CC BY
47УДК 662.614.44
ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННОЙ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ. СЛОИСТАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ
М.М. Муранова, А.И. Щёлоков
Самарский государственный технический университет 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244 Е-шаП: Maria_muranova@list.ru
В статье рассматривается современное состояние системы теплоснабжения. Приведены примеры наиболее распространенных газов, которые можно использовать для заполнения пористой структуры в слоистом теплоизоляционном материале. Приведен пример расчета слоистого теплоизоляционного материала и его сравнение с аналогами.
Ключевые слова: теплопроводность, газонаполненная структура, теплоизоляция, теплоноситель.
Состояние теплоснабжающей системы Российской Федерации на сегодняшний день, можно утверждать, далеко от идеального. Существующие теплоснабжающие системы проектировались и создавались без учета возможностей, появившихся в последние 10-15 лет. Тепловые сети не соответствуют современным требованиям долговечности и надежности как по теплофизическим параметрам, так и по качеству строительных и теплоизоляционных конструкций и материалов теплопроводов, а значит, не обеспечивают нормативные значения тепловых потерь.
Целью имеющейся энергетической стратегии на период до 2030 г. является достижение научного и технологического лидерства России по ряду важнейших направлений, обеспечивающих ее конкурентные преимущества и национальную, в том числе энергетическую, безопасность [1].
Стратегическими задачами развития теплоснабжения являются:
1) повышение технического уровня систем теплоснабжения на основе инновационных, высокотехничных технологий и оборудования;
2) сокращение потерь тепловой энергии при транспорте тепла, достигающих 35 % от общего теплопотребления.
Пути решения поставленных задач:
1) приближение источников производства тепловой энергии к потребителю;
2) совершенствование тепловой изоляции теплопроводов.
В настоящее время получили широкое распространение предизолированные трубы для постройки тепловых сетей [2]. Предизолированные трубопроводы изготавливаются в заводских условиях, где в качестве теплоизоляционного материала используется вспененный пенополиуретан. По требованиям, предъявляемым к тепловой изоляции [3], в состав конструкции тепловой изоляции для поверхностей с положительной температурой в качестве обязательных элементов должны входить:
- теплоизоляционный слой;
- покровный слой;
- элементы крепления.
Материалы теплоизоляции и покровного слоя теплопроводов должны отвечать
Мария Михайловна Муранова, аспрант.
Анатолий Иванович Щёлоков (д.т.н., проф.), зав. кафедрой промышленной теплоэнергетики.
требованиям СНиП 41-03, норм пожарной безопасности и выбираются в зависимости от конкретных условий и способов прокладки.
Известно, что газы естественного или искусственного происхождения имеют низкие значения теплопроводности. Рассмотрим некоторые газы, которые наиболее доступны и распространены. Такими являются воздух, азот, диоксид углерода, продукты сгорания природного газа, гексан. Из табл. 1 видно, что коэффициент теплопроводности у диоксида углерода = 0,0162Вт / м ■ К , что в почти 1,5 раза
ниже, чем теплопроводность воздуха и азота при той же температуре (^=20°С = 0,026Вт / м ■ К и = 0,0253Вт / м ■ К).
Таблица 1
Зависимость коэффициента теплопроводности газов от изменения их температуры
Газы А-103, Вт/м ■ К Воздух Азот Диоксид углерода Продукты сгорания природного газа Гексан
Температура, °С
-50 19,7 20,16 10,9 - 147
-40 20,5 20,94 11,6 - 143
-30 21,3 21,72 12,2 - 141
-20 22,2 22,5 13,0 - 137
-10 23,8 23,35 13,7 - 134
0 24,36 24,24 14,6 22,7 129
20 26,04 25,3 16,2 24,4 121
40 27,88 26,7 17,7 26,1 117
60 29,32 28,1 19,2 27,8 110
80 30,96 29,5 20,7 29,5 104
100 32,016 31,44 22,7 31,2 97
120 33,98 32,16 23,8 32,9 92,3
140 35,36 33,42 25,4 34,7 87
160 36,74 34,7 27,0 34,4 82,2
180 38,12 35,9 28,6 38,8 77,7
200 39,28 37,39 30,8 40 -
Слоистая теплоизоляция представляет собой систему замкнутых герметичных пор, которые заполнены диоксидом углерода. Процесс приготовления материала представляет собой заполнение полимерного рукава (в данном случае это полиэтилен высокой плотности ПЭВП) диоксидом углерода, после чего рукав заваривается с образованием полусфер. После получения газонаполненной пленки ее можно применять как готовый материал для теплоизоляции трубопроводов. В зависимости от диаметра трубопровода и от температуры теплоносителя на трубопровод наносится нужное количество слоев теплоизоляции (рис. 1).
Благодаря герметичности каждой полусферы вся система пор устойчива к повреждениям. Слоистая теплоизоляция имеет закрытую ячеистую структуру, что обеспечивает высокую степень сопротивления к проникновению влаги (рис. 2).
Для обоснования выбора тепловой изоляции определим тепловые потери 1 м трубопровода с разными видами теплоизоляционных материалов.
Диаметр трубопровода ётр / = 273/259 мм, проложен на открытом воздухе
со средней температурой окружающего воздуха го = 10^ и со средней скоростью
движения теплоносителя га = 5м / с . По трубопроводу передается насыщенный пар с температурой х = 150°С .
Рис. 1. Схема нанесения слоистой теплоизоляции на трубу
Рис. 2. Схематичное изображение слоистой теплоизоляции
Слоистая тепловая изоляция состоит из 2 слоев и включает в себя три составляющих. Общая толщина теплоизоляционных слоев 5сти = 21,2мм :
- битум: 5бит = 2мм и Хбит = 0,47Вт / м • К;
- полиэтилен: 5пэ = 0,8мм и Апэ = 0,28Вт / м • К;
- углекислота: 5с02 = 8мм и Xсо^ = 0,014Вт /м • К .
Коэффициент теплопроводности стенки стальной трубы и толщина Xст = 58,2Вт / м • К, 5ст = 7мм . Наружный диаметр трубы вместе с изоляцией
Лн = Лтр + 5бит • 2 + 5пэ • 8 + 5со2 • 4; (1)
йн = 273 + 4 + 6,4 + 32 = 315,4мм.
Полное термическое сопротивление изолированного трубопровода рассчитывается по формуле
я = Я. + ян; (2)
(3)
где Ябит, Я1пэ, Ясо2 - тепловое сопротивление изоляции, в том числе ее составляющих: битум, полиэтилен высокого давления, углекислый газ;
Ян - тепловое сопротивление на поверхности изоляции.
1
ч Я-И ;
Пи = Пбит П1пэ ^ Псо2 ^ П23пэ ^ Псо2 ^ П4пэ ’
Я =
бит
2п ■ А
'бит
(4)
п =
бит
1
П1пэ =
2 ■ 3,14 ■ 0,47
Я1пэ =
1
1п— = 0,0492Вт / м ■ К;
273 1
2п ■ А
і йн
1п —-; й
(5)
2 ■ 3,14 ■ 0,28 277
97 Я (л
■ 1п----- = 0,0327Вт / м ■ К;
Ксо =---------------1-----------------1п ^; (6)
с02 2—— й
1 294 6
Ясо =------------------1п- = 0,6351Вт /м • К;
с02 2 • 3,14 • 0,014 278,6
а5„ = 2-— •1п *; (7)
2— • — й
1 297,8
Я =-------------1п------ = 0,1228Вт / м • К;
2 • 3,14 • 0,28 294,6
Ксо =—1— 1п —; (8)
2 2— • —пэй К>
1 313 8
Ксо =-------------1п------ = 0,5982Вт / м • К;
2 2 • 3,14 • 0,014 297,8
П,пэ = Т-1— ■ 1п ^; (9)
2— • —э й
К4пэ =------1------1п315,4 = 0,0289Вт / м • К.
4 2 • 3,14 • 0,28 313,8
Для расчета примем коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к воздуху ан = 20Вт / м • К [3]:
Кбит = ~Г » (Ю)
-^н • йн
Кбит =---------1------= 0,0504Вт / м • К.
3,14 • 20 • 0,3154
В этом случае полное термическое сопротивление будет равно Я = 1,4639 + 0,0504 = 1,5143Вт/ м • К.
Удельные тепловые потери через рулонную слоистую теплоизоляцию:
а =1^; (11)
к
140
а =-------= 92,45Вт / м • К.
1,5143
Сделаем расчет для наиболее распространенных теплоизоляционных материалов аналогичной толщины, что и СТИ, например, для пенополиуретановой изоляции (ППУ) и изоляции на основе минеральной ваты. Так, для ППУ-изоляции толщиной 8ппу = 20мм и коэффициентом теплопроводности —бит = 0,028Вт / м • К удельные тепловые потери составят дппу = 169,02Вт /м, а для минеральной ваты с 8мв = 20мм и —бит = 0,04Вт / м • К тепловые потери соответственно равны ямв = 235,24Вт /м .
По нормам [3] плотность теплового потока через поверхность изоляции оборудования и трубопроводов с положительными температурами должна соответствовать 91Вт / м при заданном диаметре трубопровода и заданной температуре теплоносителя. Подберем нужную толщину пенополиуретановой минераловатной изоля-
2
ции. Полученные значения занесем в табл. 2. В таблице приведено по два значения теплопроводности каждого материала, так как имеющиеся в литературе данные говорят о существенной разнице значений коэффициента теплопроводности одних и тех же материалов.
Таблица 2
Удельные тепловые потери материалов в зависимости от их толщины и коэффициента
теплопроводности
8, мм Пенополиуретановая изоляция 8, мм Изоляция на основе мине ральной ваты
Ь ппу = 0,028 Вт/м■К Ь ппу = 0,032 Вт/м■К ь ппу = 0,04 Вт/м■К ь ппу = 0,045 Вт/м■К
20 169,02 191,5 20 235,24 261,87
25 139,22 158,01 25 194,79 217,29
30 118,88 135,1 30 166,94 186,47
35 104,13 118,42 35 146,59 163,91
40 92,92 105,7 40 131,2 146,67
45 84,12 95,78 45 118,84 133,07
50 77,02 87,74 50 108,94 122,02
55 100,77 112,95
60 93,61 104,91
Таким образом, можно сделать вывод о целесообразности дальнейшего исследования, внедрения и использования слоистой теплоизоляции. Понятно, что заменить полностью все трубопроводы на надежные и современные технологичные конструкции в ближайшие время нереально, но стремиться к этому следует, а также необходимо строить новые магистральные трубопроводы и реконструировать старые.
БИБЛИОГРАФИЧЕКИЙ СПИСОК
1. Энергетическая стратегия России до 2030 г. Утв. Распоряжением Правительства РФ от 13.11.2009 №1715-р.
2. Вагин Г.Я. Экономия энергоресурсов в промышленных установках: справ.-метод. пособие / Г.Я. Вагин, Л.В. Дудникова, Е.А. Зенютич. - НГТУ, НИЦЭ. - Н. Новгород, 2001. - 296 с.
3. СНиП 41-03-2003. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов.
Статья поступила в редакцию 19 января 2011 г.
USE OF MODERN THERMAL ISOLATION FOR PIPELINES. LAYERED LAGGING
M.M. Muranova, A.I. Shchelokov
Samara State Technical University
244, Molodogvardeyskaya str., Samara, 443100
The current state of heat supply system is considered in the paper. The examples of the most common gases which can be used for filling the porous structure in the layered lagging are given. The calculation of the layered lagging and its comparison with the analogs is represented.
Keywords: thermal conductivity, gas-filled structure, lagging, heat transfer agent.
Mariya M. Muranova, Postgraduate student. Anatoly I. Shchelokov (Dr. Sci. (Techn.)), Professor.
