Повышение эффективности транспорта тепловой энергии зависит от решения актуальной задачи теплоэнергетики: совершенствование конструкций теплоизоляции для повышения ее эффективности, технологичности, расширения области применения и одновременного снижения затрат на изготовление и эксплуатацию.
Разработка новых конструкций и усовершенствование существующих является задачей оптимизации, в которой начальными условиями можно считать физические законы стационарной теплопередачи. Граничными условиями являются требования нормативных документов и условия безопасной и надежной эксплуатации теплопроводов в целом и конструкции теплоизоляции, в частности, как составной части системы теплоснабжения.
Величина потерь тепловой энергии при передаче по участку тепловой сети теплопередачей зависит от типа прокладки, материала и степени увлажнения изоляционных конструкций, температуры теплоносителя, температуры наружной поверхности изоляционной конструкции, теплопроводности и температуры грунта при подземной прокладке. На тепловые потери оказывает влияние совместная прокладка подающего и обратного трубопроводов тепловой сети.
Плотность теплового потока в аспекте нестационарной теплопередачи через поверхность одиночного трубопровода определяется по формуле:
где: λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙°С);
r – радиус-вектор, м;
t – температура, °С.
В общем случае распределение температур в неограниченном изолированном трубопроводе при нестационарной теплопередаче описывается системой дифференциальных уравнений, каждое из которых описывает распределение температуры в конкретном слое [1]:
• по толщине стенки трубы (2) :
• по толщине теплоизоляционного слоя :
• по толщине гидроизоляционного покрытия :
где: α – время, с;
a – коэффициент температуропроводности, м2/с;
R1 – внутренний радиус трубопровода, м;
R2 – наружный радиус трубопровода, м;
R3 – наружный радиус теплоизоляционного слоя, м;