Требуемая мощность нагревательного кабеля и всей системы обогрева для подержания температуры зависит обогреваемой зоны, характеристик продукта, материала и геометрических размеров (наружный диаметр, толщина стенок, длина и т.д.) трубы или емкости, теплоизоляции (материал, толщина, наличие экрана), климатических условий, условий эксплуатации, способа крепления, прочих факторов.
Обогрев трубы в помещении
Мощность системы кабельного обогрева зависит от условий, в которых находится обогреваемый объект. Так, для обогрева трубы, находящейся на открытом воздухе, потребуется большая мощность, чем для обогрева трубы, проходящей в помещении или в слое грунта. Особый подход нужен к трубопроводной системе, разные участки которой находятся в разных условиях.
Обогрев подземного трубопровода
При установке нагревательного кабеля внутри трубы достигается максимальный эффект обогрева, так как кабель находится в прямом контакте с обогреваемой средой. Поэтому при прокладке кабеля внутри трубопровода, его мощность может быть меньше, чем при укладке кабеля снаружи трубы.
Для обогрева отдельных элементов может понадобиться большее количество кабеля. Для обогрева таких участков, как места прохождения трубопровода через опорную колодку, фланцевые соединения, корпуса арматуры, насосы, заглушенные отводы может понадобиться закручивание кабеля и образование петель из него, так как любая арматура является элементом дополнительных тепловых потерь.
При расчете мощности кабеля для обогрева изделий из полимерных материалов необходимо учесть, что пластик обладает малой теплопроводностью. Поэтому рекомендуется обернуть трубу алюминиевой фольгой или металлизированной пленкой для более равномерного распределения тепла по поверхности. Также хороший результат дает оборачивание в несколько слоев фольгой после закрепления кабеля алюминиевой лентой. Это обеспечивает распределение тепла по поверхности трубопровода и исключает касание нагревательного кабеля с теплоизоляцией или продавливание в нее, предотвращая перегрев кабеля и выход из строя.
| Материал трубы | Вт/м°С |
|---|---|
| Сталь | 53 |
| Медь | 407,1 |
| Полиэтилен | 0,41 |
| Полипропилен | 0,24 |
| Полибутилен | 0,22 |
| Поливинилхлорид | 0,14 |
| Металлополимер | 0,45 |
С целью уменьшения теплопотерь рекомендуется устанавливать теплоизоляцию на все обогреваемые трубопроводы, независимо от способа их прокладки. Благодаря теплоизоляции общая мощность системы кабельного обогрева может быть снижена в разы, что даст существенную экономию электроэнергии.
При обогреве трубопроводов в качестве теплоизоляции используют кремниевую минеральную вату, маты минераловатные рулонированные, пенопласт, силикат кальция и т.п.
| Материал теплоизоляции | Вт/м°С |
|---|---|
| Асбестовая ткань | 0,1234 |
| Асбестовый шнур | 0,1397 |
| Войлок грубошерстный | 0,0524 |
| Войлок потниковый | 0,0582 |
| Войлок строительный | 0,0442 |
| Вулканит | 0,0919 |
| Гипсо-бетонные футляры | 0,3841 |
| Гипсо-опилоочные футляры с односторонней опорой | 0,2909 |
| Минеральная вата | 0,05 |
| Пенополиуретан | 0,0223 |
| Пенорезина | 0,049 |
| Пенофенол | 0,0194 |
| Совелит без штукатурки | 0,0989 |
| Совелитовые плиты | 0,0797 |
| Совелитовые плиты без штукатурки | 0,0791 |
| Совелитовые сегменты | 0,0797 |
| Совелитовые сегменты без штукатурки | 0,0791 |
| Совелитовые скорлупы без штукатурки | 0,1071 |
| Соломит без конструктивных элементов | 0,1164 |
| Стекловолокно | 0,0349 |
| Стеклянная вата | 0,0372 |
| Стеклянная вата без штукатурки | 0,0547 |
| Стеклянные маты без штукатурки | 0,0372 |
| Стеклянные полосы без штукатурки | 0,0372 |
| Торфоплиты для горячих поверхностей | 0,0658 |
| Торфоплиты для горячих поверхностей без штукатурки | 0,064 |
| Шевелин без конструктивных элементов | 0,0698 |
Удельная мощность кабеля, применяемого в системах обогрева трубопроводов и резервуаров, составляет от 8 до 100 и более Вт на погонный метр кабеля, в зависимости от характеристик трубопровода.
В большинстве случаев удельной мощности нагревательного кабеля 10 Вт на 1 метр трубы достаточно для защиты ее от замерзания, если:
- наружный диаметр трубы не более 50 мм;
- толщина теплоизоляции не менее 50 мм;
- наружная температура не ниже –30°C.
Все вопросы, связанные с выбором типа греющего кабеля, его мощности и необходимого количества решаются на этапе проектирования.
Следующий пример расчета мощности кабельной системы обогрева трубопровода взят из «Методических указаний по проектированию специальных электроустановок с применением нагревательного кабеля к ВТТ СЭУНК» (ГУ «Петербурггосэнергонадзор», 2001), которые легли в основу «Временных технических требований к специальным электроустановкам». Этот документ был принят в 2003 году ФГУ «Балтгосэнергонадзор» и в настоящее время является единственным документом, специализированно регламентирующим установку кабельных систем обогрева.
где:
Pq — теплопотери, Вт;
π = 3,14;
λ — удельное тепловое сопротивление теплоизоляционного материала, Вт/м2∙°С;
L — длина трубопровода, м;
D — внешний диаметр теплоизолирующего слоя, м;
d — внутренний диаметр теплоизолирующего слоя, он же диаметр трубы, м;
Тв — температура жидкости в трубе;
Тн — температура наружного воздуха;
Pp — мощность кабеля
Условие выбора нагревательного кабеля: Pp≥Pq
Рассчитаем мощность, необходимую для обогрева трубопровода со следующими исходными данными:
Наружная труба с холодной водой диаметром 1 дюйм (26мм) имеет теплоизоляцию толщиной 20 мм. С помощью кабельной системы обогрева требуется выполнить защиту от замерзания. Требуемый перепад температур между трубой и наружным воздухом составляет 30°С. Длина трубы — 16м.
Таким образом:
L = 16м; D=66мм; d=26мм; Тв = 0°С; Тн = -30°С; λ= 0,04
Порядок расчета:
Таким образом, для обогрева трубопровода потребуется кабель мощностью: Pp≥Pq (не менее 134 Вт, или удельной мощностью не менее 8 Вт/м).
Мы рекомендует для расчета мощности кабеля расчетные данные теплопотерь трубопровода умножить на 1,15 в случае сложных метеоусловий (постоянные ветра, осадки и т.д.), к полученной цифре применить коэффициент запаса 1,25.
Существуют также другие методики расчета теплопотерь трубопровода и мощности греющего кабеля. Например, методика, рекомендуемая заводом Сокол-Электра, удобна при расчете систем обогрева простых бытовых трубопроводов:
1. Определяются теплопотери с поверхности трубопровода. Расчет проводится по приведенной ниже методике с использованием таблицы 1, в которой приведены типовые расчетные теплопотери с поверхности трубопроводов в зависимости от диаметра трубопровода, разности температур и толщины теплоизоляции. Расчет в таблице 1 произведен для трубопроводов с применением теплоизоляции, коэффициент теплопроводности которой равен 0,05 Вт/м°С.
| Толщина теплоизоляции, мм | Разница температур, tвн - tнар | Диаметр трубопровода, дюйм | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1/2 | 3/4 | 1 | 1,25 | 1,5 | 2 | ||
| 10 | 20 | 5,3 | 7,0 | 8,7 | 10,3 | 11,9 | 15,1 |
| 30 | 8,0 | 10,5 | 13,0 | 15,4 | 17,9 | 22,7 | |
| 40 | 10,6 | 14,5 | 17,3 | 20,6 | 23,8 | 30,3 | |
| 20 | 20 | 3,5 | 4,4 | 5,3 | 6,2 | 7,0 | 8,7 |
| 30 | 5,3 | 6,7 | 8,0 | 9,2 | 10,5 | 13,0 | |
| 40 | 7,1 | 8,9 | 10,6 | 12,3 | 14,0 | 17,3 | |
| 30 | 20 | 2,9 | 3,5 | 4,1 | 4,7 | 5,3 | 6,4 |
| 30 | 4,3 | 5,3 | 6,2 | 7,1 | 8,0 | 9,7 | |
| 40 | 5,8 | 7,1 | 8,3 | 9,5 | 10,6 | 12,9 | |
| 40 | 20 | 2,5 | 3,0 | 3,5 | 4,0 | 4,4 | 5,3 |
| 30 | 3,8 | 4,6 | 5,3 | 6,0 | 6,7 | 8,0 | |
| 40 | 5,1 | 6,1 | 7,1 | 8,0 | 8,9 | 10,6 | |
| 50 | 20 | 2,3 | 2,7 | 3,1 | 5,3 | 3,9 | 4,6 |
| 30 | 3,5 | 4,1 | 4,7 | 5,3 | 5,9 | 6,9 | |
| 40 | 4,6 | 5,5 | 6,3 | 7,1 | 7,8 | 9,2 | |
2. При использовании теплоизоляции с другим коэффициентом теплопроводности, расположением и материалом труб, необходимо ввести корректировку:
| Коэффициент теплопроводности, Вт/м°С | Корректирующий множитель, К1 |
|---|---|
| 0,025-0,035 | 0,6 |
| 0,035-0,045 | 0,8 |
| 0,045-0,055 | 1 |
| 0,055-0,07 | 1,2 |
| Расположение трубы | Корректирующий множитель, К2 |
|---|---|
| На открытом воздухе | 1 |
| В помещении | 0,9 |
| Материал трубы | Корректирующий множитель, К3 |
|---|---|
| Металл | 1 |
| Пластмасса | 0,7 |
Суммарные теплопотери трубопровода Qобщ определяются:
Qобщ=QтаблхК1хК2хК3х1,2хLт (Вт)
При спиральном способе прокладки нагревателя шаг спирали определяется по формуле:
Dн — наружный диаметр трубопровода, м
Lт — длина участка трубопровода, м
Lн — длина нагревателя, м
Система кабельного обогрева трубопроводов и резервуаров достаточно энергоемка (требует большой мощности). Перед проектировщиком кабельной системы обогрева стоит задача не просто обеспечить поддержание температуры рабочей жидкости в трубопроводе в зимнее время, но и сделать это с минимальными энергозатратами.
Для того чтобы минимизировать установленную мощность, необходимо профессиональное проектирование системы кабельного обогрева. При правильно спроектированной системе мощность греющих элементов и их расположение подобраны так, чтобы обеспечить необходимый прогрев элементов трубопровода и не допустить повышения вязкости или замерзания рабочей жидкости.
Для минимизации потребляемой мощности системы кабельного обогрева важно правильно настроить систему управления. Терморегулятор, получая данные от датчиков, включает нагрев только при понижении температуры ниже опасного уровня, и отключает прогрев при прогреве продукта до требуемой величины. После этого система находится в ждущем режиме и практически не потребляет электроэнергию.
