О преимуществах изделий в ППУ изоляции

О преимуществах изделий в ППУ изоляции, изготовленных с применением циклопентана

К.А. Шалыжин Наша компания специализируется на производстве труб и фасонных изделий с современной высокоэффективной тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой или стальной оцинкованной гидрозащитной оболочке для бесканальной прокладки новых и реконструкции действующих трубопроводов систем теплоснабжения.

Значительное внимание уделяется научному обеспечению производства. На предприятии работают исследователи доктора и кандидаты наук, постоянно выполняются разработки в области материаловедения, теории и практики сварочного производства, разработки методов повышения долговечности трубопроводных систем, повышения коррозионной стойкости и эксплуатационных характеристик выпускаемой продукции и совершенствования технологий ее изготовления на всех стадиях производства, в том числе и на стадии тепловой изоляции с использованием жестких пенополиуретанов.

Впервые жесткие пенополиуретаны были разработаны Отто Байером в Германии в лабораториях «I. G. Farbenindustrie» в начале 1940;х гг Первоначально их применяли для усиления авиационных деталей во время Второй мировой войны. В настоящее время два самых больших сегмента рынка жесткого пенополиуретана — это строительство и теплоизоляция.

Пенополиуретаны и родственные им пенополиизоцианураты составляют самую большую и наиболее универсальную группу жестких сшитых пенопластов. Оба типа образуются за счет экзотермических химических реакций из жидких, обычно с низкой вязкостью, исходных материалов. Изменение исходных материалов позволяет варьировать свойства пены для удовлетворения требований конкретных областей применения. Методы производства также могут различаться и включают непрерывное производство блоков или листов, формование, распыление и заливку на месте. тепловой изоляция пенополиуретан трубопровод Вспенивание жидкой смеси полиола и изоционата происходит за счет физикохимических процессов, в результате которых образуется газ. Когда жидкость пересыщается газом, начинают формироваться пузырьки, центрами которых являются диспергированный воздух или твердые частицы. Дополнительный газ диффундирует в растущие пузырьки. Согласно теории, равновесное давление в пузырьке обратно пропорционально его радиусу. Поэтому маленькие пузырьки соединяются с большими, образуя меньшее число больших ячеек. Изначально сферические ячейки растут, соприкасаются друг с другом и в конечном счете образуют деформированную, плотно упакованную структуру. По мере расширения ячеек между каждой их парой образуется пленка, а капиллярное течение заставляет жидкость затекать в треугольные тяжи или плоские стенки, формирующиеся из трех ячеек. Четыре тяжа соединяются, образуя каркас структуры пены.

В общих чертах пенополиуретан — это тетраэдрическая сетка тяжей, связанных с помощью пленок отделяющих отдельные ячейки. Тяжи придают пене механическую прочность; пленки отделяют ячейки, содержащие пары пенообразователя, и ограничивают прохождение паров через пену.

Полиуретановая пена образуется из жидкости, которая постепенно становится все более вязкой и, в конечном счете, гелеобразной.

Свойства жестких полиуретановых пен, как и всех композиционных материалов, зависят от их состава и структуры. Они не являются изотропными и однофазными, все свойства определяются формой и ориентацией ячеек пены.

Свойства полимерных пен сильно зависят от плотности или, другими словами, относительного количества полимерной и газовой фаз. Жесткие пенополиуретаны чаще работают на сжатие, а не на растяжение, но могут подвергаться также изгибающим или сдвиговым напряжениям. Для многих сфер их применения, например теплоизоляция, важны не прочностные показатели, а стабильность размеров и состав. Изменения, вызванные поглощением воды или диффузией газов в ячейки пены, могут серьезно повлиять на их свойства.

Широкое использование жестких пенополиуретанов в качестве теплоизоляции основано на низком значении их теплопроводности.

Большинство изоляционных пен состоит из закрытых ячеек, которые содержат пары инертных пенообразователей.

Теплопередача через конкретный пенополиуретан происходит с помощью радиации, конвекции внутри ячеек и проводимости через полимерную сетку, а также за счет проводимости пара. Теплопроводность является функцией не только состава газа, но также плотности пены и ее структуры. Радиационный компонент при этом составляет примерно одну четверть от значения общей теплопередачи.

Промышленные пены содержат, кроме вспенивателя, небольшое количество воздуха и СО₂. Содержание пара в ячейках пены стремится к равновесию с окружающей средой за счет диффузии воздуха внутрь, а пенообразователя — наружу из ячеек. Основные из ранее применявшихся пенообразователей — фреоны — способствуют истощению озонового слоя. В 1987 г. это послужило основанием к появлению запрета производства хлорфторуглеводородов, включая наиболее распространенный для пенополиуретанов пенообразователь CFC-11 (CFC13), тогда же был подписан международный договор, известный как Монреальский протокол по веществам, обедняющим озоновый слой [2]. Исследования по замене фреонов веществами с аналогичными технологическими характеристиками и парами с низкой теплопроводностью показали, что хлорфторуглеводород, углекислый газ, галогенуглеводороды отвечали многим требованиям, но все-таки обладают более высоким потенциалом обеднения озонового слоя либо являются «тепличными» газами, что беспокоит Европу и другие регионы, где особенно озабочены глобальным потеплением.

Юридические ограничения заставили европейских и американских производителей жестких пенопластов рассматривать другие альтернативные варианты. Большинство производителей жестких пенопластов, используемых в строительстве, сразу перешли на углеводородные пенообразователи, такие как пентан, циклопентан, изопентан, изобутан и их смеси, решив проблемы высокой горючести этих материалов и более высокой теплопроводности паров технологическими методами и переоборудованием производства.

Адаптация производства для выпуска пенополиуретана на циклопентановом вспенивателе как правило включает определенный комплекс организационных и методических решений. К ним относится оборудование производства специальными пенозаливочными машинами (рис. 2), организация безопасного хранения циклопентана и перемешивания его с полиолом, монтаж линий подачи подготовленного полиола к заливочной машине, предотвращение появления взрывоопасных воздушных смесей циклопентана, локализация зон возможного выделения циклопентана и оборудование их газоанализаторами, системами вентиляции и пожаротушения, замена электрооборудования на взрывобезопасное, обучение персонала.

Заливочные машины для водного или фреонового компонента не могут быть использованы для работы с циклопентаном. Циклопентановые заливочные машины имеют специальное исполнение и защиту следующих частей и узлов, находящихся в контакте с циклопентаном: взрывозащищенное электрооборудование и клапанные системы; система поддержания азотной среды в расходной емкости с компонентом; система заземления всех частей машины; сливной поддон под расходной емкостью с компонентом в комплекте с соответствующими датчиками уровня на случай пролива компонента; защитный бокс; система двухскоростной вентиляции бокса на случай аварийной ситуации.

Самостоятельное переоборудование водных пенозаливочных машин с целью модернизации при переходе на циклопентан не представляется экономически обоснованным, технически возможным и безопасным.

Трубы ППУ с теплоизоляцией на основе циклопентана обладают следующими преимуществами: уменьшенный коэффициент теплопроводности 0,027 Вт/(мК) в сравнении с пенами на основе водных вспенивателей — 0,033 Вт/(мК); более высокие адгезивные свойства к трубе и оболочке, стабильные теплофизические параметры пены на протяжении всего срока эксплуатации трубопровода (30 лет) соответствие требованиям экологии.

ГК «СМИТ» совместно с ОАО «ВТИ» провели исследования, целью которых было определение тепловых потоков, тепловых потерь, а также необходимых толщин ППУ изоляции для условий его производства на основе циклопентана при сохранении величины тепловых потерь для изоляции, по которой разрабатывался ГОСТ 30 732–2006. На основании поставленной цели исследований были сформулированы следующие задачи:

• 1. Расчет тепловых потоков при толщине тепловой изоляции в соответствии с ГОСТ 30 732–2006 при различной теплопроводности ППУ на основе СО₂ и циклопентана;
• 2. Расчет одинаковой для подающего и обратного трубопроводов толщины тепловой изоляции при тепловых потоках в соответствии с ГОСТ 30 732–2006, но при сниженном коэффициенте теплопроводности ППУ на основе циклопентана;
• 3. Расчет толщины тепловой изоляции на обратном трубопроводе с сохранением ее величины для подающего трубопровода при тепловых потоках из ГОСТ 30 732–2006 и сниженной величине коэффициента теплопроводности ППУ на основе циклопентана.

Для предварительно определенных условий расчета по поставленным задачам получены следующие результаты.

На рис. 4 представлены графики зависимостей суммарных тепловых потоков на подающих и обратных линиях теплотрасс от их диаметра и соответствующей ГОСТ 30 732–2006 толщине изоляции, выполненной из ППУ на основе СО₂ и циклопентана.

Как следует, снижение теплового потока при переходе на ППУ на основе циклопентана при той же толщине теплоизоляционного слоя составляет 7−9% по отношению к ППУ на основе СО₂. Это позволяет говорить об энергосберегающем эффекте в эксплуатационных условиях тепловых сетей при использовании усовершенствованной тепловой изоляции.

По второй задаче были получены зависимости необходимых толщин изоляции ППУ на основе СО₂ и циклопентана при одинаковых тепловых потоках, определенных по ГОСТ 30 732–2006 для ППУ на углекислотном вспенивателе.

Как следует из приведенного графика, имеет место снижение толщины теплоизоляционного слоя, в среднем на 12%, при меньшем коэффициенте теплопроводности материала и одинаковых тепловых потоках. Такое снижение отмечается для всех диаметров. При этом наибольшее снижение в процентном отношении (16,7%) соответствует наименьшим диаметрам, и его величина уменьшается до 10,3% при диаметре 1400 мм.

Полученное изменение толщин тепловой изоляции при одинаковой величине тепловых потоков дает возможность уменьшения необходимого количества теплоизоляционного материала и приводит к соответствующему снижению стоимости строительства или перекладки тепловых сетей.

По результатам расчетов третьей задачи, при снижении толщины на обратном трубопроводе для ППУ изоляции на основе циклопентана при одинаковой суммарной величине тепловых потоков произошло их перераспределение между подающим и обратным трубопроводами по сравнению с распределением при одинаковой толщине теплоизоляции.

Достигается снижение в среднем на 16% суммарной толщины тепловой изоляции для подающего и обратного трубопроводов по сравнению с их одинаковой толщиной для обоих трубопроводов. Такой результат позволяет говорить об экономии тепловой изоляции при прокладке трубопроводов тепловых сетей с тем же низким уровнем суммарных тепловых потерь.

Кроме того, полученное перераспределение тепловых потоков между подающим и обратным трубопроводами позволяет получить дополнительный энергосберегающий эффект при теплоснабжении за счет регулирования расхода теплоносителя, обеспечивающего снижение температуры в обратной линии на источнике тепла.

Представлены графики тепловых потерь, полученные с использованием методики, представленной в [3] для ряда типоразмеров труб по ГОСТ 30 732– — 2006 при бесканальной прокладке и следующих условиях эксплуатации: температурный график 130/70; коэффициент теплопроводности грунта — 1,5 Вт/м.^ОС; температура грунта — -5,8 ^ОС; продолжительность отопительного периода 215 сут.

Строительство теплотрасс с применением предварительно изолированных труб с ППУ на основе циклопентана позволяет дополнительно, на 13−18%, сократить тепловые потери по сравнению с углекислотной пеной.

Зная тариф на тепловую энергию, для указанных условий, несложно определить экономию денежных средств при эксплуатации конкретной тепловой сети.

• 1. По материалам сайта http://www.osoka.ru/help.htm.
• 2. Клемпнер Д. Полимерные пены и технологии вспенивания: Пер. с англ. /под ред. А. М. Чеботаря. — СПб.: Профессия, 2009.
• 3. Умеркин Г. Ф. Многослойная конструкция тепловой изоляции. По материалам сайта http://expo.mgsu.ru.
• 4. ГОСТ 30 732–2006. Трубы и фасонные изделия с тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной оболочкой. Технические условия. М., 2007.