L-tek — лидирующие технологии
RussianUkrainian

Расчет системы защиты труб от замерзания

1.1 Выбор изделия

В большинстве случаев для защиты труб от замерзания достаточно мощности 17-20 Вт/м при диаметре до 50 мм и толщине слоя изоляции не менее диаметра трубы.

При обогреве металлической трубы можно применять нагревательный кабель с удельной мощностью 20 Вт/м и выше. При обогреве пластиковой трубы использование нагревательных кабелей высокой мощности не допускается.

Для установки внутри трубы с питьевой водой применяются кабели c наружной изоляцией из пищевого пластика, герметичность соединения трубы с проводом достигается специальной зажимной муфтой.

 

          

Системы защиты от замерзания и поддержания температуры жидкости в трубе обычно управляются стационарными терморегуляторами, либо нагревательные кабеля комплектуются встроенными датчиками температуры (Hemstedt FS 10 Вт/м). При обогреве труб саморегулирующимися кабелями терморегулятор можно не использовать.

 

1.2 Расчет длины кабеля

Наиболее простым способом монтажа кабеля на поверхность трубы является его прокладка прямой линией вдоль трубы. В этом случае длина кабеля будет кратна длине трубы. Одножильный кабель, наиболее удобно монтировать в две линии, что позволяет подключать его с одной стороны.

При расчете длины нагревательного кабеля необходимо дополнительно учитывать следующие параметры:

  • количество переходов, тройников, вентилей (обычно дополнительно 0,3 м кабеля на каждый);
  • длину нагревательного кабеля на выступах и стыках;
  • измеренные расширения трубы и т.п.

Для определения длины кабеля или количества линий кабеля нужно знать или рассчитать теплопотери данной конструкции трубы (см. далее пункт 1.5. этой статьи «Расчет теплопотерь»).

ПРИМЕР 1

Расчетные теплопотери пластиковой трубы с изоляцией толщиной 30 мм, диаметром 1"  составляют 10 Вт/м. Длина трубы 7 м. Напряжение питания 220 В.

При таких условиях мощности кабеля 10 Вт/м будет достаточно. Предполагается монтаж кабеля вдоль трубы.

Выбирается кабель равный длине трубы. Если нет такого точного значения длины кабеля, то выбирается ближайший кабель большей длины и остаток кабеля монтируется в 2 линии.

Исходя из этих условий, выбираем нагревательный кабель необходимой длины и мощности:

Вариант 1: Hemstedt FS 10 Вт/м, 70 Вт, 7 м.

Вариант 2: DEVI-Pipeguard 10 Вт/м, 70 Вт, 7 м.

ПРИМЕР 2

Расчетные теплопотери стальной трубы диаметром 50 мм и теплоизоляцией 20 мм составляют - 21 Вт/м . Длина трубы 20 м. Напряжение питания 220 В. Труба находится частично на улице, частично в помещении. Предполагается монтаж кабеля вдоль трубы.

Можно применить кабель мощностью 17 Вт/м. Для компенсации теплопотерь трубы нужно установить 2 линии кабеля, получаем суммарную мощность 17 + 17 = 34 Вт/м, что больше требуемых 21 Вт/м. О «лишней» мощности беспокоиться не стоит – в системе обязательно применяется терморегулятор. Выбирается кабель равный двойной длине трубы.

Исходя из этих условий, выбираем нагревательный кабель необходимой длины и мощности:

Вариант 1: Hemstedt BR-IM 17 Вт/м, 700 Вт, 40,6 м;

Вариант 2: Nexans TXLP/2R 17 Вт/м, 700 Вт, 41 м или TXLP/1 17 Вт/м, 700 Вт, 41,2 м.

Так же возможен вариант использования саморегулирующегося кабеля вдоль трубы в одну линию:

Вариант 1: Nexans DEFROST PIPE 20 20 Вт/м;

Вариант 2: Profi-therm MHL-25 25 Вт/м;

Вариант 3: Hemstedt Hem 20 20 Вт/м;

Пример 3

Расчетные теплопотери трубы 25 Вт/м. Напряжение питания 220 В. Труба стальная диаметром 50 мм и длиной 20 м. Предполагается монтаж кабеля путем оборачивания спиралью вокруг трубы. Можно применить кабель  мощностью 17-18 Вт/м при 220 В. Для расчета длины кабеля требуемая мощность на метр трубы делится на мощность одного метра кабеля:


Исходя из этих условий, выбираем нагревательный кабель необходимой длины и мощности:

Вариант 1: Hemstedt BR-IM 17 Вт/м, 500 Вт, 31 м;

Вариант 2: Nexans TXLP/2R 17 Вт/м, 500 Вт 29,3 м или TXLP/1 17 Вт/м, 500 Вт, 29,3 м.

 

Вычисление шага установки кабеля

Кабель можно монтировать, оборачивая спиралью вокруг трубы.

По таблице ниже можно определить шаг витков кабеля после расчета необходимой длины на 1 метр трубы.

  

1.3 Нагрев труб. Расчет мощности.

Для расчета мощности, необходимой для нагрева труб за заданное время, необходимо:

1. Определение теплопотерь трубы.

2. Определение необходимой мощности для нагрева самой трубы и ее содержимого.

Количество тепла, необходимого на нагрев тела, равно Q = сmΔt (с – удельная теплоемкость, m – масса).

ПРИМЕР.

Нагрев трубы с битумом.

Исходные данные: требуемое время нагрева – 0,5 часа; начальная температура – 0 °С, конечная температура  – +60 °С, Δt = 60 °С; труба стальная, наружный диаметр – 33 мм, внутренний диаметр – 24 мм.

Расчет теплопотерь трубы производится согласно методике, приведенной в п. 1.5. этой статьи. Например, принимаем теплопотери равные 23 Вт/м.

Расчет мощности на нагрев.

Нагрев стальной трубы: удельная плотность ρ = 7800 кг/м³, масса стенок трубы m ≈ 2,72 кг/м, удельная теплоемкость с = 0,337 кДж/кг°С. Для нагрева стенок трубы необходимое количество тепла равно Qжел = 0,337 х 2,72 х 60 = 55 кДж/м.

Нагрев битума: удельная плотность ρ = 1200 кг/м³, масса битума в трубе m ≈ 0,6 кг/м, удельная теплоемкость с = 1,68 кДж/кг°С. Для нагрева битума в трубе необходимое количество тепла равно Qмет = 1,68 х 0,6 х 60 = 61 кДж/м.

Суммарное количество тепла на нагрев трубы и битума в ней равно Q = 55 + 61 = 116 кДж/м. Мощность на нагрев за время 0,5 часа (1800 секунд) равна Рнагр = 116 кДж/м  / 1800 с = 0,0645 кВт/м ≈ 65 Вт/м.

Суммарная мощность для компенсации теплопотерь и нагрева одного метра трубы, с учетом коэффициента запаса, составит РнагрΣ= (23 + 65) х 1,3 = 115 Вт/м.

 

1.4 Монтаж и подключение

Общие рекомендации

Перед монтажом нагревательных кабелей важно проверить трубу на предмет повреждений или утечки.

Трубы с кабелями должны быть обязательно термоизолированы. Это касается всех труб, не зависимо от того, расположены они под или над землей.

Следует отметить, что при установке кабеля диаметр трубы увеличивается. На это стоит обратить внимание при выборе внутреннего диаметра термоизоляции.

Кабель должен быть аккуратно, без усилия/натяжения установлен на трубе во избежание повреждений. Он должен прикрепляться к трубе по всей своей длине при помощи алюминиевой липкой ленты.

Пластиковую ленту НЕ ПРИМЕНЯТЬ!

Кабель не должен укладываться на острых краях трубы. На кабель наступать нельзя.

Если трубы с кабелями установлены над землёй, они должны находиться в прочном и безопасном корпусе (коробе) с предупреждающей надписью.

Экран нагревательных кабелей должен быть заземлен и установлены защитный автомат и УЗО в соответствии с действующими правилами ПУЭ и СНиП.

Не рекомендуется укладывать кабель при температуре ниже -5 °С.

Если при низкой температуре кабель становится жестким и плохо гнущимся, то его можно подключить на короткое время к напряжению, пока он не станет гибким. При этом кабель должен быть размотан.

После установки необходимо проверить сопротивление нагревательного кабеля и изоляции. Для саморегулирующихся кабелей измеряется только сопротивление изоляции.

В начале монтажа кабель крепится к трубе при помощи отрезков алюминиевой ленты, с интервалом приблизительно 30-50 см. Затем он проклеивается алюминиевой лентой вдоль кабеля по всей длине. Таким образом, нагревательный кабель не имеет прямого контакта с изоляцией, прочно крепится к поверхности трубы и имеет хороший теплоотвод.

Перед установкой нагревательного кабеля на пластиковой трубе, на её поверхность клеится алюминиевая лента. Таким образом, тепло лучше распределяется по поверхности трубы и исключается ее возможный перегрев. Кабель рекомендуется укладывать на боковых поверхностях трубы или/и симметрично вокруг нее.

Соединительная муфта между нагревательным кабелем и подводящим (холодным) концом так же должна устанавливаться на поверхности трубы и клеиться алюминиевой липкой лентой.

Кабель датчика температуры крепится к трубе так же как нагревательный кабель. Дат чик  должен быть приклеен алюминиевой лентой в самой холодной части трубы и, по возможности, помещен по середине между линиями кабеля. Диаметр изгиба кабеля должен быть не менее пяти диаметров самого кабеля.

Линии резистивного кабеля не должны пересекаться между собой.

 

1.5 Расчет теплопотерь трубы с изоляцией

Для расчета теплопотерь можно использовать приведенные ниже формулу или таблицу. Параметрами для расчета требуемой мощности являются размеры трубы, толщина изоляции и температура окружающей среды.

где:

D, м – диаметр трубы с изоляцией,

d, м – диаметр трубы,

π – константа (3,14),

L, м – длина трубы,

tвн, °C – требуемая температура внутри трубы,

tнар, °C – температура окружающей среды,

λ, Вт/м°C – коэффициент теплопроводности термоизоляции, для современных материалов обычно равен 0,04-0,06,

1,3 – коэффициент запаса.

Некоторые значения логарифмов:

D/d

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

ln (D/d)

0,18

0,34

0,47

0,59

0,69

0,79

0,88

 

ПРИМЕР

Трубу с водой диаметром 1 дюйм с наружной изоляцией 30 мм необходимо защитить от замерзания, используя нагревательный кабель. Длина трубы – 13 м. Наружная температура -25°С, внутренняя +5°С, Δt = 30°С.

 

Данные для расчета:

D = 86 мм, d = 26 мм, L = 15 м, tвн = +5 °С,

tнар = –25 °C, λ = 0,05 Вт/м°C.

Подставляя все значения в формулу, получим расчетные теплопотери:

 

Требуемая мощность на 1 м трубы составит 174 Вт / 17 м = 10,3 Вт/м.

Для данного примера можно выбрать нагревательный кабель:

Вариант 1: Nexans TXLP/2R 17 Вт/м, 300 Вт, 17,6 м, или TXLP/1 17 Вт/м, 300 Вт 17,6 м;

Вариант 2: Hemstedt BR-IM 17 Вт/м, 300 Вт, 18,5 м;

Вариант 3: Nexans DEFROST PIPE 10 10 Вт/м;

Вариант 4: Hemstedt Hem 10 10 Вт/м.

В таблице ниже показана зависимость теплопотерь труб различных диаметров от толщины изоляции и разности температуры между поверхностью трубы и наружным воздухом.

Для этой таблицы  λ  теплоизоляции равно 0,05 Вт/м°С.

Стрелки в таблице показывают принцип нахождения теплопотерь одного метра трубы (согласно “Данным для расчета” из Примера).