АРМИРОВАННАЯ ГИПСОПОЛИСТИРОЛБЕТОННАЯ СМЕСЬ КАК ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ТРУБОПРОВОДОВ ТЕПЛОВЫХ ПУНКТОВ

Полный текст

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

Об авторах

Александр Петрович Свинцов

Инженерная академия Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: svintsovap@rambler.ru

доктор технических наук, профессор департамента архитектуры и строительства Инженерной академии

ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

Марат Тахирович Гусамов

Инженерная академия Российский университет дружбы народов

Email: gmt94@mail.ru

магистрант департамента архитектуры и строительства Инженерной академии

ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

Егор Евгеньевич Шумилин

Инженерная академия Российский университет дружбы народов

Email: svintsovap@rambler.ru

магистрант департамента архитектуры и строительства Инженерной академии

ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

Список литературы