Время замерзания воды в трубе: как считать
При остановке движения вода в трубе остывает, а затем начинает замерзать; В.2.7 СП 61 считает допустимым замерзание 25 % объёма — до этого лёд не рвёт трубу. Баланс: тепло, накопленное водой и стенкой (m·c·(t_в − t_з)), плюс скрытая теплота замерзания четверти воды (0,25·m·r, r = 334 кДж/кг) равны теплу, отданному через изоляцию за время остановки Z при стационарных потерях q, посчитанных по средней температуре остывания. Отсюда Z — или, наоборот, толщина изоляции под заданное время Z (формула В.34е решается подбором).
Пример: водопровод DN 32 (42,3×3,2) с водой 5 °C на воздухе -20 °C, ППУ 30 мм (λ 0,029), α = 26, K = 1,2. В метре трубы 1,01 кг воды, теплоёмкость воды и стали 5,66 кДж/К; средние потери за остывание 5,4 Вт/м. Время до замерзания 25 % воды — 5,8 ч (точный расчёт с экспоненциальным остыванием и теплотой льда даёт 6,3 ч), причём до 0 °C вода остывает за 1,5 ч, а 75 % времени уходит на само замерзание — теплота льда в 80 раз больше теплоёмкости на градус. Голая труба замёрзнет за 20 мин.
Изоляция не спасает надолго: чтобы простоять 12 ч при -20 °C, DN 32 потребует 117 мм ППУ, 100 мм дают 11,2 ч. Поэтому для остановок дольше рабочей смены трубу греют кабелем или опорожняют: изоляция лишь растягивает время реакции. Для больших диаметров запас больше — теплоёмкость растёт как d², а потери — медленнее.
Время до замерзания 25 % воды по диаметру и толщине ППУ (5 → 0 °C, -20 °C, ветер 10 м/с)
Метод В.2.7 (стационарные потери при средней температуре); K = 1,2.
Коэффициенты теплоотдачи (табл. В.2)
На ветру α в 2,5–5 раз выше, чем в помещении.
Коэффициент дополнительных потерь через опоры (табл. В.1)
Учитывается и при расчёте времени остановки.
Теплоизоляционная конструкция должна обеспечивать параметры теплохолодоносителя при эксплуатации, нормативный уровень тепловых потерь оборудованием и трубопроводами, безопасную для человека температуру их наружных поверхностей.— СП 61.13330.2012, п. 4.1
Как считать и что проверить
- Считайте на расчётную зимнюю температуру района (СП 131, наиболее холодная пятидневка), а не на среднюю — замерзание происходит в самую холодную ночь.
- Учитывайте стенку трубы: у стальной DN 32 сталь добавляет четверть теплоёмкости, у пластиковой — почти ничего.
- Малые диаметры замерзают в разы быстрее: у DN 15 воды в метре в 7 раз меньше, чем у DN 40, а потери — лишь вдвое ниже.
- Если требуемое время больше 8–12 ч — закладывайте греющий кабель с термостатом или слив; изоляция толще 100 мм на малых трубах непрактична.
Остальные режимы — на страницах серии ниже и в полном калькуляторе теплоизоляции трубопровода; расходы и потери контуров — в гидравлике системы отопления, подогреватели — в расчёте теплообменника.
- СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» (актуализированный СНиП 41-03-2003, с Изм. № 1) — нормы плотности теплового потока (табл. 2–12), коэффициент района (табл. 13), температура поверхности (6.7), методы расчёта (прил. В), расчётные λ материалов (прил. Б). Минрегион России, Минстрой России. 2012. ↗ ссылка
- СП 131.13330 «Строительная климатология» — среднегодовая температура, температура отопительного периода и расчётная зимняя для района строительства. Минстрой России. 2020.
- ГОСТ 10704-91 «Трубы стальные электросварные прямошовные. Сортамент» и ГОСТ 3262-75 «Трубы стальные водогазопроводные» — наружные диаметры и стенки по DN. Госстандарт. 1991.
- Incropera F. P., DeWitt D. P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer — теплопроводность цилиндрической стенки, критический диаметр изоляции, нестационарное остывание. Wiley. 2011.
