,5
A
Суммарный макс. ток
9,0
A
Напряжение
230
Перенапряжение
0
Коэффициент передачи
В перем. тока
%
1
Точки питания
1
Шаг зубьев
н/д
Номинал автом. выключателя
15
MM
Примечания
Значения силы тока и мощности приведены с учетом всех проходов и точек питания для всех записей.
Номер по каталогу
Описание
BSX 10-2-OJ
Саморегулирующиеся нагревательный кабель с оболочкой
Оконечный элемент DP
Неметаллическая коробка подключения к питанию
(см. каталог)
контроллер регулирования температуры в трубе/точка регулирования
(см. каталог)
устройство регулирования макс. предела/точка регулирования
PETK-3D
комплект для подключения питания и концевой заделки
FT-1L
лента из полиэфирного волокна
CL
Предупредительные таблички CL
Количество
35,5
Модули
Цена модуля
Расширенные данные о ценах
M
1
1
1
1
1,78
11
каждая
(для одного обогревателя)
(для одного обогревателя)
(для одного обогревателя)
рулонов
(для одного обогревателя)
www.thermon.com
Форма TT126-0709
3
Нужно ли учитывать температуру оболочки для оценки целесообразности расчета для
установок с термочувствительными жидкостями или пластиковыми трубами?
СЛУЧАЙ 3: Полиэтиленовая труба с водным раствором (алюминиевая лента)
В данном случае результаты расчета при помощи CompuTrace показывают,
что рабочая температура кабеля (температура оболочки теплоспутника)
равна 56 ºC. См. приложение 3. Это значение чуть ниже максимальной
эксплуатационной температуры полиэтиленовой трубы 60 ºC, поэтому
конструкция допустима. Однако расчет данной конструкции методом
FEA показывает, что фактическая температура стенки трубы под
теплоспутником равна всего 29 ºC, что намного ниже максимальной
номинальной температуры эксплуатации трубы. При помощи алюминиевой
ленты, уложенной в верхней части теплоспутника, можно добиться более
эффективного теплообмена между спутником и неметаллической трубой. В
результате спутник BSX работал при более низкой температуре и обеспечил
более высокую выходную мощность. Вместо модели BSX 10-2 можно
использовать BSX 8-2. Для неметаллических труб Thermon рекомендует
укладывать алюминиевую трубу поверх теплоспутника. Эти результаты,
полученные по методике FEA, показывают причину таких рекомендаций.
Труба:
100 мм в диаметре
Рисунок
Тип: Температура
Модуль: ºC
Время: 1
13.04.2009 15:51
Изоляция:
Тип: Стекловолокно
Толщина: 50 мм
37 Макс.
35
33
31
29
27
25
23
21
19 Мин.
Температура:
Мин. окр. среды: - 25 ºC
Поддерживаемая температура: 20 ºC Макс.
эксплуатационная тем-ра трубы: 60 ºC
Теплоспутник:
BSX 8-2 (с алюминиевой лентой)
Результаты расчета CompuTrace®: Полиэтиленовая труба с водным раствором (алюминиевая лента)
CompuTrace Version 5.5
Проект
Обозначение
Значения раб. температуры
Наименование проекта
Запись
Температура поддержания
20
Место производства работ
Цепь
Температура поддержания трубы
20
Разработчик
Линия/труба
Тем-ра поддержания трубы макс.
н/д
°C
Номер проекта
Номер панели/выключателя
Рабочая тем-ра кабеля
56
°C
Номер заказа
Изометрический номер
Рабочая температура кабеля макс.
н/д
°C
Макс. температура кабеля
66
°C
Труба и изоляция
3
Окружающая среда
°C
°C
Кабеля
15
Вт/м
Потери теплоты без SF
13,6
Вт/м
Тем-ра окружающей среды на запуске
-25
°C
Расчетная выходная мощность в кабеле
17,5
Вт/м
Длина трубы
35
M
Макс. температура окр. среды
40
°C
Выходная мощность в кабеле - на конце кабеля
17,2
Вт/м
Размер трубы
100
DN
Макс. температура воздействия
н/д
°C
Номинальная рабочая мощность
690
ВА
°C
Расчетные потери теплоты
Мин. температура окр. среды
-25
°C
Название кабеля
BSX 8-2
Тип трубы
Углеродистая Сталь
Макс. температура продукта
н/д
Длина контура
35,5
Толщина изоляции
50
MM
Классификация участка
невзрывоопасный
Общая длина кабеля
35,5
M
Размер изоляции
121,0
MM
Класс температуры
н/д
Номинальный рабочий ток
3,0
A
Тип изоляции
Стекловолокно
Температура самовозгорания
н/д
Суммарный макс. ток
7,5
A
Коэффициент изоляции
0,0310
Вт/м-°C
Регулирование тем-ры Лимит для тревоги о достижении макс. темп.
Напряжение
230
Средняя температура изоляции
-2
°C
Уставка макс.-предел.
30
°C
Перенапряжение
0
Излучающая способность оболочки
0,12
Скорость ветра
40
км/ч
Коэффициент передачи
1
Коэффициент запаса
10
%
Точки питания
1
Шаг зубьев
н/д
M
Номинал автом. выключателя
15
Кол-во клапанов
Допуск клапанов
Кол-во опор
0
1,524
M
Допуск опор
Кол-во фланцев
0
0,6
M
Допуск фланцев
Кол-во насосов
0
0,15
°C
M
Допуск насосов
0
3,05
M
В перем. тока
%
MM
Примечания
Значения силы тока и мощности приведены с учетом всех проходов и точек питания для всех записей.
Номер по каталогу
Описание
BSX 8-2-OJ
Саморегулирующиеся нагревательный кабель с оболочкой
Оконечный элемент DP
Неметаллическая коробка подключения к питанию
1
(см. каталог)
контроллер регулирования температуры в трубе/точка регулирования
1
(для одного обогревателя)
(см. каталог)
устройство регулирования макс. предела/точка регулирования
1
(для одного обогревателя)
PETK-3D
комплект для подключения питания и концевой заделки
1
(для одного обогревателя)
AL-20L
Алюминиевая лента AL-20L
FT-1L
FT-1L лента из полиэфирного волокна
CL
Предупредительные таблички CL
Количество
35,5
Модули
1
рулонов
1,78
рулонов
11
Цена модуля
Расширенные данные о ценах
M
каждая
(для одного обогревателя)
www.thermon.com
Форма TT126-0709
4
Нужно ли учитывать температуру оболочки для оценки целесообразности расчета для
установок с термочувствительными жидкостями или пластиковыми трубами?
Выводы
Для неметаллических труб в качестве предварительного критерия следует применять
анализ CompuTrace «Рабочая температура кабелей». Если температура ниже максимальной
эксплуатационной температуры материала труб, следует продолжать расчет. Если нет, для
определения фактической температуры стенки трубы рекомендуется выполнить анализ
CFD или FEA.
Для нагревательных труб из углеродистой стали со внутренними обсадными колоннами
или труб из углеродистой стали, в которых находятся термочувствительные жидкости, не
следует использовать значение температуры оболочки спутника, рассчитанное при помощи
CompuTrace, для сравнения с предельной температурой обсадной колонны или жидкости.
Следует воспользоваться значением «Температуры поддержания трубы».
Значение «Максимальная температура кабеля», указанная в выходных данных CompuTrace, не может быть использовано, поскольку во всех случаях в системе предусмотрен
аварийный сигнал высокой температуры трубы или ограничитель высокой температуры
трубы.
www.thermon.com
Форма TT126-0709
5