Технико-экономический анализ применения пенополиуретанов для теплоизоляции теплопроводов в ЖКХ и теплоэнергетике.

За последние годы резко возрос интерес специалистов к сокращению тепловых потерь и в первую очередь путем применения высокоэффективной теплоизоляции. В настоящее время во всем мире широко используется теплоизоляция труб тепловых се-тей пенополиуретаном (ППУ). Применение ППУ позволяет обеспечить безаварийное и эффективное теплоснабжение для трубопроводов в условиях канальной, бесканальной и воздушной прокладки в коммунальном хозяйстве, теплоэнергетике, пищевой, нефтяной и других областях промышленности.
Из известных в настоящее время теплоизоляционных материалов пенополиуретан имеет наименьший коэффициент теплопроводности: по теплоизоляционным свойствам он в 25 раз эффективнее кирпича силикатного, в 4.5 раза - гравия керамзитового, в 2 раза - плит из стеклянного штапельного волокна и минваты, в 1.5-1.7 раза - пенополистирола.
Многолетний зарубежный и отечественный опыт показывает, что трубы в тепловой изоляции из ППУ полной заводской готовности не имеют альтернативы. ППУ - самый универсальный, постоянно совершенствуемый полимерный материал,особенно эффективен для теплоизоляции труб,в которых циркулирует хладоноситель с температурой до минус 200С и теплоноситель до плюс 160С. При сочетании пенополиуретана с другими материалами и сопутствующем конструктивном решении возможна теплоизоляция трубопроводов с температурой теплоносителя до 500-600 С.
Практика показала,что при температуре теплоносителя до +110С и наружной температуре до минус 25C достаточно покрытия из ППУ толщиной всего 45 мм даже при воздушной прокладке трубопровода.
Самыми крупными потребителями полиуретановых материалов являются: Западная Европа, США, Япония.
Так, при общей емкости рынка ППУ в США в 1996 г. в объеме 2086,6 тыс. тонн, наибольшая доля падала на жесткие пенополиуретановые изоляционные плиты, использование их в строительстве составило 561.1 тыс.тонн (27%), а в мировом потреблении - 0,7 млн.тонн (41%) - как технический изоляционный материал, в т.ч. теплоизоляция труб.
Доля использования жестких пенополиуретанов на Российском рынке составляет 36%. Для примера приведем данные по емкости Российского рынка.
Емкость Российского рынка пенополиуретанов ( в тыс.тонн) Таблица 1
 
Показатель
1997 г (факт)
1998 г (факт)
1999 г (факт)
Производство
21.1
18.2
21.9
Экспорт
1.7
1.7
1.7
Импорт
14.5
12.5
12.5
Внутренний рынок
33.9
29.0
32.7
 
Из данных, приведенных в таблице 1, очевидно, что импорт полиуретановых материалов довольно высок и составляет порядка 68% и дальнейшее развитие Российского товарного рынка будет определяться в основном химической индустрией.
Новочебоксарское ОАО "Химпром" является одним из немногих в стране производителей комплектующих для полиольных компонентов ( полиэфиры, катализаторы и т.д.) и имеет собственную базу конфекционирования систем.
Опыт работы на рынке более 15 лет. Имеет собственный исследовательский центр.
Выпускаемые нами полиольные компоненты предназначены для широкого круга потребителей. Они используются для теплоизоляции строительных конструкций (напыление, скорлупы, предизолированные трубы с наружным гидрозащитным слоем), а также в машиностроении - бытовые и промышленные холодильники, рефрижераторы, автофургоны, танк-контейнеры и т.д.
ОАО "Химпром" является единственным в России производителем высокоэффективных антипиренов для ППУ - трихлорпропил (этил) фосфатов.
За последние годы в ОАО "Химпром" проведены исследования по созданию нового поколения полиольных компонентов на базе простых полиэфиров, не уступающих по качеству импортным, но в тоже время более дешевым.
Эти компоненты позволяют получать пенопласты и конструкции с широким спектром специальных свойств, например, теплохладостойкостью от - 150 до + 200 С, пониженной горючестью, высокой механической прочностью. Получены положительные результаты в разработке высокоэффективных рецептур на основе дешевых сложных полиэфиров.
В связи с решениями Монреальского протокола на ОАО "Химпром" разработаны и выпускаются новые марки полиольных смесей и на озонобезопасном фреоне - 141В, взамен фреона - 11. Разработаны смеси на циклопентане, подготовлено производство бесфреоновых систем.
Разработанные в ОАО "Химпром" полиольные компоненты напылительного и заливочного типов позволяют получать ППУ с коэффициентом теплопроводности от 0.019 до 0.035 Вт/мК при плотности от 32 до 400 кг/м3.
Этот уникальный материал исключительно долговечен, не менее 30 лет на трубах с температурой поверхности до +150 С и 100 лет в строительных конструкциях.
Работая в контакте с авиационной и космической промышленностью мы получили материал, стойкий к синусоидальной вибрации при непрерывном изменении частоты от 50 до 2500 ГЦ с ускорением от 2g до 15g в течении длительного времени, выдерживающий ударные нагрузки.
Тепловая изоляция на основе пенополистирола или минераловатных плит под воздействием влаги, быстро теряет механические свойства и утрачивает свои теплозащитные свойства. Пенополиуретан практически не насыщается влагой (н/б 1-3 % объемн.), но в тоже время "дышит" т.е. пропускает избыток влаги, содержащийся в помещении в окружающею среду. Имеет оптимальное значение паропроницаемости, благодаря этому нет необходимости в дополнительной пароизоляции конструкции, не подвержен воздействию плесени, не повреждается грызунами, что позволяет обеспечивать в помещениях комфортные санитарно-гигиенические условия. Жесткий пенополиуретан стоек к воздействию нефтепродуктов, ароматических углеводородов, масел, спиртов, а также кислот, щелочей (кроме концентрированных). Он выполняет роль антикоррозионного покрытия при величине адгезии к металлу, бетону, стеклу, древесине не менее 2-3 кг/кв.см.
Производимые на ОАО "Химпром" компоненты и изделия имеют г игиенический сертификат, разрешающий их использование для теплоизоляции жилых помещений, транспортных средств, морских судов, танк-контейнеров, рефрежираторов, холодильников и т.д.
Кроме основной деятельности ОАО "Химпром" по выпуску комплектующих смесей для производства ППУ теплоизоляции, инновационный центр нашего объединения разрабатывает и успешно внедряет технологии труб с предизолированным слоем, а также скорлуп.
Известно, что к настоящему времени износ теплоизоляции систем теплоснабжения во многих регионах России приблизился к критическому уровню до 50-75%. По различным оценкам, потери тепловой энергии в трубопроводах систем центрального теплоснабжения составляют до 60% общих "ненормативных" тепловых потерь. Как показывает технико- экономический анализ, проблема энергосбережения в теплоэнергетике и ЖКХ России не может быть решена в перспективе без широкого использования ППУ теплоизоляции. Это обусловлено прежде всего высокой теплоизолирующей способностью ППУ. Благодаря низкому значению влагопоглощения, пенополиуретановая изоляция на основе фреоносодержащих полиольных систем обеспечивает сверхнормативное снижение потерь (в 1.3-1.5 раза), а по сравнению с увлажненной минераловатной изоляцией в 8-10 раз.
В апрельском номере журнала "Новости теплоснабжения" помещена статья В.С.Слепченок и В.Н.Рогова, в которой авторы произвели оценку величины экономического эффекта и возможности применения при строительстве и реконструкции тепловых сетей, проложенных подземным бесканальным способом, труб, теплоизолированных пенополиуретаном (ППУ), фенольным поропластом (ФП), армопенобетоном (АПБ), армопенобетоном улучшеным (АПБ-У), вспученным вермикулитом (ИТ), сополимербетоном (ПБИ), вспененным полиэтиленом (ВПЭ), и минеральной ватой (МВ).
Авторы на основании анализа различных нормативов, регламентирующих использование теплоизоляционных материалов для бесканальной прокладки теплопроводов, а также выполненных технико-экономических расчетов, исходя из расчетных значений годового экономического эффекта от замены старых трубопроводов тепловых сетей диаметром 159 мм, сделали вывод о предпочтительности использования при подземной бесканальной прокладке тепловых сетей в следующей последовательности: теплоизоляция из ППУ, ФЛ, АПБ-У. В таблице 2 приводится результаты технико-экономического анализа теплоизоляционных конструкций тепловых сетей диаметром 159 мм.
Мы произвели аналогичные расчеты, дополнив табл.2 (см.столбец 8) данными, характерными для выпускаемых ОАО "Химпром" полиольных компонентов Полиур 100, с использованием в качестве вспенивателя хладона 141В.
Из анализа данных следует, что производителям предизолированных трубопроводов, с особой тщательностью следует подходить к оценке возможности использования бесфреоновых полиольных компонентов (см. столбец 8), поскольку, при кажущейся дешивизне этих систем (на 10-15% ниже фреоносодержащих), они обладают целым рядом недостатков.
Таблица 2
 
Ед.изм.
АПБ
АПБ-У
ФЛ
ИТ
ПБИ
ППУ
б/ф
ППУ
F-141B
Коэффициент теплопроводности
Вт/мК
0.115
0.07
0.058
0.07
0.08
0.038
0.026
Толщина теплоизоляции Ду
Мм
75
75
50
80
50
40
40
Плотность теплового потока при t-90 С в прямом трубопроводе т/сети
Вт/м
79.4
55.8
56.7
55.3
81.4
43.5
29.79
Плотность теплового потока при t-50 С в обратном трубопроводе
Вт/м
42.1
29.53
30
29.3
48.1
23
15.75
Нормы плотности теплового потока для прямого и обратного трубопроводов, при t-90/50С
(изм №1 СниП 2.04.14-88)
Вт/м
42/17
42/17
42/17
42/17
42/17
42/17
42/17
Удельные (на 1 км теплопровода) годовые потери энергии
Гкал/км год
414.4
291.4
295.35
304
424.7
226.1
154.86
Экономия затрат за счет снижения тепловых потерь
Тыс. руб/км
22.8
36.4
35.9
35
21.3
43.5
63.51
Стоимость прокладки 1 пм трубопровода т/сети K
Руб/м
281.6
281.64
227.6
-
-
336.14
336.14
Срок службы трубопровода T
Лет
15
15
10
11-12
25
30
30
Экономический эффект от использования средств, оставшихся после отказа от приобретения трубопроводов теплоизолированных ППУ
Тыс. руб/км
0.77
3.4
8.34
-
-
-
-
Суммарный годовой эффект
Тыс. руб/км
4.8
21
21.74
-
-
30
43.8
Производство смесей для трубной изоляции развивалось в плане вспенивателей по трем направлениям:
-фреоновое (11, 141В, 365, 345);
-водное
-водно-фреоновое.
Считавшееся наиболее дешевым и перспективным направление водного вспенивания после накопленного практического опыта (Бельгия, Германия) по эксплуатации трубопроводов показало низкую долговечность теплоизоляции по сравнению с нормируемыми показателями. Во- вторых, ППУ на их основе имеют значительно более высокую теплопроводность из-за наличия в парах СО2 (0.03 - 0.038 Вт/мК). В-третьих, для придания пенопласту большей теплостойкости расходуется значительное количество полиизоцианата до соотношения 1:1.9 (создание изоциануратной структуры).
Наиболее оптимальными по нашему мнению являются смеси с добавками ,увеличивающими теплостойкость и использующие в качестве вспенивателя F-141В (разрешен к применению до 2005-2010 г) самостоятельно или в смеси с водой.
Такой смесью является Полиур 100 м С, С/1, С/2, позволяющая получать термостойкий материал различной общей плотности от 55 до 105 кг/м3 (в сердцевине 50-90) при соотношении компонентов А:Б=1:1.5.
Полученный в промышленности пенопласт, обеспечивал коэффициент теплопроводности в пределах 0.025 - 0.027 Вт/мК и расчетную долговечность (согласно стендовым испытаниям ВНИИСТ - метод ВНИИПИ Энергопрома) 30 лет.
Мониторинг изменения свойств тепловой изоляции смеси Полиур 100 мС ДУ-700 в условиях естественного хранения и ДУ-325,820 в реальных условиях эксплуатации в течении 3-х наблюдаемых лет не выявил изменения параметров (табл.3).
Таблица 3
Изменение свойств тепловой изоляции смеси Полиур 100 мС ДУ-700
в условиях естественного хранения и ДУ-325, 820 в условиях эксплуатации
Показатель, метод испытания
Условия, срок (месяцы)
Норма по ТУ 576431-005-01297959-99
Не более суток после изготовления
Реальные условия эксплуатации
Хранение на открытой площадке (дождь,снег,УФ)
12 месяцев
18 месяцев
24 месяца
1
Внешний вид
Соответствует
Соответствует
Соответствует
Соответствует
Соответствует
мелкоячеистый материал от кремового до желто-коричневого цвета
2
Кажущаяся плотность, кг/м3
106-105
110
120.5
123.2
109
н/м 80
3
Разрушающее напряжение при сжатии, кПа(кг/см2)
1100 (1.2)
975-1355 (9.9-13.8)
1149 (12.3)
1623 (16.5)
999.6 (10.19)
н/м 400 (4)
4
Теплостойкость по Вика при нагрузке 10 Н, С
215-210
190-195
195
222
210
н/м 150
5
Водопоглощение за 24 часа,% по объему
0.62-1.13
0.65-0.8
1.13
0.96
1.24
н/б 3
6
Коэффициент теплопроводности,Вт/мК
0.031
0.03059-0.03116
0.026
0.026
0.02366-0.02426
н/б 0.032
Из таблицы 3 можно сделать вывод о том, что со временем наблюдается небольшое упрочение, уменьшение водопоглощения, другие параметры остаются практически без изменений. Показано также, что распределение свойств ППУ-изоляции по диаметру и длине трубы равномерное.
Марки отличаются между собой плотностью готовых изделий от 55 до 105 кг/м3 по всему объему, что позволяет использовать ту или иную марку при наземной прокладке или канальной или бесканальной прокладке.
Выбор технологии получения изготовления трубной теплоизоляции.
Существует в основном 4 способа получения трубной теплоизоляции из пенополиуретана:
- "труба в трубе"
- напыление на трассе и в стационарных условиях
- изготовление скорлуп с последующей сборкой
- получение теплоизоляции в форме с последующей гидроизоляцией.
Каждый из способов имеет свои преимущества и недостатки. Рассмотрим основные из них.
Теплоизоляция "труба в трубе".
Реализовано на "Мосфлоулайне" (г. Москва), Твери, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и на др.предприятиях.
Преимущество: легкость при изготовлении и транспортировке.
Недостаток: дороговизна, требует собственного производства полимерной трубы (дорогие экструдеры), требует контроля за процессом увлажнения.
Нет ясных представлений о преимуществе полиэтиленовой оболочки. Полиэтиленовая оболочка не только не обеспечивает 100% защиты теплоизоляции от влаги, но напротив влага, проникнувшая к поверхности стальной трубы, например, через дефект в гидроизоляции сварочного стыка оболочки в момент снижения температуры теплоносителя, не имеет возможности испариться и в условиях повышенной влажности интенсифицирует коррозию стальной трубы.
По данным ОАО "ВНИИПИЭнергопром", опубликованным в 1998г., при использовании конструкции "труба в трубе" обязательным является наличие дорогостоящей системы постоянного электронного контроля за увлажнением и ежегодная замена увлажненных участков теплопровода сухими:
- применение полиэтиленовой оболочки является обязательным элементом данной конструкции предизолированных труб, обусловленным особенностью технологического процесса заполнения ППУ системой пространства между стальной трубой и оболочкой. Это приводит к увеличению стоимости изделий до 30% (без учета стоимости контроля за увлажнением теплоизоляции);
- при воздушном способе прокладки необходимо дополнительно защищать полиэтилен от солнечной радиации.
Теплоизоляция напылением.
Основным недостатком этого способа в полевых условиях является значительный перерасход компонентов (до 50%), а в стационарных условиях невозможность получения стабильных свойств по всей длине трубы.
Изготовление скорлуп.
Преимущество: не требует дорогостоящего оборудования.
Недостатки: трудоемкость при сборке, необходимость защиты стыков.
Теплоизоляция в форме с последующей гидроизоляцией
Нами совместно с Чувашэнерго предложен способ получения трубной изоляции в металлической форме. Проект реализован на ТЭЦ-1. Он представляет собой:
1) покрытие трубы антикоррозионной смазкой ( изольной мастикой);
2) заливка ППУ в форме с уложенной трубой на машине высокого давления, выдержка ППУ в форме (отверждение) не менее 20 минут;
3) покрытие стеклоизолом.
Данный способ получения теплоизоляции по нашим расчетам приблизительно в 3 раза удешевляет стоимость 1 погонного метра трубы с теплоизоляцией и также легко, в случае возникновения дефектов (разрывов) позволяет провести поиск и замену их.
Промежутки между трубных стыков, сварочных швов на теплотрассе закрывают скорлупами с использованием металлических замков. Нами создано производство теплоизолирущих скорлуп, которое осуществляется методом вспенивания полиуретановой композиции в цилиндрических разъемных формах, дающих возможность получать скорлупы разных диаметров:
-внутренний диаметр скорлупы от 47 до 1020 мм
-длина скорлупы 1000 мм
-толщина скорлупы 30,40,50,60 мм.
Предлагаемая технология не требует больших производственных помещений (достаточно помещения 30 на 12 метров). При небольших начальных затратах 1.5 -2.0 млн. руб. уже через 3-4 месяца можно начать опытно-промышленное производство и затем наращивать его.
А.С.Степанов, Ю.Т.Ефимов, Е.М.Желваков, Ю.В.Винокуров
ОАО "Химпром", г. Новочебоксарск
Rambler's Top100    Rambler's Top100    а ­е¦Є йіЁпЈ о©ї
ñ塯ᣠ 衹麥 2001-2009