REINFORCED GYPSUM-POLYSTYRENE CONCRETE MIX AS THE THERMAL INSULATION OF PIPELINES IN THE HEATING STATION

Abstract


Results comparison of efficiency of thermal protection of basalt fibers and gypsum polystyrene concrete. The thermal efficiency of the piping of the heating system depends on the thermal insulation. Effective heat protection to create the conditions to reduce losses of heat for heating of buildings.Thermal efficiency of protection depends on the physical properties of the material and the thickness of the insulation layer. The optimum thickness of thermal insulation is an important element in the rational use of materials and thermal energy.Thermal protection must ensure the surface of the insulation temperature of not more than 45 °C if the coolant temperature is over 100 °C. Thermal protection must ensure the surface of the insulation temperature of not more than 35 °C if the coolant has a temperature below 100 °C.Heat insulating material based on gypsum polystyrene concrete created at the RUDN University. Crushed or granulated polystyrene can be used for the production of this material. The material has a density of 300 kg/m3. Strength under axial compression is an average of 0.6 MPa. Coefficient of thermal conductivity equal to an average of 0,074 W/(m °C).Calculation and comparison of the effectiveness and cost of the thermal protection of various materials are presented. This material is more than six times less thermal insulation made of basalt fiber.The use of plaster polystyrene for thermal insulation of pipelines and equipment of calorific points to successfully solve the problem of decrease in losses of heat at operation of heating systems.


ВведениеДля снижения потерь тепловой энергии и температуры наружных поверхно- стей трубопроводов тепловых пунктов до безопасного значения их поверхности покрывают слоем тепловой изоляции.В настоящее время выпускаются разнообразные теплоизоляционные матери- алы, обладающие различными характеристиками (теплоизоляционные свойства, срок службы, стоимость и др.). На российском рынке представлен большой ас- сортимент теплоизоляционных материалов, которые обладают низкой теплопро- водностью, механической прочностью, низкой коррозионной активностью и другими свойствами (табл. 1) [8].Теплоизоляционные материалы [Insulation materials]Таблица 1Теплоизоляционные материалыСредние значения коэффициентов теплопроводностиВулканитовые изделия0,077Известково-кремнистые материалы0,058Перлитоцементные изделия0,058Стеклянная вата0,575Минеральная вата0,465Пенопласты0,445Пенополиуретановые материалы0,032Жидкие теплоизоляционные покрытия0,0012В Российском университете дружбы народов разработан состав для получения армированной гипсополистиролбетонной смеси. Разработанный состав позво- ляет получать простым способом гипсополистиролбетонную смесь с равномерным распределением гранул по объему и с минимальными усадочными деформация- ми, не расслаивающуюся и не схватывающуюся в течение прогнозируемого вре- мени, достаточного для транспортировки от места ее приготовления и затворения до места ее укладки и изготовления изделия.В результате исследования установлено: прочность на осевое сжатие по сред- ним значениям составляет от 0,28 МПа до 4,22 МПа, а коэффициент теплопро- водности - от 0,073 до 0,30 Вт/(м °С) в зависимости от средней плотности гип- сополистиролбетона.Разработанная гипсополистиролбетонная смесь может быть использована для производства теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных эле- ментов различного назначения.Тепловая изоляция трубопроводов теплоснабжения как фактор энергосбереженияПовышение эффективности функционирования трубопроводов тепловых се- тей в значительной степени зависит от сокращения тепловых потерь. Одним из важнейших направлений теплосбережения является использование эффективных теплоизоляционных материалов. В работе [2] показано, что применение совре- менных теплоизоляционных материалов дает возможность существенно повысить эффективность энергосбережения при теплоснабжении. Вопросам теоретиче- ского и экспериментального исследования тепловой изоляции трубопроводов с применением скорлуп из пенополиуретана и других изоляционных покрытий посвящены исследования [3; 10; 11; 13]. Показано, что одной из важнейших при- чин повышенных тепловых потерь может быть некачественная теплоизоляция трубопроводов. Многочисленные натурные измерения позволяют выявить на- рушения целостности теплоизоляции в процессе эксплуатации тепловых сетей. Теплоэнергетическая эффективность тепловой изоляции зависит от ее физических свойств и толщины [4; 5; 12; 14; 18]. Увеличение толщины теплоизоляционного слоя позволяет существенно сократить тепловые потери и снизить стоимость по- лезно используемой тепловой энергии. Важным элементом обеспечения энерге- тической эффективности трубопроводов тепловых сетей является устройство тепловой изоляции с оптимальной толщиной ее слоя. В работах [1; 16] представ- лены результаты сравнительного анализа эффективности применения различных теплоизоляционных материалов. Выявлено, что жидко-керамическая тепловая изоляция, имеющая коэффициент теплопроводности в пределах 0,001 Вт/(м °С), характеризуется высокой стоимостью, низкой технологичностью нанесения на трубопровод, низкой механической прочностью и износостойкостью. Методика расчета теплоизоляции представлена в работах [6; 19], где показано, что при про- ектировании необходимо использовать СП «Тепловые сети» и СП «Тепловая изо- ляция оборудования и трубопроводов», которые являются взаимосвязанными. Эффективность функционирования трубопроводов зависит от материала их те- плоизоляции [7]. В качестве теплоизоляционного материала предложено исполь-зовать газобетон на основе жидкого стекла, модифицирующих добавок, дробле- ного и молотого боя стекла, алюминиевой пудры и гидроксида натрия. Отмечено, что теплоизоляция предложенного состава отвечает требованиям пожарной без- опасности, долговечности и надежности. Ключевым параметром, определяющим величину линейных тепловых потерь трубопроводом в окружающую среду, явля- ется коэффициент теплопроводности тепловой изоляции [8]. Сравнительный анализ эффективности стекловаты и минеральной ваты на основе базальтового волокна позволяет считать, что при одной и той же толщине теплоизоляционно- го материала удельные тепловые потери теплоты для базальтовой минеральной ваты меньше [9].Тепловую изоляцию подбирают для обеспечения заданной плотности тепло- вого потока. В отсутствие требований к величине теплового потока теплоизоля- цию подбирают как средство, предохраняющее обслуживающий персонал от ожогов.Анализ источников научно-технической информации показывает, что гипсо- полистиролбетон не используется в качестве теплоизоляционного материала для трубопроводов в тепловых пунктах. При этом его теплотехнические характери- стики и относительно невысокая стоимость способны составить конкуренцию минеральной вате из базальтового волокна.Армированная гипсополистиролбетонная смесь как теплоизоляционный материал трубопроводов теплоснабженияДля трубопроводов, арматуры, оборудования и фланцевых соединений пред- усматривают тепловую изоляцию, обеспечивающую температуру на поверхности теплоизоляционной конструкции, расположенной в рабочей или обслуживаемой зоне помещения, для теплоносителей с температурой выше 100 °С - не более 45 °С, а для теплоносителей с температурой ниже 100 °С - не более 35 °С. Для обеспечения надлежащей теплоизоляции трубопроводов, фитингов и оборудо- вания, работающих в этих условиях, целесообразно использовать соответствую- щие теплоизоляционные материалы.В настоящее время в практике проектирования и эксплуатации тепловых сетей применяют различные теплоизоляционные материалы отечественного и зару- бежного производства. В рамках решения задачи импортозамещения в Россий- ском университете дружбы народов разработан теплоизоляционный материал на основе гипсополистиролбетона, обладающий эффективными теплотехнически- ми характеристиками, высокими технологическими свойствами укладки и низкой стоимостью [15]. Особенность разработанного материала заключается в том, что в качестве заполнителя может быть использован как гранулированный, так и дробленый полистирол, а время схватывания и твердения может быть отрегули- ровано под требования технологии укладки в формы. При плотности в среднем 300 кг/м3 прочность на осевое сжатие составляет в среднем 0,6 МПа, а коэффи- циент теплопроводности - 0,074 Вт/(м °С). На рисунке 1 представлены образцы некоторых материалов, применяемых для теплоизоляции трубопроводов тепло- снабжения и оборудования в тепловых пунктах.Рис. 1. Образцы теплоизоляционных материалов:а) из базальтовой минеральной ваты; б) из гипсополистиролбетона плотностью D200 на вспененном гранулированном заполнителе; в) из гипсополистиролбетона плотностью D300 на дробленом пенополистироле[Samples of insulation materials a) from basalt mineral wool; b) of gypsum polystyrene concrete density on the D200 foamed granular filler; с) from gypsum polystyreneconcrete density on the D300 crushed Styrofoam]На рисунке 2 представлена диаграмма изменения коэффициента теплопрово- дности в зависимости от плотности гипсополистиролбетона.Рис. 2. Изменение теплопроводности гипсополистиролбетона в зависимости от его плотности [The change of thermal conductivity of gypsum polystyrene concrete depends on its density]Плотность гипсополистиролбетона зависит от его структуры и соотношения количества заполнителя и вяжущего. Увеличение матрицы цементного камня приводит к тому, что зерна заполнителя связаны более прочно с цементным кам- нем. Эта же матрица служит основным проводником при теплопередаче. С уве- личением плотности гипсополистиролбетона коэффициент теплопроводности увеличивается. Из диаграммы (см. рис. 2) видно, что для изменения коэффици- ента теплопроводности гипсополистиролбетона характерен значительный разбросзначений. Наименьший разброс данных наблюдается при средней плотности D200-D600 и D900-D1100 кг/м3. Образцам со средней плотностью D700- D800 кг/м3 свойствен значительный разброс значений коэффициента теплопро- водности. Это связано с большой неравномерностью распределения гранул в массиве цементного камня, несмотря на отсутствие расслоения смеси при фор- мировании образцов. В качестве теплоизоляционного материала для трубопро- водов целесообразно использовать гипсополистиролбетонную смесь плотностью до 300 кг/м3. Однако применение гипсополистиролбетона в качестве теплоизо- ляционного материала целесообразно при температуре трубопровода не более 105 °С.В рамках настоящего исследования выполнен сравнительный расчет тепло- технических характеристик теплоизоляции из гипсополистиролбетона (ГПСБ) и базальтовой минеральной ваты (БМВ) зарубежного производства, предлагаемых для теплоизоляции трубопроводов различного диаметра.По условиям охраны труда температура на поверхности тепловой изоляции трубопроводов, расположенных за пределами рабочей или обслуживаемой зоны, не должна превышать температурных пределов применения материалов покров- ного слоя, но не выше 75 °С. В соответствии с СП 41-103-2000 «Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов» из условия равенства плот- ности тепловых потоков: кондуктивного, проходящего через слой изоляции δиз, м, за счет разности температур tв - tп, и конвективного, уходящего с наружной поверхности, за счет разности tп - tн можно написать:-t tR L = в п R L ,(1)изгде RLп низ t - t н- линейное термическое сопротивление кондуктивному переносу теплотынцилиндрического слоя изоляции (м°С/Вт); RL - линейное термическое сопротивле- ние теплоотдаче наружной изоляции, (м °С/Вт); tв - температура внутренней среды,°С; tн - температура наружной среды, °С; tп - температура поверхности изоляции,°С.Температуру наружной среды tн при расположении изолируемого объекта в помещении принимают на основании технического задания на проектирование, а при его отсутствии - равной 20 °С.Исходя из требуемой температуры поверхности тепловой изоляции после не- сложных преобразований (1) формула для расчета толщины изоляции имеет видln B = lnd ст + 2δн из = 2πλнtв - tп R L .(2)dtст изнп - tнРешая уравнение (2), вычисляем значение В, которое подставляем в уравнение определения толщины слоя теплоизоляции:d ст (B -1)δиз = н .2(3)Результаты расчета представлены в табл. 2.Расчетная толщина теплоизоляционного слоя из гипсополистиролбетона и базальтовой минеральной ваты[The estimated thickness of the insulating layer from gypsum-polystyrene concrete and basalt mineral wool]Таблица 2Диаметр условного прохода, ммТолщина теплоизоляционного слоя при температуре теплоносителя90 °С70 °С60 °СГПСББМВГПСББМВГПСББМВ3228,693014,72309,88304029,023015,723010,35305031,063017,103011,11306533,823019,383012,54308034,263019,103012,90309034,003018,503013,003010031,323017,823012,423012531,923018,623011,973015031,003018,283012,723020036,133023,003015,333025036,853021,843016,383030035,753022,753014,6230В результате расчетов установлено, что для трубопроводов с температурой те- плоносителя 90 °С целесообразно использовать теплоизоляцию толщиной 37 мм, а для трубопроводов с температурой теплоносителя 70 °С - 23 мм, с температурой теплоносителя 60 °С - 16 мм.Определение ориентировочной стоимости материала теплоизоляции толщиной 35 мм для трубопровода диаметром dусл = 65 мм. Рыночная стоимость 1 м3 гипсо- полистиролбетона составляет 2700 руб. При объеме теплоизоляции 1 погонного метра трубопровода 0,0122 м3 его стоимость составляет 33 руб.Стоимость 1 погонного метра теплоизоляции из базальтовой минеральной ваты импортного производства толщиной 30 мм для трубопровода с диаметром dусл = 65 мм составляет 206,65 руб., что в 6,3 раза дороже теплоизоляции из гип- сополистиролбетона.Таким образом, разработанная армированная гипсополистиролбетонная смесь характеризуется не только необходимыми теплотехническими параметрами, вы- сокой технологичностью производства теплоизоляционных работ, но и суще- ственно дешевле зарубежного материала.ЗаключениеПри проектировании и эксплуатации тепловых пунктов большое внимание уделяют тепловой изоляции трубопроводов и оборудования, так как от этого в значительной степени зависит энергетическая эффективность их функциониро- вания. На российском рынке представлен обширный ассортимент теплоизоля- ционных материалов отечественного и зарубежного производства, которые об- ладают низкой теплопроводностью, необходимой механической прочностью, низкой коррозионной активностью и др.В результате исследования установлено, что для теплоизоляции трубопроводов и оборудования тепловых пунктов экономически целесообразно использование армированного гипсополистиролбетона, который более чем в 6 раз дешевле им- портной базальтовой минеральной ваты.Применение теплоизоляции на основе армированного гипсополистиролбето- на для трубопроводов и оборудования тепловых пунктов позволяет успешно ре- шать задачу импортозамещения в области эксплуатации систем теплоснабжения.© Свинцов А.П., Гусамов М.Т., Шумилин Е.Е., 2017

Alexander P Svintsov

Engineering Academy Peoples’ Friendship University of Russia

Author for correspondence.
Email: svintsovap@rambler.ru
Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198

Professor, DSc, Professor of the Department of Architecture & Civil Engineering

Marat T Gusamov

Engineering Academy Peoples’ Friendship University of Russia

Email: gmt94@mail.ru
Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198

graduate student of the Department of Architecture & Civil Engineering

Egor E Shumilin

Engineering Academy Peoples’ Friendship University of Russia

Email: svintsovap@rambler.ru
Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198

graduate student of the Department of Architecture & Civil Engineering

  • Birjuzova E.A. Povyshenie jenergojeffektivnosti teplovyh setej za schet primenenija sovremennyh teploizoljacionnyh materialov [Improvement of heat supply networks energy efficiency using modern insulation materials]. Regional’naja arhitektura i stroitel’stvo [Regional architecture and engineering]. 2013, no. 1. Pp. 62—66.
  • Valitov Sh.M. Innovacii v jenegosberezhenii [Innovations in energosberezhenii]. Intellekt. Innovacii [Intelligence. Innovation]. 2014, no. 4. Pp. 27—30.
  • Vytchikov Ju.S., Evseev L.D., Chulkov A.A. Povyshenie jeffektivnosti i dolgovechnosti teplovoj izoljacii truboprovodov sistem teplosnabzhenija s primeneniem skorlup iz ponopoliuretana [Improving the efficiency and durability of thermal insulation of pipelines of heat supply systems with application of shells from penopoliuretana]. Gradostroitel’stvo i arhitektura [Urban planning and architecture]. 2013, no. 2 (10). Pp. 90—93.
  • Galkin S., Zapasnyj V. Predposylki proektirovanija optimal’noj teplovoj izoljacii oborudovanija i truboprovodov [The prerequisites for the design of optimal thermal insulation of equipment and pipelines]. Nauka, novye tehnologii i innovacii [Science, new technologies and innovations]. 2009, no. 4. Pp. 16–18.
  • Degtjareva E.O. Optimizacija tolshhiny teplovoj izoljacii obogrevaemyh truboprovodov [Optimization of thickness of thermal insulation of a heated piping]. Promyshlennyj jelektroobogrev i jelektrootoplenie [Industrial electric heat tracing and heating]. 2012, no. 1. Pp. 42—47.
  • Eremeev V.E. K voprosu rascheta tolshhiny teplovoj izoljacii po zadannoj velichine snizhenija (povyshenija) temperatury veshhestva transportiruemogo truboprovodami [To the question of the calculation of thickness of thermal insulation for a given value of reducing (increasing) the temperature of the material transported by the pipelines]. Truboprovodnyj transport: teorija i praktika [Pipeline transport: theory and practice]. 2011, no. 3. Pp. 52—54.
  • Zajceva A.A., Zajceva E.I., Korovjakov V.F. Povyshenie jenergojeffektivnosti za schet teplovoj izoljacii truboprovodov [Energy efficiency through thermal insulation of pipelines]. Stroitel’nye materialy [Building materials]. 2015, no. 6. Pp. 42—44.
  • Karpov D.F., Pavlov M.V., Sinicyn A.A., Kaljagin Ju.A., Mnushkin N.V. Opredelenie kojefficienta teploprovodnosti teplovoj izoljacii na uchastke truboprovoda sistemy centralizovannogo teplosnabzhenija [Determination of the coefficient of thermal conductivity of thermal insulation on the pipeline of the district heating system]. Mehanizacija stroitel’stva [Mechanization of construction]. 2014, no. 9 (843). Pp. 30—34.
  • Koroli M.A. Povyshenie jeffektivnosti teplovoj izoljacii truboprovodov teplovyh setej na osnove teploizoljacionnyh materialov mestnogo proizvodstva [Improving the efficiency of thermal insulation of pipelines of heat networks on the basis of thermal insulating materials from local production]. Nauchnye itogi goda: dostizhenija, proekty, gipotezy [The scientific results of the year: achievements, projects, hypothesis]. 2015, no. 5. Pp. 143—148.
  • Kravchenko G.M. Sravnitel’nyj raschet tolshhiny teploizoljacionnogo sloja [Comparative calculation of the thickness of the insulating layer]. Izvestija Rostovskogo gosudarstvennogo stroitel’nogo universiteta [Proceedings of Rostov state construction University]. 2012, no. 16. Pp. 52—54.
  • Kuznecov G.V., Ozerova I.P., Polovnikov V.Ju., Cygankova Ju.S. Ocenka fakticheskih poter’ tepla pri transportirovke teplonositelja s uchetom tehnicheskogo sostojanija i real’nyh uslovij jekspluatacii teplovyh setej [Assessment of the actual heat losses during transportation carrier subject to the technical condition and the real operation conditions of heat networks]. Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov [Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Engineering of geo­resources]. 2011, v. 319, no. 4. Pp. 56—60.
  • Kuznecov Ju.S., Kalashnikov V.I. Teplovaja izoljacija kak osnova jenergosberezhenija [Thermal insulation as the basis of energy saving]. Vestnik Volzhskogo regional’nogo otdelenija Rossijskoj akademii arhitektury i stroitel’nyh nauk [Bulletin of the Volga regional branch of the Russian Academy of architecture and construction Sciences]. 2011. no. 14. Pp. 88—91.
  • Lebedeva E.A., Kocheva M.A., Kol’chatov E.Ju., Gudkov S.A. Jenergosberegajushhie tehnologii pri jekspluatacii TJeCi teplovyh setej [Energy saving technologies during operation of the HEE and thermal networks]. Privolzhskij nauchnyj zhurnal [The Privolzhsky scientific journal]. 2013, no. 4 (28). Pp. 68—72.
  • Muranova M.M., Shhjolokov A.I. Primenenie sovremennoj teplovoj izolcii dlja truboprovodov. Sloistaja teploizoljacija [Application of modern thermal salcii for pipelines. Layered insulation]. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Serija: Tehnicheskie nauki [Vestnik of Samara state technical University. Series: Technical Sciences]. 2012, no. 2 (34). Pp. 165—169.
  • Patent 2577348 Rossijskaja Federacija, MPK S04V 38/08, S04V 28/04, S04V 28/14, S04V 28/16, S04V 111/20. Armirovannaja gipsopolistirolbetonnaja smes’ [Reinforced gypsum polystyrene concrete mix]. A.P. Svintsov, Masri Gazi Haled Sarib, L.G. Kalashnikova, N.A. Egorova. № 2014148875/03; zajavl. 04.12.2014; opubl. 20.03.2016; Bul. № 8. 11 p.
  • Petrikeeva N.A., Cheremisin A.V., Kopytin A.V. Zadacha tehniko­jekonomicheskoj optimizacii pri opredelenii tolshhiny teploizoljacionnogo sloja teplosetej [Objective technical and economic optimization when determining the thickness of the insulating layer of the heating]. Nauchnyj vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturno­stroitel’nogo universiteta. Stroitel’stvo i arhitektura [Scientific Herald of the Voronezh state University of architecture and construction. Construction and architecture]. 2016, no. 1 (41). Pp. 21—28.
  • Smetanina M.O., Zhirgalova T.B. Metody jenergosberezhenija pri proektirovanii teplovyh setej [Energy saving techniques in the design of thermal networks]. Jenergo­ i resursosberezhenie v teplojenergetike i social’noj sfere: materialy Mezhdunarodnoj nauchno­tehnicheskoj konferencii studentov, aspirantov, uchenyh [Energy and resource saving in heat power engineering and the social sector: materials of International scientific­technical conference of students, postgraduates, scientists]. 2014, v. 2, no. 1. Pp. 285—292.
  • Tolstova Ju.I. Proektirovanie teplovoj izoljacii truboprovodov sistem teplosnabzhenija [Design of thermal insulation of pipelines of heating systems]. Santehnika, otoplenie, kondicionirovanie [Plumbing, heating, air conditioning]. 2014, no. 1 (145). Pp. 56—57.
  • Shojhet B.M. Proektirovanie teplovoj izoljacii truboprovodov teplovyh setej [Design of thermal insulation of pipelines of heat networks]. Jenergosberezhenie [Energy saving]. 2015, no. 1. Pp. 50—57.

Views

Abstract - 647

PDF (Russian) - 110

PlumX


Copyright (c) 2017 Svintsov A.P., Gusamov M.T., Shumilin E.E.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.