CC BY
211
УДК 621.56
ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК, РАБОТАЮЩИХ НА ХЛАДОНЕ Ъ22
Л.В. Дуболазова; Н.В. Островская; В.Д. Чайка, Дальрыбвтуз, Владивосток
Проведен анализ и показана возможность замены традиционных теплоизоляций трубопроводов в холодильных установках, работающих на хладагенте И22, на трубопроводы, изготовленные из полимерных материалов по современным технологиям.
Трубопроводы холодильных установок находятся в более тяжелых условиях эксплуатации по сравнению с остальными элементами, так как они подвергаются вибрационным и пульсационным нагрузкам.
Обычно при проектировании трубопроводов устанавливают категорию линий, по которым предполагается перемещение того или иного вещества, и учитываются его рабочие параметры: температура, давление, концентрация. Начиная с 1974 г. проектирование и строительство холодильных установок любого назначения проводятся с использованием хладонов, главным образом хладона-22 (Р22).
Хладагент Р22 (дифторхлорметан СНР201) отличается высокой объемной холодопроизводительностью, негорючестью,
взрывобезопасностью, текучестью, при отсутствии влаги нейтрален к металлам. Хладон-22 широко используется в крупных и средних производственных холодильных установках. По своим термодинамическим свойствам дифторхлорметан близок к аммиаку.
Трубопроводы для транспортировки хладона обычно выполняют из углеродистых и легированных сталей. Особое внимание при проектировании уделяется выбору материалов для трубопроводов, работающих при низких температурах (ниже -30 °С), так как в этих условиях значительно понижается значение ударной вязкости для стали (от 4 до 12 раз), увеличивается хладоломкость чугуна и повышается хрупкость сварных швов [1].
В условиях атмосферного давления нормальная температура кипения Р22 равна -40,8 °С. В холодильных установках одноступенчатого и двухступенчатого сжатия используются температуры кипения до -40 -70
°С и температура конденсации до +55 °С. Такие температуры должны учитываться при выборе трубопроводов.
Нами исследована возможность замены традиционных металлических трубопроводов в холодильных установках на трубопроводы, изготовленные из полимерных материалов. Это, главным образом, замена трубопроводов, находящихся вне изолированных холодильных камер.
До настоящего времени выпускались трубопроводы из полипропилена, которые хорошо себя зарекомендовали для линий горячего водоснабжения.
Полипропилен (хостален, данлай, моплен, новолен, олеформ, поли-про, пропатен, профакс и др.) [—СН(СНз)—СН2—]п, термопластичный полимер; плотность 0,905-0,920 г/см ; температура плавления полипропилена 160 176 °С; предел прочности при
растяжении 24-40 МПа, относительное удлинение 200-800 %. Устойчив в воде и агрессивных неорганических средах (кроме сильных окислителей). Для полипропилена характерны высокая стойкость к многократным изгибам и к истиранию, сравнительно высокая ударная вязкость [(7-14)103 Дж/м2 по Изоду с надрезом]. Максимальная температура эксплуатации 120-140 °С. Широко применяется для изготовления волокон, пленок, труб, деталей машин, бытовых изделий, емкостей и др. [3].
Трубы из полипропилена выдерживают более высокие температуры, чем из полиэтилена высокой и низкой плотности, и поэтому применяются для подачи горячей воды, а также на водопроводах, работающих под давлением 10 МПа. По морозостойкости они значительно уступают полиэтиленовым трубам.
Полипропилен модифицированный (попролин ПОП). Получают введением в полипропилен сшивающего агента (щелочной сульфатный лигнин), пластификатора (диоктилсебацат, дибутилсебацат, дибутилфталат) и др. По сравнению с немодифицированным полипропиленом увеличены морозо- и теплостойкость, устойчивость к деструкции. Полипропилен, модифицированный добавками специального назначения, получают введением в готовый полипропилен функциональных групп и веществ, воздействующих на надмолекулярную структуру материала, а также созданием композиций с различными полимерными низкомолекулярными соединениями. Модифицирующие добавки: кремнийорганические соединения
(силиконовые жидкости, полиэтилсилоксановые смазки и т.п.), оксиды металлов (Т А1 и др.) [4].
В последнее время появились трубы из полипропилена, используемые как для холодного, так и для горячего водоснабжения, рассчитанные на давление 20 атм при t = 20 °С, давление 10 атм при t = 65 °С (давление на разрыв - 103 атмосферы). Также появились на отечественном рынке армированные трубы из полипропилена для горячего водоснабжения и отопления. Трубы рассчитаны на давление 25 атм при t = 20 °С, на давление 10 атм при t = 90 °С. Изготавливаются путем покрытия пластиковых труб алюминиевой фольгой толщиной 0,15 мм, затем наносится еще один слой полипропилена. Алюминиевая фольга снижает способность труб к расширению до уровня, сопоставимого с расширением металлических труб.
В системах холодного и горячего водоснабжения в качестве соединительных и переходных элементов системы трубопроводов
применяются фитинги из полипропилена обладающие всеми качествами данного материала, они просты и удобны при монтаже и транспортировке. Полипропиленовые трубы и фитинги уже используются в газовой, нефтяной, химической и энергетической отраслях промышленности.
Основными достоинствами полипропиленовых трубопроводов являются длительный срок службы трубопроводов (не менее 50 лет), полное отсутствие коррозии и зарастания сечения в процессе эксплуатации, полная герметичность сварных соединений, меньший (по сравнению с металлическими трубами) уровень шума потока жидкости, трубы не требуют покраски, материал труб экологически абсолютно безвреден. Большой выбор комбинированных деталей, запорной арматуры и крепления позволяют смонтировать любую монтажную схему, имеет возможность скрытой прокладки, заливки в бетон соединительных деталей. К достоинствам относятся простота и уменьшение срока монтажа трубопроводов в 5-7 раз по сравнению с металлическими трубами. Полиэтиленовые трубы в 2-4 раза легче стальных, они не боятся контактов с водой и агрессивными средами, стыковая сварка полиэтиленовых труб значительно дешевле, проще и занимает меньше времени. Полипропиленовые трубы прочнее стальных труб, не подвержены химической и электрокоррозии, не передают вибрацию и звуки, не разрываются при замерзании воды, не проводят блуждающие токи, устойчивы к воздействию кислот и щелочей, а также большинства агрессивных и токсичных жидкостей и газов.
Для изолирования холодильных трубопроводов применяют эффективные теплоизоляционные материалы, стойкие к различным видам увлажнения, с объемной массой от 20 до 250 кг/м3, с коэффициентом теплопроводности от 0,028 до 0,075 Вт/(мК). Применение этих материалов дает возможность создавать изоляционные конструкции небольшой толщины изоляционного слоя даже в том случае, если в трубопроводах циркулирует хладагент с довольно низкой температурой. В случае применения материалов с малой объемной массой (20-30 кг/м3) нагрузки изоляции холодильных трубопроводов, как правило, специально не рассчитывают. Применяемые подвески и опоры для трубопроводов свободно воспринимают и дополнительную нагрузку от изоляции.
Материалы, применяемые в качестве теплоизоляции:
- плиты из пенопласта полистирольного самозатухающего ПСБ-С (ГОСТ 15588-70). Его плотность 25-40 кг/м3, допустимая прочность
0,5-1,5 кг/см2, расчетный коэффициент теплопроводности 0,046 Вт/(мК);
- пенополиуретан эластичный предназначен для изоляции трубопроводов и аппаратов. Его плотность 30-40 кг/м3, расчетный коэффициент теплопроводности 0,045 Вт/(мК).
Холодильные трубопроводы и их арматура (вентили, фланцы) изолируют скорлупами (полуцилиндрами) и сегментами, которые
формуют в специальных матрицах или изготовляют из плит. На рис. 1 показана изоляция трубопроводов скорлупами и сегментами. На рис.2 показа изоляционная конструкция с применением только скорлуп из ПСВ-С. Для изготовления изоляционных элементов используются эффективные жесткие теплоизоляционные материалы.
Рис. 1. Изоляция трубопроводов скорлупами и сегментами:
1 - трубопровод; 2 - битум; 3 - изоляционные скорлупы;
4 - изоляционные сегменты; 5 - гидроизол; 6 - проволока;
7 - сетка металлическая; 8 - штукатурка; 9 - окраска за 2 раза
Рис. 2. Изоляция трубопровода скорлупами из ПСВ-С: 1 - холодильный трубопровод; 2 - труба, покрытая мастикой ЭГИК; 3 - изоляционные элементы трубы - скорлупа из ПСВ-С; 4 - крепежная лента ПЭ или ПХВ (липкая);
5 - покрытие изоляции (мастика ЭГИК); 6 - покрытие изоляции (фольгоизол);
7 - покрытие стыка - полоса фольгоизола; 8 - замок покрытия; 9 - фланцевая скорлупа; 10 - изоляционный элемент вентиля (скорлупа)
Холодильные трубопроводы можно изолировать и несвязанными сыпучими материалами волокнистого и зернистого строения (гранулами пенополистирола, пробковой крошкой и др.). Конструкция засыпной изоляции трубопровода приведена на рис. 3. В этом случае делают специальный каркас с надежной гидроизоляционной оболочкой.
Начиная с 1983 г. получил промышленное применение новый отечественный изоляционный материал, являющийся разновидностью
пенополиуретана, - рипор. Коэффициент теплопроводности его 0,029 Вт/(мК), водопоглощение не более 2 %, предел прочности при сжатии не менее 0,2 МПа, эффективен в диапазоне температур от +160 °С до достижимых низких температур. Рипором изолируют также
трубопроводы и холодильные теплообменные аппараты.
Экспериментальные исследования свидетельствуют о токсикологической безопасности рипора, что дает основание рекомендовать его к широкому внедрению в холодильное хозяйство [5].
Рис. 3. Засыпная изоляция трубопровода: 1 - трубопровод;
2 - каркас изоляции; 3 - минеральная вата; 4 - гидроизоляция
Трубопроводы для холодильных установок, работающие на Р22, с давлением до 16 кгс/см2 независимо от температуры относятся ко II категории. В холодильных установках используют Р22 в диапазоне рабочих температур -70 * +30 °С.
Скорости движения жидкости и газов в трубопроводах для фреона находятся в пределах от 0,1 до 18 м/с.
При проектировании трасс холодильных трубопроводов большой протяженности, не имеющих поворотов, которые компенсируют температурные деформации, следует предусматривать устройства специальных компенсаторов.
Тепловое удлинение Дх, мм, рассчитываемого участка трубопровода определяют по формуле
Дх = - • а- Дt / 100,
где - - длина рассчитываемого участка, м, а - коэффициент линейного расширения, составляющий для углеродистой стали от 1,1 до 1,3 мм/м х 100 °С, для легированной 1,6 до 1,8 мм/м х 100 °С; Дt - расчетная разность температур (начальная температура принимается равной 30 °С.
Возникающее усилие, кгс/см
Дх
а = Е— ,
I
где Е - модуль упругости, кгс/см2 (Е = 2,0106 кгс/см2); Дх, м.
Установка компенсатора необходима в том случае, если величина напряжения превышает 400-500 кгс/см2.
Изоляционная конструкция должна быть надежно защищена от увлажнения, механических повреждений и проникновении грызунов, что достигается зашивкой материала листами из оцинкованного железа.
Для изолирования холодильных трубопроводов применяют эффективные теплоизоляционные материалы, стойкие к различным видам увлажнения, с объемной массой от 20 до 250 кг/м3, с коэффициентом теплопроводности от 0,028 до 0,075 Вт/(мК). Применение этих материалов дает возможность создавать изоляционные конструкции небольшой толщины изоляционного слоя даже в том случае, если в трубопроводах циркулирует хладагент с довольно низкой температурой. В случае применения материалов с малой объемной массой (20-30 кг/м3) нагрузки изоляции холодильных трубопроводов, как правило, специально не рассчитывают. Применяемые подвески и опоры для трубопроводов свободно воспринимают и дополнительную нагрузку от изоляции.
Пароизоляционное покрытие расположено между ограждающей конструкцией и теплоизоляцией; ремонт без разрушения дорогостоящей теплоизоляционной конструкции невозможен.
Конструктивные особенности и условия эксплуатации ограждений холодильника вызывают необходимость применения высококачественных и долговечных материалов, обладающих
высокими гнилостойкими, водостойкими, морозостойкими и эластичными свойствами.
При расчете изоляции холодильных трубопроводов необходимо установить толщину изоляционного слоя, обеспечивающего предотвращение конденсации влаги из окружающего воздуха на ее поверхности, и определить теплоприток к холодильному агенту через изоляцию охлаждаемого трубопровода.
Паро- и гидроизоляционные материалы, применяемые в наружных ограждениях холодильников, предназначены для защиты теплоизоляционного слоя от увлажнения водяными парами наружного воздуха, проникающими в конструкцию вследствие наличия разности их парциальных давлений снаружи и внутри охлаждаемого помещения. На рис. 1 показана схема конструкции изоляции трубопроводов скорлупами и сегментами с паро- и гидроизоляционными элементами для предотвращения конденсации водяных паров и накопление влаги в теплоизоляционном слое.
При изолировании холодильных трубопроводов необходимо полностью исключить или свести до минимума возможность проникновения в изоляцию влаги как в виде паров из окружающего теплого воздуха, так и в виде капельной влаги от поверхностного конденсата или атмосферных осадков.
Библиографический список
1. Проектирование холодильных сооружений. Справ. / Под. ред. А.В. Быкова. М.: Пищ. пром-сть, 1978. 256 с.
2. Свердлов Г.З., Явнель Б.К. Курсовое и дипломное проектирование холодильных установок и установок кондиционирования воздуха. М.: Пищ. пром-сть, 1972. 384 с.
3. Химический энциклопедический словарь / Под ред. И.Л. Кнунянц. М.: Сов. Энциклопедия, 1983. 792 с.
4. Шефтель В.О. Полимерные материалы. Токсические свойства. Справ. Л.: Химия, 1982. 232 с.
5. Ионов А.Г. Судовые рефрижераторные установки. М.: Колос, 1993. 352 с.
