Защита наружных трубопроводов

Время замерзания жидкости в трубе

Оценка для неподвижной жидкости в горизонтальном или вертикальном участке на открытом воздухе. Расчёт разделяет охлаждение до точки кристаллизации и последующее промерзание с ростом слоя льда.

естественная конвекция ветровой обдув тепловое излучение

Жидкость: вода
Труба: сталь
Изоляция: 50 мм

Расчётная схема

Положение трубы

Горизонтальная Вертикальная

Для свободной конвекции используется корреляция горизонтального цилиндра.

Геометрия

Труба и участок

Наружный диаметр трубы мм Толщина стенки мм Длина открытого участка м

Торцы и фитинги не учитываются. Для вертикальной трубы длина также задаёт характерный размер естественной конвекции.

Условия

Жидкость и воздух

Начальная температура °C Температура воздуха °C Скорость ветра поперёк трубы м/с

При нулевой скорости учитывается только свободная конвекция. Ветер принимается направленным поперёк оси трубы.

Теплозащита

Теплоизоляция

Материал Толщина изоляции мм Теплопроводность λ Вт/(м·К)

Расчётное значение λ = 0,040 Вт/(м·К). Для проекта используйте значение производителя при рабочей температуре.

Свойства трубы и жидкости Вода и углеродистая сталь выбраны по умолчанию

Жидкость

Тип жидкости

Температура кристаллизации °C Плотность кг/м³ Теплоёмкость Дж/(кг·К) Скрытая теплота кДж/кг Теплопроводность твёрдой фазы Вт/(м·К)

Для растворов гликоля задайте данные производителя. Их замерзание проходит в диапазоне температур, поэтому одноточечная модель будет приближённой.

Труба и наружная поверхность

Материал трубы

Теплопроводность трубы Вт/(м·К) Плотность трубы кг/м³ Теплоёмкость трубы Дж/(кг·К) Степень черноты оболочки ε

ε ≈ 0,9 для окрашенной или неметаллической поверхности; 0,05–0,2 для чистого алюминиевого кожуха.

Расчёт выполняется для постоянной температуры воздуха и неподвижной жидкости.

Результат

Запас времени до замерзания

—

Первые кристаллы — охлаждение до точки замерзания

Полное замерзание — от начальной температуры

Стадия кристаллизации — с учётом растущего слоя льда

Теплопотери в начале замерзания — —

Старт —

Первые кристаллы —

Полное замерзание —

Температурный профиль

Изменение температуры во времени

На участке кристаллизации температура постоянна, а доля льда растёт от 0 до 100%.

Начало кристаллизации: — Полное замерзание: —

Внутренний диаметр —

Масса жидкости —

Наружный диаметр изоляции —

Коэффициент теплоотдачи —

Температура поверхности —

Линейный коэффициент теплопередачи —

Показать расчётную модель

Границы применимости

Что важно учесть на объекте

Жидкость неподвижна

Циркуляция, подпитка и внутренние источники тепла не учитываются. Даже небольшой постоянный проток может заметно увеличить время.

Погода постоянна

Температура и ветер не меняются. Солнце, охлаждение ясным небом, осадки, снег и намокание изоляции в модель не входят.

Это инженерная оценка

Мостики холода на опорах, арматуре и стыках могут определить реальный момент замерзания раньше прямого участка.

Методика и источники исходных данных

Цилиндрическая теплопроводность трубы и изоляции рассчитывается по логарифмическому сопротивлению слоя.
Естественная конвекция — корреляции Черчилля—Чу для горизонтального цилиндра и вертикальной поверхности.
Ветровой обдув — корреляция Черчилля—Бернстайна для цилиндра в поперечном потоке.
Полное замерзание рассчитывается пошагово по балансу скрытой теплоты с сопротивлением растущего кольцевого слоя льда.
ASHRAE Handbook: теплоизоляция инженерных систем.
NIST: естественная конвекция около горизонтального цилиндра.
Churchill & Bernstein: цилиндр в поперечном потоке.