Применение новых теплоизоляционных материалов

Тепловые сети – наиболее ответственный и технически сложный участок систем теплоснабжения и всего городского хозяйства. Необхо-

димость соблюдения нормативных потерь тепла, высокие рабочие тем- пературы и давление теплоносителя определяют повышенные требова- ния к теплопотерям и безопасности сетей теплоснабжения.

Применение традиционных материалов (минваты) и традиционных технологий при прокладке и ремонте тепловых сетей приводит к необ- ходимости полной замены труб и теплоизоляции через 10–15 лет и большим потерям при транспорте тепла.

В настоящее время разработаны и применяются в практике тепло- снабжения новые энергосберегающие технологии и материалы, которые снижают теплопотери в 2–3 раза по сравнению с нормативными и удли- няют срок эксплуатации до 30 лет. При этом не только улучшаются тех- нологические свойства теплопроводов, но и снижается стоимость про- кладки, а также появляется возможность бесканальной прокладки.

 

Рис. 4.4.1. Сравнительная характеристика трубопроводов с различными

видами теплоизоляции

На графиках (рис. 4.4.1) даны сравнительные характеристики тра- диционной тепловой изоляции (минваты) и новых теплоизоляционных материалов: армопенобетона (АПБ) и пенополиуретана (ППУ).

Применяемый для теплоизоляции двухкомпонентный пенополиу- ретан имеет следующие характеристики:

• среднюю плотность по всей длине трубы – не менее 80 кг/м³;

• прочность на сжатие – 0,4–0,6 Н/мм²;

• влагопоглощение – не более 10 % по объему;

• объемную долю закрытых пор – не менее 88 %;

• теплопроводность при 20 °С – не более 0,03 Вт/(м·К).

ППУ изоляция на стальные трубы наносится в заводских условиях с помощью специальных заливочных машин или методом напыления непосредственно на тело трубы. Стальная труба и слой пенополиурета- на надежно защищены от влаги оболочкой из тонкостенной полиэтиле- новой трубы.

При надземной прокладке применяется оболочка из оцинкованной стали. Места стыков труб изолируются готовыми пенополиуретановы- ми скорлупами, покрываемыми затем специальной полиэтиленовой термоусаживающейся пленкой или термоусаживающимися манжетами с заливкой в них компонентов ППУ на месте монтажа.

Институтом ВНИПИЭнергопром (ВНИПИТеплопроект) разработа- на и внедрена эффективная конструкция полимербетонной теплогидро- изоляции для теплопроводов различного назначения. Теплопроводы с такой изоляцией могут быть использованы для прокладки подземных (бесканальных и канальных) и надземных тепловых сетей, работающих в условиях воздействия температуры теплоносителя до 150 °С.

Полимербетонная теплогидроизоляция является моноконструкци- ей. В процессе ее изготовления образуется антикоррозионное покрытие (корка на трубе), основной теплогидроизоляционный слой и плотный наружный слой, обеспечивающий защиту изоляции от проникновения влаги, а также конструкции от механических повреждений при транс- портировке и монтаже.

Корковые слои и основной теплоизоляционный слой формируются одновременно в одной технологической операции.

Высокие физико-механические и антикоррозионные показатели полимербетонной смеси, а также возможность широкого направленного варьирования свойств обеспечивают надежную работу всего монослоя с трубой в различных гидрологических условиях.

Трудоемкой подготовки и очистки поверхностей труб, необходи- мой для нанесения антикоррозийных покрытий, при использовании по- лимербетонной изоляции не требуется.

Строительство тепловых сетей с изоляцией на основе полимербе- тонной смеси значительно проще применения изоляций из автоклавного армопенобетонна, битумоперлита, фенольного поропласта и других ма- териалов, используемых в отечественной и зарубежной практике.

Основные технические характеристики конструкции:

• объемная масса, кг/м³                                           450±50

• пределы прочности, МПа, не менее:

при сжатии                                                               1,5

при изгибе                                                                2,4

• адгезия к стальной трубе, МПа                           0,3–0,6

• термостойкость, °С                                                150–180

• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)              0,07

Теплоизоляция сварных стыков осуществляется в виде неразъем- ной муфты, предварительно устанавливаемой на трубопровод до сварки металлического стыка. Материал муфты выполнен из полиэтилена, об- ладающего способностью к термоусадке. После термоусадки стык до- полнительно приваривается к полиэтиленовым оболочкам сопрягаемых элементов. Схема установки стыков изображена на рис. 4.4.2.

Рис. 4.4.2. Схема установки теплоизоляции на стыке.

 

Сварка муфты и полиэтиленовой оболочки производится специ- альным сварочным трансформатором, а термоусадка муфты – газовой горелкой. Такая технология соединения оболочек предполагает долгий срок службы теплотрассы в целом.

Наиболее перспективной технологией получения теплоизоляцион- ного слоя является заливка его в полость между трубой и внешним по- крытием (рис. 4.4.3).

Рис. 4.4.3. Конструкция изоляции трубопровода заливочным пенополиуретаном:

1 – теплоизоляционный слой; 2 – дистанционная опора; 3 – отделка торцов; 4 – элемент покрытия; 5 – винт; 6 – герметик; 7 – отверстия для заливки ППУ;

т , d из d – диаметры трубопровода и изоляции; dиз – толщина изоляции

Теплопроводы являются сложными инженерными сооружениями, где, кроме основного элемента трубопроводов с большим количеством сварных стыков, теплотрасса имеет компенсаторы, опоры, арматуру и другие элементы, теплоизоляция которых представляет собой опреде-

ленную сложность. Сегодня эти проблемы решены, что позволяет сни- зить тепловые потери при транспорте теплоносителя.

К числу «неудобных» для тепловой изоляции элементов сети отно- сятся вентили. Их утепляют в основном двумя способами: полносборны- ми конструкциями и теплоизоляционными матрацами рис. 4.4.4 и 4.4.5.

Рис. 4.4.4. Изоляция фланцевого вентиля полносборными конструкциями:

1 – трубопровод; 2 – изоляция; 3 – диафрагма; 4 – опорное кольцо; 5 – вентиль; 6 – стойки; 7 – замок; 8 – бандаж; 9 – полуфутляр с теплоизоляционным слоем

Рис. 4.4.5. Конструкция изоляции клапана теплоизоляционными

матрацами:

а – общий вид изоляции; б – развертка матрацев;

1 – теплоизоляционная конструкция трубопровода; 2 – проволока латунная; 3,6 – крючки; 4 – матрацы; 5 – бандаж

Для внутриквартальных тепловых сетей сегодня разработаны гиб- кие трубопроводы ИЗОПЭКС (Санкт-Петербург) и ПРОФЛЕКС (Моск- ва), представляющие собой предварительно изолированную систему, конструкция которой включает в себя несущую трубу из модифициро- ванного полиэтилена, изолированную пенополиуретаном и наружной бесшовной гидрозащитной гофрированной полиэтиленовой оболочкой. Конструкция теплопроводов в однотрубном и двухтрубном исполнении представлена на рис. 4.4.6. Трубопроводы могут поставляться «бухта- ми». Это обеспечивает простоту и удобство транспортировки. Монтаж характеризуется значительным уменьшением количества или полным отказом от стыков соединений на трассе.

По сравнению со стальными трубами в ППУ изоляции, для про- кладки системы ИЗОПЭКС с двумя функциональными трубами ширина траншеи, а следовательно, и объемы земляных работ уменьшаются на 40 %.

Гибкость трубопроводов обеспечивает согласование практически с любыми условиями трассы.

Рис. 4.4.6. Трубы ИЗОПЭКС в одно- и двухтрубном вариантах

 

Создается возможность прокладки трубопроводов под существую- щими трубопроводами или в направлении, поперечном к существую- щим трубопроводам. Это особенно актуально для стесненных условий городской застройки, насыщенной подземными коммуникациями.

Благодаря гибкости конструкции упрощен монтаж: нет неподвиж- ных щитовых опор, компенсаторов, возможна любая конфигурация трассы, отсутствует сварка.

При проектировании тепловой защиты трубопроводов необходимо учитывать снижение теплотехнических свойств изоляционных материа- лов в процессе эксплуатации. На рис. 4.4.7 представлен график увели- чения теплопотерь в зависимости от срока службы теплопроводов. От- сюда видно, что современные теплоизоляционные материалы практиче- ски не подвержены старению, их теплоизоляционные качества не меня- ются со временем, но вместе с тем минераловатные и битумоперлитные материалы после 12–15 лет снижают свои теплотехнические характери- стики.

 

Рис. 4.4.7. График зависимости тепловых потерь бесканальными тепло- проводами d = 529 мм с изоляцией различного типа в зависимости от срока

эксплуатации (по данным ВНИПИТеплопроект – ВНИПИЭнергопром)

 

Для выбора материала и конструкции тепловой изоляции рекомен- дуется пользоваться табл. 4.4.1, 4.4.2, где проведено сравнение наиболее употребительных материалов по теплотехническим и эксплуатацион- ным свойствам.

Таблица 4.4.1

Характеристика различных типов изоляции

Наименование	Единица	Характеристика изоляции
показателя	измерения	ППУ	АПБ	MB	ППБ	ФП
Коэффициент теплопро- водности	Вт/(м·К)	0,033	0,05	0,05	0,07	0,058
Приведенные тепловые потери, факт / Q норм Q		1,0	1,6	1,6	1,7	1,6
Плотность, не более	кг/м3	95	200	100	400	110
Термостойкость норми- руемая	°С	150	180	300	150	180
Влагонасыщение	% за 30 сут.	6	70	70	6	70
Прочность на сжатие	МПа	0,4	0,8	-	0,5	1,2
Средний срок службы	год	25-30	10-15	8-10	25-30	5-10
Доля от общего количества проложенных сетей в мире (ориентировочно)	%	80	-	20	-	-
Доля от общего количества проложенных сетей в Рос- сии (ориентировочно)	%	8	Только в СПб	80	0,3	0,005

Условные обозначения:

ППУ – пенополиуретановая изоляция в оболочке из полиэтилена; АПБ – изоляция из монолитного автоклавного армопенобетона; MB – подвесная изоляция из минераловатных изделий;

ППБ – изоляция из пенополимербетона; ФП – изоляция из фенольного поропласта.

Таблица 4.4.2

Применение различных типов изоляции

Место применения	Использование изоляции
	ППУ	АПБ	MB	ППБ	ФП
Надземная прокладка	+	+	+	+	+
Прокладка в каналах	+	+	+	+	+
Бесканальная прокладка	+	+	–	+	+
Повороты при прокладке в каналах	+	+	+	+	+
Повороты при бесканальной прокладке	+	–	–	–	–
Запорная арматура в камерах	+	+	+	+	+
Запорная арматура без камер	+	–	–	–	–
Заливка стыков на трассе	+	–	–	+	+
Заделка стыков готовыми из- делиями	+	+	+	+	+

 

Пример 4.4.1. Сравните среднегодовое снижение температуры па- ра в конце паропроводов, проложенных в цехе и вне его на эстакаде и не имеющих внешнего влагоизолирующего слоя изоляции, при следующих исходных данных.

Параметры перегретого пара на входе в паропровод:

P ₁– давление;

t ₁– температура;

h 1 – энтальпия; v – удельный объем;

t s 1 – температура

насыщения;

c p   – удельная теплоемкость.

Скорость пара

w п.

Длина паропровода:

l 1 – длина паропровода, проложенного в цехе;

l ₂ – длина паропровода, проложенного вне цеха на эстакаде.

Диаметр паропровода D.

Среднегодовое количество осадков ос,мм Н.

Среднегодовая скорость ветра Среднегодовые температуры:

w в.

t вн – внутри цеха; нар 0 C t в<не°цеха.

Термическое сопротивление изоляции

Решение:

R из.

1. Рассматриваем паропровод, проложенный в цехе.

1.1. Определим удельный тепловой поток с поверхности паропро- вода     ₁: q

Пренебрегаем термическим сопротивлением металлической стенки паропровода:

q 1 =  t 1с-тн t;

R из

q 1 =

t 1в-н  t  ;

R из + 1

aк

В приближенных расчетах можно принимать температуру стенки внутри паропровода, равную температуре пара. Коэффициент конвек- тивной теплоотдачи для цилиндрических поверхностей диаметром до 2 м, расположенных внутри помещения рассчитываем по формуле:

aк = 8,1 + 0, 045 × (ст.н - вн). t   t

Решая совместно приведенные выше уравнения, определяем удель-

ный тепловой поток с 1 м²

паропровода

q 1 .

1.2. Определим температуру пара в конце паропровода:

1  1·

1; Q q F =

Площадь поверхности паропровода,

м2 :

F 1     D l 1=; p × ×

Q 1 G c p

(t 1вых t =

)×; ×

Расход пара в паропроводе, кг/ч:

G = 1

J1

× w п ×

p× D 2

.

4

Решая совместно четыре уравнения, определяем температуру пара на выходе из паропровода t вых.

Полученное значение

t вых сравниваем с температурой насыщения

пара t s 1 и делаем вывод о возможной конденсации пара.

2. Рассматриваем паропровод, проложенный вне цеха.

Так как паропровод проложен вне цеха и не имеет влагоизолирую- щего слоя изоляции, то на его поверхность будут попадать и испаряться осадки.

2.1. Определим количество осадков, попадающих на поверхность паропровода.

Считаем, что осадки попадают только на верхнюю половину паро- провода, следовательно, площадь, на которой происходит осаждение, равна:

осад2       . F      D l = ×

Объем осадков, попавших на паропровод:

осад   осад ос . V      FН =     ×

Среднегодовая удельная скорость (на 1м²) выпадения осадков:

U осад

= V осад ×rвод,

n × 3600 × F осад

где

rвод

плотность воды,

кг/м3 ;

n – число часов работы паропровода в году.

2.2. Определим удельный тепловой поток с поверхности паропро- вода     2. q

При среднегодовой температуре вне цеха нар 0 С° t

виде снега.

осадки будут в

Тепловой поток с поверхности паропровода будет складываться из теплового потока за счет конвекции и сублимации:

q =  t 1н-ар t

+ U   × r,

 

2осад субл1

R из + a

где

к

r субл – теплота сублимации льда при температуре

t нар;

Коэффициенты конвективной теплоотдачи для цилиндрических поверхностей диаметром до 2 м, расположенных вне помещения, рас- считываем по формуле:

к 10 6 в. w a = +

где

w в – скорость ветра, м/с.

Решая совместно последние два уравнения, определяем удельный

тепловой поток с 1 м²

паропровода

q 2.

2.3. Определим температуру пара в конце паропровода.

2   2 2. Q q F = ×

Площадь поверхности паропровода:

F ₂   D l =₂,p × ×

Q 2 G c p

(t 1вых t =

)×. ×

Расход пара в паропроводе, кг/ч:

G = 1

J1

× w п ×

p× D 2

.

4

Решая совместно последние четыре уравнения, определяем темпе- ратуру пара на выходе из паропровода t вых.

Полученное значение

t вых

сравниваем с температурой насыщения пара

t s 1 и делаем вывод о возможной конденсации пара.