XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Задача системы теплоснабжения бесперебойное снабжение потребителей требуемым количеством теплоты с требуемыми параметрами. Для повышения экономической эффективности и долговечности систем теплоснабжения при производстве и эксплуатации тепловых сетей необходимо уделять внимание теплоизоляции трубопроводов. Другие возможные энергосберегающие мероприятия рассматриваются в [1]. Она уменьшает потери теплоты на всей протяженности изоляции, защищает трубы от коррозии и не допускает высокой температуры на поверхности теплопроводов и оборудования. Важным недостатком теплоизоляции на существующих трубопроводах является гидрофильность (вода, проникающая в изоляцию, способствует коррозии поверхности труб). По СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети» на сегодняшний день рекомендованы следующие типы изоляции это - пенополиуретановая (далее ППУ) и пенополимерминеральная (далее ППМ).

Для сравнения и выявления лучшей теплоизоляции необходимо изучим объект исследования.

ППУ-является термореактивной пластмассой ячеистой структуры имеющего в своей структуре 3% твердого материала с фторхлорметаном в порах, располагаемых на «каркасе» твердого материала. Образуется в процессе смешивания двух жидких частей, полиола и полиизоционата.

ППМ- это пенополиуретан и введенный в него для придания механическом прочностиминеральный наполнитель (песок, зола и тд).

На рис. 1 изображена конструкция современных теплоизоляций ППУ и ППМ

Рис. 1 Конструкция труб с современной теплоизоляцией.

Конструкция труб с изоляцией ППМ: 1-Стальная труба; 2-внутренний антикоррозийный слой плотностью 300-400 кг/м³, толщиной 5-10 мм.; 3-теплоизоляционный слой плотностью до 200 кг/м³; 4-наружный уплотненный слой толщиной 10-15 мм, защищает от механических повреждений и проникновения влаги. [2]

Конструкция труб с изоляцией ППУ: 1-Стальная труба;2-теплоизоляционный слой от 100-750 мм плотностью от 60 кг/м³; 3-проводник индикатор системы оперативного дистанционного контроля (ОДК); 4- труба оболочка (и оцинкованной стали либо из полиэтилена) защищает от механических повреждений и влаги. [3]

Наиболее важными физико-механическими свойствами теплоизоляций является: теплопроводность (основным критерием которого является коэффициент теплопроводности) чем соответственно он ниже, тем меньше будет тепловых потерь; плотность, теплотехнические свойства ухудшаются при увеличении плотности; водопоглащение (увлажнение тепловой изоляции повышает коэффициент теплопроводности и способствует коррозии); предел прочности (для оценки сопротивления механическим повреждениям).

Оценка показателей представлена в таблице 1, согласно [2],[3],[4].

Таблица 1 Технические характеристики ППУ и ППМ

Наименование показателя	Единица измерения	ППУ	ППМ
Температура теплоносителя	°С	150	150
Плотность	кг/м3	От 60	От 270
Прочность при сжатии при 10%-ной деформации в радиальном направлении, МПа, не менее	Мпа	От 0,3	От 1,2
Теплопроводность при средней температуре 50 °С, не более	Вт/м°С	0,033	0,035(среднего слоя*)
Водопоглощение при кипячении в течение 90 мин, не более	% по объему	10	0,5 (только при полном погружении*)

Согласно испытаниям [10] значение адгезии значительно выше у ППМ, но необходимо учесть, что в структуре ППУ есть оцинкованная или ПЭ оболочка, в отличии от ППМ изоляции, которое представляет собой одно вещество с разным уровнем плотности на слоях. Вопрос прочности ППМ и ППУ рассматривается в [5], в ней, основываясь на исследованиях ОАО «Объединение ВНИПИэнергопром» «При нанесении удара, с энергией 14 Дж по корковому слою ППМ изоляции и ПЭ оболочке трубопровода в ППУ глубины повреждений ПЭ и коркового слоя ППМ изоляции вполне сравнимы (2-2,5 мм у ПЭ и 2,5-3 мм у ППМ)». То есть имея более высокую механическую прочность ППМ плохо воспринимает динамические нагрузки как и ППУ в ПЭ оболочке. Значит под дорогами ППМ и ППУ следует обязательно прокладывать в каналах или в футлярах.

Изучая вопрос теплопроводности разных типов изоляций необходимо учесть, что в таблице 1 приведена теплопроводность среднего слоя и разные источники пишут разный коэффициент теплопроводности для среднего слоя. Например, в статье [6] для ППМ теплопроводность составляет 0,044 Вт/м°С. По статье [7] и [8] можно определить теплопроводность других слоев ППМ. Для внутреннего она составит 0,04-0,05 Вт/м°С, для наружного она будет 0,05-0,07 Вт/м°С Итоговый коэффициент при средней плотности 270-320 кг/м³ варьируется около 0,045 Вт/м°С, что в полтора раза больше коэффициента теплопроводности у ППУ, при прочих равных условиях толщину ППМ придется увеличивать, чтобы достичь теплопроводности ППУ.

Судя по таблице нельзя сделать вывода о водопоглащении ППМ и ППУ. В качестве аргумента в пользу ППМ в этом вопросе в статье [5] ссылаются на эксперимент [8], где для исследования водопоглащения создали условия, которые не соответствуют реальным (условиям, когда влажность грунта выше влажности теплоизоляции). Необходимо проанализировать реальный процент влаги по объёму или массе в условиях эксплуатации, как это было сделано в статье [7] и [8], в них для ППМ получили 3,1% по массе после 6 лет эксплуатации и 4% после 20 лет. Для ППУ этот процент основываясь на эксперимент [9] составил не более 2%, где было закопаны теплотрассы ППУ без наружного слоя в условиях высоких грунтовых вод и эксплуатации равной 4 годам.

Чтобы оценить экономическую целесообразность, я возьму действующие цены на все составляющие отдельно для ППУ и ППМ и сведем результаты в Таблицу 2. Для примера была взята труба диаметром 57 мм.

Таблица 2 Стоимостные характеристики труб ППМ и ППУ

№	Стоимость Изоляции пог.м; руб	Стоимость отвода; руб	Стоимость неподвижной опоры; руб	Стоимость скользящей опоры; руб	Всего; руб
ППМ	1176	1753	6355	1755	11039
ППУ	1026	2331	6402	1402	11161

Исходя из таблицы цена примерно одинакова, но необходимо помнить, что для ППУ необходима система ОДК т.к. конструкция является герметичной. Также нет расчета изоляции стыков для ППУ (для ППМ изоляция стыка в три раза дешевле). Добавочно учитывая простоту ремонта ППМ при возможных механических повреждениях изоляции и дороговизну при повреждениях ППУ (при повреждении придется менять весь участок трубопровода) ППУ является более дорогостоящей чем ППМ изоляцией.

В итоге по физико-механическим свойствам в целом наблюдается перевес в сторону ППУ, при небольших разрывах в большинстве характеристик, он лидирует с большим отрывом в основном критерии теплоизолирующих материалов – теплопроводности. Несмотря на это ППМ не дооценен так как имеет простоту в эксплуатации и дешевизну. На данный момент магистральные сети укладываются в ППУ изоляции, а некоторые распределительные в ППМ.

Список литературы:

1. Корягин М.В. Энергосберегающие мероприятия в системах централизованного теплоснабжения / М.В. Корягин , М.М. Наумова// 19-й Международный научно-промышленный форум "Великие реки’2017": Труды конгресса. Т.3. Н.Новгород: ННГАСУ, 2017. С. 86-89.

2.ГОСТ Р 56227 «Трубы и фасонные изделия стальные в пенополимерминеральной изоляции.» 2014 г.- 24 стр.

3. ГОСТ 30732 «Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной оболочкой.» 2006 г.-44 стр.

4. Копко В.М. Теплоснабжение» / В.М. Копков // Москва ИАСВ 2012 г.-335 стр.

5. Силаев Д.А. ППУ и ППМ изоляции. Взгляд с другой стороны / Силаев Д.А. // Новости теплоснабжения № 7 (июль) 2009 г. 32-36 с.

6. Новиков И.Е. Особенности прокладки трубопроводов тепловых сетей в России – сегодняшние тенденции в повышении надежности теплоснабжения. / Новиков И.Е.// Новости теплоснабжения№ 6 (июнь) 2011 г. 42-46 с.

7. Мишина А.М. Теплоизоляционные свойства пенополимерминеральной изоляции. / Мишина А.М., Кулешов А.С., Силаев Д.А. // Новости теплоснабжения № 6 (июнь) 2008 г. 45 с.

8. Умеркин Г.Х. Исследование процессов высыхания пенополимерминеральнойтеплогидроизоляции. / Умеркин Г.Х // Новости теплоснабжения № 11 (ноябрь) 2005 г. 45-46 с.

9. Sallberg S.-E., Nilsson S., Bergstrom G. Leakage ways for ground-water in PUR-foam.10th Intern.Simposium on District Heating and Cooling 3-5 Sept. 2006, Hannover, Germany

10. Корнеев К.С. О качестве пенополимерной теплоизоляции и ее компонентов/ Корнеев К.С// Новости теплоснабжения №11 (ноябрь) 2013г. 36-40 с.

Код для цитирования: Скопировать