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

Высокоэффективная теплоизоляция позволяет во много раз сократить тепловые потери. Лидером  в области теплоизоляции  можно с уверенностью назвать пенополиуретан.

ППУ обеспечивает эффективное и безаварийное теплоснабжение в коммунальном хозяйстве, теплоэнергетике и различных областях промышленности.

Пенополиуретан обладает наименьшим коэффициентом теплопроводности из всех применяемых в настоящее время теплоизоляционных материалов. Для сравнения: он в 25 раз эффективнее силикатного кирпича, в  4,5 раза – керамзитного гравия, в 2 раза – плит из минеральной ваты и стеклянного штапельного волокна и в 1,5-1,7 раз эффективнее пенополистирола. Трубы теплоизолированные с применением ППУ не имеют альтернативы. Это подтверждено многолетним опытом.  Широкий температурный диапазон применения сделал пенополиуретан самым универсальным полимерным материалом.

ППУ одинаково эффективен и для труб с циркулирующим в них теплоносителем (+160⁰ С) и для хладоносителей (до -200⁰ С). Если сочетать ППУ с другими материалами, то возможна теплоизоляция трубопроводов с температурой теплоносителя 500-600⁰ С,.

45-и мм слоя покрытия из ППУ достаточно для воздушной прокладки трубопровода,  даже при условии, что температура теплоносителя до +110⁰ С, а  наружная температура до -25⁰ С.

Обратимся к статистике. Япония, Западная Европа и США являются крупнейшими потребителями полиуретановых покрытий.  Показательно, что в 1996 году в США использование  жестких пенополиуретановых  плит в строительстве составило 562,1 тыс. тонн (27%), при общей емкости рынка 2086,6 тыс. тонн. В мировом масштабе, в тот же период, эти данные составили – 0,7 млн. тонн (41%). В России доля использования жестких пенополиуретанов составляет 36%. Ниже приведены данные по емкости Российского рынка пенополиуретанов (в тыс. тонн). 

Таблица 1

Как следует из приведенных выше данных, импорт полиуретановых материалов составляет около 68%. Развитие химической промышленности определяет дальнейшее формирование  Российского товарного рынка.

Современные исследования, позволили создать новое поколение полиольных компонентов. Из данных   компонентов, созданных на базе простых полиэфиров, получают пенопласты и конструкции с широким спектром свойств, таких как: хладо-  и теплостойкость от  -150⁰ С до +200⁰С, высокая механическая прочность, пониженная горючесть. Кроме того,  на основе сложных полиэфиров разработаны высокоэффективные рецептуры.Долговечность этого материала уникальна. Срок эксплуатации в строительных конструкциях не  менее 100 лет и не менее 30 лет в качестве теплоизолятора трубопровода. При температуре теплоносителя  до +150⁰ С.В  сотрудничестве с космической и авиационной промышленностью, разработан материал, выдерживающий ударные нагрузки. Он, в течение длительного времени, устойчив к  синусоидальной вибрации  при непрерывном изменении частоты от 50 до 2500 Гц с ускорением от 2g до 15g. Под воздействием влаги такие изоляционные материалы как минераловатные плиты и пенополистирол, быстро теряют теплоизоляционные свойства.

В отличие от них: пенополиуретан пропускает избыток влаги, содержащийся в окружающей среде,  практически  не насыщаясь ею (н/б 1-3% объемн.), т.е. «дышит», а также:

• не покрывается плесенью;
• не повреждается грызунами;
• не нуждается в дополнительной пароизоляции (имеет оптимальное значение паропроницаемости).

Все вышеперечисленные качества обеспечивают комфортные санитарно-гигиенические свойства.

Отдельно следует отметить устойчивость жесткого  пенополиуретана к ароматическим углеводам, маслам, спиртам, нефтепродуктам, а также щелочам и кислотам.

Обладает высокой адгезией к различным материалам бетону, стеклу, древесине (не менее 2-3 кг/см²), а также к металлу, в данном случае исполняет роль еще и антикоррозийного покрытия. Все компоненты имеют гигиенический сертификат, поэтому их продукция разрешена к применению для теплоизоляции жилья, морских судов, транспортных средств, рефрижераторов, бытовых и промышленных холодильников и т.п.

Успешно внедряются в производство трубы с предизолированным слоем и скорлупы. Как известно, в большинстве регионов России износ теплоизоляции систем теплоснабжения почти достиг критической отметки (50-75%). В результате, в системах центрального теплоснабжения, тепловые потери на сегодняшний день составляют до 60% от общих тепловых потерь.

По результатам технико-экономического анализа в перспективе без широкого применения пенополиуретановой теплоизоляции проблемы ЖКХ  и энергосбережения в теплоэнергетике России не решатся, потому что на сегодняшний день теплоизолирующим свойствам ППУ нет аналогов. Благодаря своим теплоизоляционным свойствам, в том числе низкому уровню влагопоглощения, ППУ на основе фреоносодержащих полиольных систем в 8-10 раз снижает тепловые потери по сравнению, в частности, с минватной изоляцией.

В своей статье В.Н.Рогов и В.С.Слепченок, оценили величины экономического эффекта и возможности применения при реконструкции и строительстве тепловых сетей, проложенных подземным бесканальным способом, труб, теплоизолированных пенополиуретаном (ППУ), фенольным поропластом (ФП), армопенобетоном (АПБ), армопенобетоном улучшенным (АПБ-У), вспученным вермикулитом (ИТ), сополимербетоном (ПБИ), вспененным полиэтиленом (ВПЭ), и минеральной ватой (МВ). В статье представлен анализ различных нормативов, регламентирующих использование теплоизоляционных материалов для бесканальной прокладки теплопроводов. 

Некоторые технико-экономические расчеты, а также, учет расчетных значений годового экономического эффекта от замены старых трубопроводов тепловых сетей диаметром 159 мм, позволил авторам, сделать вывод о предпочтительности использования теплоизоляционных материалов при подземной бесканальной прокладке тепловых сетей в следующей последовательности: теплоизоляция из ППУ, ФЛ, АПБ-У. Производство смесей для трубной изоляции развивалось в плане вспенивателей по трем направлениям: водное,  фреоновое  (11, 141В, 365, 345) и  водно-фреоновое.

Практический опыт  ряда европейских стран, показал, что,

во-первых: считавшееся наиболее дешевым и перспективным водное вспенивание недолговечно и не соответствует нормируемым показателям;

во-вторых: из-за наличия в парах СО₂ (0,03-0,038 Вт/мК), пенополиуретан на такой основе имеет большую теплопроводность;

в-третьих: расходуется намного больше полиизоцианата (до соотношения 1:1,9) для придания пенопласту большей теплостойкости.

На сегодняшний день оптимальными, по-нашему мнению, являются смеси с увеличивающими теплостойкость добавками и использование в качестве вспенивателя F-141В (разрешен к применению) в смеси с водой или самостоятельно.

РАЗЛИЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТРУБНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ

Рассмотрим четыре основных способа теплоизоляции труб пенополиуретаном:

I. Теплоизоляция "труба в трубе"

Легкость при изготовлении и транспортировке – безусловное преимущество этого способа теплоизоляции. Основной же недостаток – дороговизна, т.к. этот способ требует собственного производства полимерной трубы и постоянного контроля над процессом увлажнения. Что касается полиэтиленовой оболочки, то она не только не обеспечивает 100% защиты теплоизоляции от влаги, но даже наоборот: влага, в случае проникновения  к поверхности стальной трубы не испаряется, повышается влажность, что приводит к более интенсивному распространению коррозии. Следовательно, использование конструкции «труба в трубе», требует наличия дорогостоящей электронной системы, контролирующей процесс увлажнения, а также, ежегодная замена увлажненных участков теплопровода сухими.

Особенность технологического процесса (заполнение пенополиуретаном пространства между трубой и оболочкой) требует обязательного использования полиэтиленовой оболочки. Это делает изделие на 30% дороже, даже без учета затрат на систему контроля над увлажнением.  При воздушном способе прокладки приходится еще и дополнительно защищать полиэтилен от солнечной радиации.

II. Теплоизоляция напылением

Самым главным недостатком теплоизоляции напылением является значительный перерасход компонентов при маленьких диаметрах трубы, кроме того, в стационарных условиях невозможно обеспечить стабильные свойства по всей длине трубы.

III. Изготовление скорлуп

Основное преимущество данного способа, что он не требует дорогостоящего оборудования, а  недостаток –  трудоемкость при сборке, необходимость дополнительной защиты стыков.

IV. Теплоизоляция в форме с последующей гидроизоляцией

Метод заключается в следующем:

1. Труба покрывается антикоррозийным покрытием (изольной мастикой);
2. ППУ заливается в форму с уложенной трубой на машине высокого давления и выдерживается не менее 20 минут  до отвердения;
3. Покрывается стеклоизолом.

Применение этого способа, снижает стоимость погонного метра теплоизолированной трубы почти в 3 раза, облегчает поиск и замену разрывов (дефектов).

Сварочные швы и промежутки между трубными стыками закрывают скорлупами с металлическими замками.

Полиуретановая композиция вспенивается в цилиндрических разъемных формах, что позволяет получать скорлупы разных диаметров:

• внутренний диаметр – 47-1020 мм;
• длина – 1000 мм;
• толщина – 30, 40, 50,60 мм.

Для реализации  данной технологии достаточно помещения 30х12 метров, т.е. не нужны большие производственные помещения. Начальные затраты не превышают 2-3 миллионов рублей и уже через 3-4 месяца возможно наращивание опытно-производственного процесса.