СРАВНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

В связи с особенностями погодных условий непрерывное обеспечение населения и индустрии тепловой энергией в Российской Федерации является важной проблемой в экономическом и социальном плане. В настоящее время отпуск тепловой энергии потребителям больших населенных пунктов, в основном, осуществляется и будет продолжать осуществляться от довольно мощных СЦТ (систем централизованного теплоснабжения), которые имеют в качестве источников тепла теплоэлектроцентрали или районные бойлерные. В современных системах централизованного теплоснабжения, наравне с источниками теплоты, тепловые сети обладают первостепенным значением в обеспечении потребителей теплом. Кроме того, они являются главным источником потерь и затрат тепловой энергии при транспортировке тепла и сетевой воды потребителям. В нынешних СЦТ присоединенные тепловые нагрузки составляют около 1000-2500 Гкал/ч. Протяженность тепловых сетей для транспортировки данной тепловой энергии должна быть сотни километров в двухтрубном исчислении. При заданной протяженности тепловых сетей издержки и затраты тепловой энергии на транспортировку сетевой воды составляют значительную величину. Так, по сведениям фирмы АО «Омск РТС», годовые теплопотери в сетях за 12 месяцев 2015 г. составили 956,4 тысячи Гкал при удельных затратах топлива на отпущенную тепловую энергию 155,2 кг/ Гкал. [4] В связи с этим, снижение теплопотерь может обеспечить большой энергосберегающий эффект, а также поможет снизить тарифную плату на тепловую энергию и затраты на топливо.

Изменение теплопотерь в сетях помимо экономии тепловой энергии при наличии надлежащих регуляторов на абонентских вводах приводит к снижению расхода воды в тепловых сетях, затрат электрической энергии на транспортировку теплоносителя, к изменению температуры в обратной линии, а также эффективности выработки тепла на теплоэлектроцентралях. [1]

В настоящее время главными видами теплопотерь в тепловых сетях России являются:

-потери через изолированные поверхности оборудования и трубопроводов;

-потери через тепловую изоляцию трубопроводов тепловых сетей.

Вследствие сильного воздействия тепло-влажностных и механических факторов окружающей среды, недостаточного интереса к монтажу, подбору изоляционных материалов и способов проектирования у теплоизолирующих конструкций в процессе эксплуатации снижаются теплозащитные свойства. Это ведет к существенным сверхнормативным потерям тепловой энергии и низкой степени энергосбережения в Российской Федерации. [2]

Самым действенным из современных энергосберегающих технологий представляется использование в качестве тепловой изоляции:

• Минеральной ваты
• Пенополиуретана (ППУ)
• Пенобетонов

К более эффективным и чаще всего используемым в теплосетях веществам относят также такие вещества как: армопенобетон автоклавного твердения, битумоперлит, асфальтокерамзитобетон, газосиликат, фенольные пенопласты и прочие материалы.

Наиболее популярным типом тепловой изоляции является ППУ изоляция. В основном пенополиуретановая изоляция пригодна при температуре теплоносителя 95⁰С и иногда до 140⁰С. ППУ изоляция применяется как эффективный и надежный материал для тепловой изоляции труб, поскольку у него низкая теплопроводность (0,019-0,09 Вт/м) и неплохие гидроизолирующие свойства. Пенополиуретан по своим тепловым характеристикам весьма превосходит иные теплоизоляционные материалы. Он имеет высокую плотность и высокие теплосберегающие показатели.

Таблица 1.

Технические характеристики пенополиуретана

Впрочем, кроме бесспорных плюсов, у пенополиуретана есть и отрицательные качества. К ним относится:

1. Отрицательное влияние УФ излучения может приводить к ускоренному износу материала. Чтобы теплоизолятор быстро не разрушался, необходимо в обязательном порядке предусмотреть его защиту. В качестве защиты может использоваться штукатурка, разнообразные панели или обычная краска.
2. ППУ представляет собой трудногорючий материал. Он имеет класс горючести Г-2. Это означает, что при высоких температурах горение не будет происходить, но материал начнет тлеть. Процесс быстро завершится, если теплоизолятор будет охлажден. Тем не менее, если процесс горения все же начнется- произойдет выделение сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ), являющихся главной причиной смертельного исхода людей при пожарах. Вследствие этого в подземных конструкциях трубопроводов с пенополиуретановой теплоизоляцией через каждые 300 метров устанавливают негорючие вставки из минеральной изоляции. [6]

В качестве теплоизолятора также широко используется и минеральная вата. Ее используют, в основном, для труб большого диаметра.

К классу минеральных ват согласно ГОСТ 52953-2008 относят: волокно из шлаков, стекловолокно и каменную вату.

Теплоизолятор из шлаковаты выполняется из доменных шлаков, длина волокон шлаковаты-16 мм, толщина от 4 до 12 микрон.

Во влажном помещении шлаки могут влиять на металлические поверхности, поскольку они имеют остаточную кислотность. Так как шлаковата хорошо впитывает влагу, она не применяется, например, для тепловой изоляции парилок, фасада дома и в качестве теплоизолятора для водопроводных труб. К тому же шлаковата считается достаточно хрупким материалом.

Волокна каменной ваты соизмеримы с волокнами шлаковаты. Но у данного теплоизолятора есть отличительное достоинство- он не колется. Работа с каменной ватой будет протекать более надежно и удобно, чем с теплоизолятором из шлака или стекловолокна. В настоящее время каменная вата является широко используемым видом минеральной ваты. [8]

Волокна стекловаты имеют длину от 15 до 50 миллиметров и толщину от 5 до 15 микрон. Они прочны и упруги, однако работу со стекловатой следует проводить аккуратно, поскольку хрупкие стеклянные нити могут проникнуть в кожу, в глаза, или они могут попасть в легкие, воздействуя на слизистые оболочки. Необходимо надевать защитный костюм, перчатки, очки и респиратор при работе с данным теплоизолятором.

Таблица 2.

Характеристики минеральной ваты

Одним из главных недостатков минеральной ваты является потеря теплоизоляционных качеств при нарушении целостности слоя изоляции, а также спресовывание ее под воздействием факторов окружающей среды. [7]

Пенобетонная изоляция

Опыт применения пенобетонной изоляции в нашей стране имеется достаточно давно. Начиная с послевоенных годов, она использовалась при прокладке тепловых магистралей. Изготовление пенобетонной изоляции осуществлялось различными методами, однако не все получили широкого применения, ниже представлены некоторые разновидности.

Пенобетонная изоляция, изготовленная автоклавным методом, представляет собой легкий изоляционный материал, получаемый путем приготовления пеномассы и последующего отвержения ее в кассетном автоклаве при давлении пара 8-10 кгс/см² в течение 11-14 ч.

Учитывая значительную хрупкость пенобетонной изоляции, ее армируют спиральным каркасом, располагаемым в наружной трети толщины изоляции.

После автоклава сушку пенобетона производят горячими газами при t=200 °С в течение суток.

Описанный способ не получил широкого распространения, так как пенобетон после автоклавирования был достаточно хрупок на изгиб, и при нарушении технологий погрузочно-разгрузочных работ, а также технологий укладки в пенобетоне появлялись трещины и сколы, приводившие к ухудшению его теплоизоляционных качеств.

Использование современных технологий, монолитного сверхлегкого пенобетона и опыта эксплуатации трубопроводов позволяет осуществлять заливку монолитного пенобетона прямо на смонтированный трубопровод. Это позволит решить фундаментальные проблемы пенобетонной изоляции- повреждения при укладке, исключив перегрузки и перетаскивание предизолированных труб и плетей.

Первоначально утепление производилось неавтоклавным газобетоном, получаемым из дорогостоящей сухой смеси. Однако обеспечить требуемую производительность было невозможно, так как трубы проходят высоко над землей, а использование насосов невозможно из-за схватывания состава в подающем трубопроводе. Заливка пенобетона производилась с земли в съемную пластиковую опалубку, выставленную на центраторах из пенобетона, после снятия которой пенобетон покрывался изолирующей лентой. При плотности пенобетона 300 кг/м³ и толщины его слоя в 140 мм испытания показали, что при температуре 300 ⁰С внутри трубы на наружной поверхности теплоизоляции трубопровода температура не превышала 14 ⁰С. При вскрытии через год - пенобетон набрал большую прочность, влажность не превышала 4 %, сохранилась хорошая адгезия к металлу, произошла пассивация металла, явившееся дополнительной защитой от коррозии. Такой способ изоляции сейчас не применяется, поскольку из-за гидравлического удара при резком открытии заслонок происходит трещинообразование в пенобетонной изоляции, хотя и при сохранении его теплоизолирующих свойств. [5]

В настоящее время производится теплоизоляция монолитным пенобетоном, заливаемым в несъемную опалубку из алюминиевых или металлических оцинкованных листов. Разработана конструкция наружной неметаллической изоляции. Следует отметить, что не только ни одна из вспененных пластмасс, но и базальтовая вата не годятся для утепления труб с теплоносителем, температура которого превышает 250 ⁰С, так как происходит разложение пропитывающего состава. В то же время, при необходимости, может применяться монолитный пенобетон, выдерживающий свыше 1200 ⁰С.

Характеристики различных изоляционных материалов представлены в Таблице 3.

Таблица 3.

Сравнительная характеристика пенобетона с другими изоляционными материалами.

Преимущества пенобетона. [3]

• Применение пенобетона возможно при наземном, канальном и бесканальном виде прокладки.
• Высокая допустимая температура применения. Использование пенобетонной изоляции возможно в водных и паровых сетях с температурой теплоносителя до +600°С
• Высокий предел прочности пенобетона на сжатие (не менее 0,4 МПа), позволяет осуществлять укладку труб в различных грунтовых условиях и различной глубине прокладки.
• Отсутствие коррозионного воздействия на стальные трубы и защита от коррозии.
• Долговечность пенобетона, соизмеряемая с расчетным сроком службы стальных трубопроводов (более 25 лет), что подтверждается многолетней эксплуатацией в теплосетях г. Санкт-Петербурга
• Пенобетонная изоляция является негорючим и экологически чистым материалом, что позволяет использовать его в проходных каналах, тоннелях, а также на территории промышленных предприятий с высокой пожароопасностью без принятия дополнительных мер безопасности.
• В пенобетонной теплоизоляции не требуется согласно СНиП41 –02 – 2003 ("Тепловые сети") установки системы дистанционного контроля влажности (ОДК).
• Монтаж пенобетонной изоляции непосредственно на теплотрассе позволяет сократить транспортные расходы и повысить качество выполняемых работ.

Рассмотрев основные используемые теплоизоляционные материалы, можем сделать вывод в пользу пенобетонной изоляции. Так как пенобетон обладает хорошими теплофизическими характеристиками, выгодно было бы использовать такой монтаж трубопроводов: использовать современную конструкцию трубы в пенополиуретановой изоляции, изготовленную по принципу «труба в трубе» и промежуток между внутренней рабочей (несущей) оболочкой и наружной защитной оболочкой заполнить пенобетонной смесью.

Рисунок.1 Пример готового участка трубопровода с пенобетонной изоляцией.

Поскольку пенобетон достаточно хрупок на изгиб (образуется провисание при укладке труб в траншею), возникает вопрос о проведении исследований по определению длины трубопроводов, выпускаемых в заводских условиях в зависимости от диаметра, а также изменение конструкции включением продольных ребер жесткости, влияющих на изгиб.

Пенобетонные смеси в отличие от полимерных материалов с течением времени только набирают прочность. Они обладают высокой термостойкостью, водостойкостью, повышенной долговечностью, а также возможностью применения для теплоизоляции трубопроводов с температурой теплоносителя 600°С и выше. Это подтверждается практическим применением данного типа изоляции как в нашей стране (г. Санкт – Петербург 1000 км сетей находится в эксплуатации более 25 лет, 1350 км примерно 15-25 лет), так и за рубежом (Дания).

При использовании пенобетонной изоляции существенно уменьшаются капитальные затраты на ремонт и обслуживание трубопроводов, поскольку пенобетонная изоляция имеет большой срок службы и, в отличие от минеральной ваты и пенополиуретана, не нуждается в защите от увлажнения.

Список литературы:

1. Байбаков С.А., Филатов К.В., Оптимизация толщин тепловой изоляции при проектировании теплопроводов тепловых сетей //«Новости теплоснабжения».- М: 2013. №2 (150)
2. Белых А.Ф., Фахрисламов Р.3., Проблемы снижения теплопотерь и обеспечение пожарной безопасности конструкций тепловой изоляции // Пожаровзрывобезопасность. – М: ООО "Издательство "Пожнаука", 2010. №7 С.22-28.
3. Иванов, Д. И. ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ТРУБОПРОВОДОВ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ ИЗ ПЕНОБЕТОНА И ВЕРМИКУЛИТА // Молодёжь и наука: Сборник материалов VI Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных [Электронный ресурс]. — Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2011. — Режим доступа: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2010/section2.html
4. Компания АО "Омск РТС" подвела итоги производственной деятельности за 12 месяцев 2015 года [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://lk.omskrts.ru/news/view/223/ (дата обращения 16.10.2017)
5. Лундышев И.А., ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ МОНОЛИТНОГО ПЕНОБЕТОНА ДЛЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ // ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ.- СПб:  Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", 2008. №1, С.38-41.
6. Свойства и характеристики пенополиуретана его достоинства и недостатки [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://srbu.ru/stroitelnye-materialy/81-penopoliuretana-harakteristiki.html(дата обращения 16.10.2017)
7. Теплоизоляция трубопроводов [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.sovbi.ru/ru/insulation_of_pipelines.php(дата обращения 16.10.2017)
8. Технические характеристики минваты [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://про-утепление.рф/технические-характеристики-минваты/ / (дата обращения 16.10.2017)