Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА ПЕРВАЯ. Состояние вопроса по проблемам теплоснабжения 38
Выводы к главе I 52
ГЛАВА ВТОРАЯ. Современное состояние систем теплоснабжения 54
2.1. Классификация систем теплоснабжения 54
2.2. Выбор структуры и технологии систем теплоснабжения .
2.3. Гидравлические и тепловые режимы систем теплоснабжения, регулирование отпуска тепла 59
2.4. Автоматизация систем теплоснабжения 63
2.5. Конструкции теплопроводов 64
2.6. Тепловое старение конструкций теплопроводов 65
2.7. Старение конструкций теплопроводов в воде 69
2.8. Старение теплопроводов в грунте 72
2.9. Термовлажностное старение теплопроводов 72
2.10. Обеспечение надежности - новая конструкция теплопроводов 75
Выводы к главе II 80
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Исследование новой конструкции теплопровода 82
3.1. Разработка и исследование пенополимерминеральных композиций и их использование в качестве теплогидрозащитных оболочек при бесканальной прокладке теплопроводов 82
3.2. Определение основных закономерностей образования пенополимерминеральной изоляции. Разработка математической модели защитной корки НИМ изоляции 91
3.3. Кинетические и технологические факторы и их влияние на структуру интегральной ППМ изоляции 104
3.4. Параметры температура и давление 109
3.5. Апробация разработанных композиций для отработки технологии 118
3.6. О некоторых особенностях технологии получения интегральны пенополимерминеральных композиций 140
3.7. Рекомендации по рецептуре и технологии изготовления изделий 143
3.8. Исследование прочностных характеристик теплоизоляционных конструкций в пенополимерминеральной изоляции. Разработка математической модели прочности многослойной конструкции теплопровода в ППМ изоляции 153
Выводы к главе III 168
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Самокомпенсирующиеся (СК) трубы 170
4.1. Выбор рациональных параметров винтовых гофр и характеристик жесткости труб 171
4.2. Определение оптимальной геометрии винтовых гофр СК- труб 172
4.3. Формовка СК-труб 174
4.4. Исследование механических свойств и микроструктуры металла в зоне горф 176
4.5. Строительство и испытание опытно-промышленных участков тепловых сетей из СК-труб 177
4.6. Введение преднапряжения и испытания трубопровода с защемленными концами 180
4.7. Прогнозирование эксплуатационного ресурса СК-труб . 182
4.8. Некоторые результаты эксплуатационных проверок опытных прокладок тепловых сетей с СК-трубами 185
4.9. Технико-экономические предпосылки применения СК-труб 188
4.10. Методика расчета напряженно-деформированного состояния, характеристик жесткости и устойчивости бесканального СК трубопровода 191
Выводы к главе IV 210
ГЛАВА ПЯТАЯ. Трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) 212
5.1. Прочностные расчеты ВЧШГ трубопроводов 214
5.2 Коррозионные испытания теплопроводов из ВЧШГ 222
Выводы к главе V 229
ГЛАВА ШЕСТАЯ. Проектирование систем теплоснабжения 230
6.1. Категории потребителей 230
6.2. Тепловые нагрузки 231
6.3. Тепловые нагрузки при отказах 232
6.4. Выбор теплоносителя 234
6.5. Выбор системы теплоснабжения 235
6.6. Водоподготовка и подпитка ~~ fi
6.7. Аккумулирование тепла 238
Выводы к главе VI
ГЛАВА СЕДЬМАЯ. Надежность проектируемых и действующих систем теплоснабжения 240
Выводы к главе VII 249
ГЛАВА ВОСЬМАЯ. Технико-экономическое обоснование реализации научно-технических разработок 251
8.1. Технико-экономическое обоснование создания теплопроводов в пенополимерминеральной изоляции 251
8.2 Выбор оптимального варианта производства теплопровода 256
Выводы к главе VIII 262
Общие выводы 263
Список литературы 266
Приложения 276
- Гидравлические и тепловые режимы систем теплоснабжения, регулирование отпуска тепла
- Кинетические и технологические факторы и их влияние на структуру интегральной ППМ изоляции
- Строительство и испытание опытно-промышленных участков тепловых сетей из СК-труб
- Технико-экономическое обоснование создания теплопроводов в пенополимерминеральной изоляции
Введение к работе
Теплоснабжение городов со всей их инфраструктурой в настоящее время осуществляется преимущественно от централизованных источников тепла, состоящих из источников выработки тепловой энергии, тепловых сетей и потребителей тепла.
Наметившийся в последнее время подъем экономики страны будет вызывать непрерывное увеличение расхода топлива на нужды теплоснабжения.
На удовлетворение потребителей в тепле в настоящее время расходуется около 200 млн. т у.т., что составляет более 20% всех добываемых в стране топливно-энергетических ресурсов, по данным [1] до 1990 года потребление тепла удваивалось каждые 15 лет.
Нормальное функционирование систем централизованного теплоснабжения дает большую экономию топлива, что позволяет значительно снизить экологическую нагрузку на воздушный и водный бассейн и соответственно на почву. Так по данным (2) каждая отпущенная 1 Гкал тепла позволяет, например, только на московских ТЭЦ вырабатывать на тепловом потреблении около 400 кВт.ч электроэнергии и экономить тем самым до 80 кг условного топлива на каждый кВт, выработанной энергии.
По данным (16) современное теплоснабжающее хозяйство России включает:
162 тепловые электростанции, на которых действуют теплофикационные турбины на давление 24 и 13 МПа, около 450 тепловых электростанций, на которых действуют теплофикационные турбины на давление менее 13 МПа.
188700 котельных разной единичной мощности. В том числе 83000 промышленных котельных.
Около 257000 км магистральных и распределительных тепловых сетей.
f По экспертным оценкам в 2001 году теплопотребление России достигнет 2,64 млрд. Гкал. В том числе:
промышленность- 1,315 млрд. Гкал (50%), ЖКС - 0,815 млрд. Гкал (31 %), село - 0,508 млрд. Гкал (19%). Из них будет обеспечено:
от систем централизованного теплоснабжения - 86%,
в т.ч. от теплофикационных установок - 39%.
В 1996 году индекс интенсивности промышленного производства ц замедлил свое падение. Но до глубоких структурных перемен дело еще не
дошло. Существующая финансовая инфраструктура экономики остается ориентированной на более привлекательные финансовые операции, а не на долгосрочные инвестиции в развитие, реконструкцию и модернизацию производства.
К 1996 году при значительном спаде основного промышленного производства (почти на 60%) и падении электропотребления более чем на 22% снижение суммарного по России уровня теплопотребления по сравнению с 1990 годом составило 8,2% (падение: промышленность -20,7%, рост: ЖКС - на 5,5%, село - на 1,8%), что объясняется:
- продолжающимся ростом тепловых нагрузок в жилищно- , коммунальном и сельском строительстве;
- сохранением всех видом санитарно-технического теплопотребления даже на предприятиях, существенно сокративших выпуск основной продукции и соответственно теплопотребность на технологические нужды;
- малой эффективностью на данном этапе мер по энергосбережению.. По ТЭЦ и котельным снижение отпуска тепла составило около 15,6%, что явилось следствием:
- большой доли снижения технологической промышленной нагрузки в общем отпуске тепла от ТЭЦ;
ty - недооценки топливно-энергетическим комплексом прибыльности теплофикации и свертывании текущих и особенно перспективных работ по обоснованию эффективности дальнейшего расширения рынка сбыта тепла от ТЭЦ;
- необоснованного, без учета конъюнктуры рынка, ценообразования отпускаемой от ТЭЦ тепловой и электрической энергии, что в ряде случаев привело к отказу потребителей от покупки дорогой тепловой энергии ТЭЦ и как следствие - интенсификации строительства в эти годы собственных котельных. Ц/ Со становлением рыночной экономики в России в развитии систем централизованного теплоснабжения все чаще проявляются такие тенденции, как:
децентрализация экономических и политических структур;
стремление к развитию минимально капиталоемких энергетических систем;
разукрупнение промышленных объектов, их территориальная перегруппировка;
стремление к использованию местных возможностей, вторичных энергоресурсов, возобновляемых источников энергии.
По данным (16) теплопотребление России к 2010 году должно Ф составить 2700-3100 млн. Гкал/год, в том числе:
промышленность - 1,2-1,3 млрд. Гкал/год жилищно-коммунальный сектор - 0,9-1,1 млрд. Гкал/год сельскохозяйственные объекты - 0,6-0,7 млрд. Гкал/год.
Рост тепловой нагрузки промышленности в рассматриваемый период с большой степенью вероятности будет происходить за счет обновления и реконструкции действующих предприятий или строительства новых в зоне действия систем теплоснабжения и теплофикации.
ф Основными конкурирующими вариантами с теплофикационными установками будут промышленные котельные и малые промышленные ТЭЦ.
Рост тепловой нагрузки в жилищно-коммунальном секторе будет происходить главным образом за счет размещения новой застройки в существующих населенных пунктах.
Основными конкурирующими вариантами с централизованными источниками будут индивидуальные, так называемые "крышные" генераторы тепла, размещаемые непосредственно в новых зданиях, ф отопительные котельные и малые отопительные ТЭЦ.
Рост тепловой нагрузки в сельскохозяйственном секторе будет происходить в основном за счет развития коттеджной застройки и некоторого повышения энергоемкости производства.
Актуальнейшая экологическая и социальная проблема жизни 3900 городов России, в которых проживает более 100 млн. человек - это нарастающий вал бытового мусора, количество которого ежегодно возрастает на 28 млн.т. Осуществляя массовое строительство в городах мусоросжигающих энергоисточников по единому модулю, можно получить для нужд городов дополнительно не менее 26 млн. Гкал/год тепла и до 30 млрд. кВт.ч дешевой электроэнергии и одновременно решить вопрос загрязнения почвы и подземных водных источников, если бы весь этот мусор загрязнял окружающую среду.
Вместе с ростом теплового потребления и высокой централизации теплоснабжения длиннее становится путь транспорта тепла от источников до потребителя, больше диаметры теплопроводов, больше вероятность повреждения теплопроводов, тем больше требуется время на ликвидацию повреждений в них.
Следовательно, при таком раскладе дел на первое место встает вопрос повышения надежности теплоснабжения потребителей.
Ф На современном этапе развития теплоснабжения самым слабым звеном всей цепи являются тепловые сети и в первую очередь это связано с ненадежностью применяемых конструкций теплопроводов. Это в равной степени относится к канальным и бесканальным прокладкам теплопроводов, но в большей степени к бесканальным прокладкам, протяженность которых в последнее время возросла и продолжает увеличиваться, что связано с меньшими трудозатратами при строительстве, а также, в ряде случаев, с меньшими первоначальными капитальными затратами. ф При бесканальных прокладках тепловых сетей на первое место по значимости становятся вопросы надежной и экономичной компенсации трубопроводов при температурных подвижках.
Многолетний опыт применения различных компенсирующих устройств, традиционно используемых для компенсации температурных подвижек теплопроводов, показал их несовершенство и недостаточную эксплуатационную надежность.
Вообще, как правильно отмечает [2], при рассмотрении надежности тепловых сетей следует учитывать не только линейные участки сети, но также учитывать все элементы его составляющие. Там же отмечается, что значительное повреждение в тепловых сетях происходит из-за наружной $ коррозии стальных труб. В связи с этим предлагается к группе факторов, влияющих на надежность теплопроводов отнести:
1. Тип прокладки тепловых сетей.
2. Вид антикоррозионного повреждения.
3. Среднегодовую температуру стенки трубы.
4. Гидрогеологические условия прокладки.
Исходя, из этих факторов различным участкам теплопроводов можно давать различные оценки "начальной надежности" при проектировании и эксплуатации.
\W При такой классификации наивысшую оценку начальной надежности должны получить воздушные прокладки, наинизшую -бесканальные, проложенные в грунтах с высоким уровнем грунтовых вод.
В реальных условиях могут также возникнуть случайные факторы, активно влияющие на надежность тепловых сетей. К ним следует отнести: неравные гидрогеологические условия по трассе, местный приток воды, неравную стойкость антикоррозионных покрытий, нарушения при производстве строительно-монтажных работ и другие.
Случайные факторы могут проявляться по-разному в различных i типах прокладки. Причем менее надежные конструкции будут усиливать действие случайных факторов.
Когда скорость коррозии труб, проложенных, например, в непроходном канале должна составлять не более 0,05-0,1 мм/год теплопровод прослужит 25-30 лет.
Вероятно к такому сроку службы следует стремиться при любых типах прокладки еще на стадии создания новых конструкций теплопроводов, затем на всех этапах ее реализации вплоть до эксплуатационной надежности.
Из сказанного следует, что к решению надежности тепловых сетей следует походить с учетом комплексного взаимодействия всех ее , элементов.
С учетом того, что в настоящее время имеются, все необходимые условия по созданию надежных систем теплоснабжения следует систематизировать имеющиеся технические решения и придать им необходимые условия для практического использования.
В рассматриваемый период на уровне потребителей следует ожидать постепенное нарастание значимости внедрения энергосберегающих технологий, оборудования, групповых и особенно индивидуальных приборов контроля, учета и автоматизации энергопотребления.
Этот фактор окажет сдерживающее влияние на рост теплопотребления и одновременно потребует пересмотра способов центрального регулирования.
Гидравлические и тепловые режимы систем теплоснабжения, регулирование отпуска тепла
Проведены контрольные испытания опытно-промышленных участков с СК трубами в г. г. Минске и Ленинграде в условиях канальной и бесканальной прокладки, которые подтвердили самокомпенсацию температурных деформаций при отсутствии общих продольных перемещений трубопроводов и смещения неподвижных опор. Значительный объем теоретических и экспериментальных исследований позволили выявить и изучить особенности напряженно-деформированного состояния труб с винтовыми гофрами, выполнить анализ влияния геометрии гофр на их компенсирующую способность. Достоверность разработанных расчетных методов проверена экспериментально на натурных образцах СК труб. Строительство и всесторонние испытания первого опытно-промышленного участка теплотрассы из СК труб в теплоизоляции из минеральной ваты в г. Минске позволили в эксплуатационных условиях подтвердить его высокую работоспособность, а также решить вопросы строительства трубопроводов нового типа. Были проведены работы по изучению малоцикловой долговечности при нагрузках, вызывающих появление упруго пластических деформаций. Проведенная оценка ресурса натурных труб позволила установить для них допустимый уровень эксплуатационных нагрузок и рекомендовать СК трубы для опытно-промышленного внедрения. Применительно к условиям работы "горячих" трубопроводов по критерию минимизации напряжений с учетом некоторых дополнительных требований определены минимальные конструктивные параметры винтовых гофров, также позволившие оценить снижение уровня воздействия их на окружающую среду.
В результате предварительного технико-экономического анализа установлено, что наиболее перспективными и требующими дальнейших исследований является вариант СК секции с теплоизоляцией из вспененного полимера (типа пенополиуретана) в полиэтиленовой либо стеклопластиковой защитной оболочкой.
Пятая глава, посвящена трубам из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) отмечено, что разработана технология дуговой сварки трубопроводов из ВЧШГ, по прочностным характеристикам (после термообработки, в т.ч. в полевых условиях) сварные соединения находятся практически на одном уровне с основным материалом трубы из ВЧШГ. В различных городах России, начиная с 1992 г. построены и успешно эксплуатируются теплотрассы с трубами из ВЧШГ. Разработана и утверждена основная научно-техническая документация для проектирования и строительства труб из ВЧШГ. Разработана теория прогностного расчета ВЧШГ трубопроводов. Были проведены исследования на коррозионном стенде по определению коррозионной стойкости сварного образца трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом под воздействием агрессивного электролита в условиях нестационарного температурного режима (65-85С), что дает возможность прогнозировать срок службы труб из ВЧШГ не менее 30 лет, что позволяет характеризовать их как конструктивный элемент, снижающий воздействие на окружающую среду. Одновременно с образцом трубы из ВЧШГ в аналогичных условиях испытаны сварной образец из трубы стальной бесшовной горячедеформированной и образец, выполненный из трубы стальной электросварной прямошовной. Установлено, что процесс коррозии имеет место как для стали, так и для чугуна. Однако коррозия на стальных образцах находится в пределах допустимой (0,048 мм/год) и сильной (0,051 мм/г) при аналогичных условиях значение скорости коррозии для ВЧШГ составляет 0,011 мм/год - слабая коррозия. Сварной шов при стыковке труб из ВЧШГ в процессе эксплуатации не является концентратором коррозионных процессов (отсутствуют следы коррозии). Торцевые участки образцов, изолированные перед испытаниями краской на основе кремнийорганики не подвержены коррозии. При этом в местах контакта "чугун-стальной фланец" очагов и следов коррозии не наблюдалось.
Глава шестая посвящена проектированию систем теплоснабжения, в которой рекомендуется по надежности теплоснабжения делить на три категории: первую - не допускающую перерыва в подаче тепла; вторую допускающую снижение температуры в неугловых помещениях жилых и общественных до плюс 12С, производственные до плюс 8С, третью категорию - остальные потребители. При расчете тепловых нагрузок необходимо учитывать: несовпадение максимумов тепловых нагрузок на технологические нужды, вентиляцию, несовпадение максимумов на горячее водоснабжение, вероятность нерасчетного понижения температуры наружного воздуха. При отказах, сопровождающихся снижением тепла, потребителям тепла необходимо обеспечивать: покрытие 100% потребителей первой категории, заданный потребителям режим аварийного потребления пара и горячей воды; заданный потребителями аварийный тепловой режим неотключаемых вентиляционных систем; среднечасовой расход тепла за отопительный период на горячее водоснабжение.
Выбор системы теплоснабжения открытой или закрытой определяется технико-экономическим сравнением. Качество исходной воды для пополнения системы для открытых систем теплоснабжения и закрытых с вакуумной деаэрацией должно отвечать ГОСТу 2847-82 "Питьевая вода", "Правилам технической эксплуатации электрических станций и сетей". Для всех систем теплоснабжения величина аварийной подпитки химически необработанной и недеаэрированной водой не должна приниматься более 2% от объема воды в системах. В системах теплоснабжения с транзитными тепломагистралями большой протяженности от источника тепла до районов теплопотребления допускается использование тепломагистралеи в качестве аккумулирующих емкостей. Основные положения из этой главы послужили материалом для разработки нового СНиПа «Тепловые сети» [123].
Кинетические и технологические факторы и их влияние на структуру интегральной ППМ изоляции
В системах теплоснабжения при отсутствии у потребителей тепла в системах отопления и вентиляции индивидуальных автоматических устройств регулирования температуры внутри помещений для регулирования отпуска тепла, как правило, рекомендуется применять центральное качественное регулирование по совместной нагрузке отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, дополненное групповым количественным в переходным период отопительного сезона, начиная от точки излома температурного графика с учетом: - схем присоединения отопительных, вентиляционных установок и горячего водоснабжения; режимных колебаний давления в системе теплоснабжения; наличия и мест размещения баков-аккумуляторов; теплоаккумулирующей способности зданий (сооружений). Центральное регулирование отпуска тепла осуществляется на источнике тепла, групповое - в тепловых пунктах. В системах теплоснабжения при наличии у потребителя тепла в системах отопления и вентиляции индивидуальных автоматических устройств регулирования температуры внутри помещений, предпочтительно принять количественное регулирование, дополненное при необходимости периодическим центральным изменением температуры сетевой воды. Удержание колебаний гидравлических и тепловых режимов системы в пределах, обеспечивающих качество и устойчивость теплоснабжения, осуществляется в тепловых пунктах и в случае необходимости дополнительно - на источниках тепла. При расчете гидравлических и тепловых режимов СЦТ с индивидуальным местным регулированием теплоиспользования необходимо следовать требованиям потребителя, что, как правило, обеспечивает максимальную экономию энергоресурсов в системе за счет интенсификации энергосбережения, сокращения тепловых потерь и внедрения экономических режимов регулирования температуры внутри помещений. Рекомендуется внедрение регулируемого привода сетевых и перекачивающих насосов в сочетании с компьютеризацией тепловых пунктов и введением поквартирного учета и регулирования теплопотребления, что является одной из самых эффективных мер по энергосбережению, которая позволит снизить потребление тепла [17]. Для уменьшения потерь сетевой воды и соответственно тепла при плановых или вынужденных опорожнениях теплопроводов следует предусматривать в тепловых сетях специальные баки-накопители, емкость которых определяется протяженностью теплопроводов между двумя секционирующими задвижками по наибольшему диаметру теплопроводов в системе. В открытых системах теплоснабжения роль баков-накопителей могут играть баки-аккумуляторы. Максимальная расчетная температура сетевой воды на выходе из источника тепла, в тепловых сетях и теплообменных аппаратах должна приниматься в проекте на основе технико-экономических расчетов по согласованию с заказчиком. При наличии в закрытых системах теплоснабжения нагрузки горячего водоснабжения минимальная температура сетевой воды на выходе из источника тепла и в тепловых сетях должна обеспечивать возможность подогрева воды, поступающей на горячее водоснабжение до санитарных норм. Удельные потери давления на трение при гидравлических расчетах трубопроводов и оборудования новых систем теплоснабжения определяются на основании технико-экономических расчетов. Статическое давление в системах теплоснабжения при теплоносителе вода не должно превышать допускаемое давление в оборудовании источника тепла, в тепловых сетях, в тепловых пунктах и в системах теплопотребления, присоединенных непосредственно к тепловым сетям и обеспечивать заполнение системы водой. Если статическое давление превышает допустимые пределы, система может быть разделена на независимые зоны. Статическое давление определяется условно для температуры воды до 100С. Давление воды в оборудовании источников тепла, тепловых сетях и непосредственно присоединенных системах теплопотребления системы теплоснабжения при работе сетевых и подкачивающих насосов должно быть не менее давления невскипания воды при максимальной температуре. В системах централизованного теплоснабжения предусматриваются мероприятия по защите оборудования у потребителя от недопустимых по условиям прочности повышений давления, возникающих при , нестационарных гидравлических режимах. 2.4. Автоматизация систем теплоснабжения. В системах теплоснабжения необходимо предусмотреть автоматизированную систему централизованного управления теплоснабжением (АСДУ ТП, АСУ ТП, АСЦУ-ТС), обеспечивающую: - сбор и обработку аналоговых сигналов с датчиков давления, температуры, расхода теплоносителя, уровня; - сбор и обработку импульсных сигналов с датчиков счетчиков электроэнергии; - учет и регулирование отпуска тепла на источнике тепла, в тепловых пунктах и у потребителей; - реализацию алгоритмов локального автоматического управления технологическими параметрами и технологическим оборудованием; - реализацию дистанционного управления технологическим оборудованием по командам от системы более высокого уровня; - формирование и выдачу дискретных сигналов управления технологическим оборудованием; - обмен данными с системой более высокого уровня; - управление работой системы в нормальных режимах и аварийных ситуациях.
Строительство и испытание опытно-промышленных участков тепловых сетей из СК-труб
Несколько иначе ведут себя ППУ на основе простых полиэфиров, результаты испытания ППУ-307 показали, что после 3-Ю4 ч. старения при температурах 30-50С и влажности 98% масса и размеры образцов практически не изменились, а снижение прочности незначительно. Свойства ППУ при 70С и влажности 98% изменяются в большей степени, однако и после старения за 25-10 ч. старения прочность составляет более 50% от исходного значения.
Из сказанного следует, что ППУ на основе простых полиэфиров более стабильны в условиях длительного термовлагостарения и являются предпочтительными для длительного применения в условиях высокой влажности.
Термовлажностное старение армопенобетона на всем промежутке его эксплуатации не отмечено. Имеет место сушка теплопровода за счет температурного градиента горячей трубы. Установлено (3), что увлажненная изоляция бесканальной прокладки в армопенобетонной изоляции, окруженная влажным грунтом, практически хорошо сохнет при влажности песчанного грунта до 4%. При влажности более 4% сушка сильно затягивается даже при очень высоких температурах теплоносителя. Изоляция в глинистом грунте не будет высыхать независимо от его влажности, так как глинистые грунты вследствие особого строения являются практически непроницаемыми ни для воздуха, ни для водяных паров.
Как следует из сказанного в России накоплен большой опыт применения теплоизоляционных материалов в качестве конструкционных для изоляции теплопроводов. Для этих целей применяются теплоизоляционные материалы на полностью минеральной основе (армопенобетон), также на полимерной основе пенополиуретан (ППУ). Известно, что названные теплоизоляционные материалы обладают как положительными так и отрицательными свойствами. Так конструкции теплопровода в армопенобетонной изоляции долговечны, термостойки, но имеют в качестве отрицательных характеристик высокую теплопроводность и влагопоглощение. Конструкции теплопровода на основе ППУ, обладая прекрасными теплофизическими показателями имеет невысокую температуру применения. Следовательно сам по себе напрашивается вывод о совмещении положительных качеств минеральных и полимерных изоляционных материалов для создания конструкций теплопровода, отвечающего как можно большим эксплуатационным требованиям. Такой путь возможет благодаря последним достижениям в области химии полимеров. Наполнение пенополимерных материалов, являющихся хорошими теплоизоляторами неорганическими материалами следует рассматривать как их модификацию. Наполнителем пеноматериалов может быть любое твердое, жидкое, газообразное неорганическое или органическое вещество, которое вводиться для улучшения эксплуатационных характеристик и придания им различных специфических свойств и снижения стоимости. В данной работе, выбран и рассматривается твердый минеральный (неорганический) наполнитель, который позволяет повысить термостойкость конструкции ее физико-механические и влагофизические характеристики. С учетом изложенных выше предпосылок выбран по агрегатному состоянию - твердый наполнитель, по природе - минеральный, по плотности - тяжелый, по гранулометрическому составу - объемный, по влиянию на физико-механические свойства полимерной матрицы — армирующий.
Введение в пенополимеры минеральных объемных наполнителей позволяет получить интегральные пенопласты, так называемые пеноматериалы с практически сшитой химически за счет стабилизации поднимающейся полимерной пены монолитной коркой и вспененной сердцевиной. Отмечено (10), что жесткие наполненные пенопласты имеют закрытые поры. Полученный пеноминеральный состав имеет сопряженную структуру. Низкая стоимость, большие запасы природного сырья, высокая удельная прочность, нетоксичность предопределили преимущественное использование наполнителей минеральной природы для пенополимерных материалов.
Минеральные наполнители имеют сложный химический состав поверхности, что не позволяет однозначно определить влияние каждого из ее компонентов на полимер. Суммарно химическую природу поверхности наполнителя, обычно оценивают по РН водной вытяжки [30]. Установлено, что этот показатель влияет на смачивание, состав нефазного слоя, кинетику реакции отверждения и, следовательно, на физико-механические характеристики наполненных пенопластов [29].
Технико-экономическое обоснование создания теплопроводов в пенополимерминеральной изоляции
При неизменной температуре формы решающее влияние на толщину поверхностного слоя имеет объемная масса вспененной части, причем соответствующие зависимости имеют нелинейный характер (рис. 3.1.6).
При увеличении плотности изделия увеличивается количество выделяющегося тепла и средняя температура ППМ изоляции. Это приводит к увеличению равновесного давления паров вспенивающего агента и следовательно, к снижению толщины корки. Одновременно идет и другой процесс - с ростом толщины корки возрастает давление в системе, что способствует конденсации вспенивающего агента.
Последнее воздействие более сильно, т.к. с ростом объемной массы изделия наблюдается линейное увеличение толщины корки.
При увеличении массы композиции возрастает усредненная объемная масса изделия, что приводит к повышению температуры отверждения в форме. Это увеличивает равновесное давление и скорость отверждения, что ухудшает условия формования поверхностной корки. Однако, это влияние не является доминирующим, т.к. с ростом объемной массы изделия давление вспенивания в форме возрастает и способствует конденсации вспенивающего агента, т.е. приводит к обратному эффекту, наблюдаемому при повышении температуры.
Аналогичным - двойственным является влияние концентрации газообразователя на толщину корки, соответственно толщина корки уменьшается с повышением температуры формы. Рост толщины корки наблюдается и при увеличении теплопроводности формы, чем выше теплопроводность, тем благоприятнее условия образования поверхностного слоя.
Технологические параметры процесса связаны и со структурой вспененной сердцевины изделия. Плотность этой структуры задается концентрацией газообразователя, температурой композиции, температурой стенок формы, длиной пути течения композиции, скоростью загрузки композиции, толщиной изделия и толщиной поверхности корки. Процессы формирования каждой из структур ППМ тесно взаимосвязаны, например, изменение толщины или плотности корки или переходного слоя неизбежно приводит к изменению структуры сердцевины.
Практический опыт показывает, что увеличение толщины поверхностной корки изделия легче всего достигнуть снижением температуры формования. Однако, при уменьшении температуры формования возрастает продолжительность изготовления изделия.
Продолжительность формования изделий определяется составом композиции (реактивностью компонентов), размером и формой изделий.
Основной составляющей времени формования является время выдержки в форме, отсчитываемое от момента загрузки композиции. Самое сильное влияние на этот параметр оказывает толщина изделия, затем - температура формы и концентрация газообразователя и незначительное - плотность изделий. При увеличении толщины изделия ухудшаются условия отвода тепла из формы. Для сокращения длительности формования следует интенсивно охлаждать форму.
Абсолютное значение температуры, достигаемое при экзотермической реакции отверждения ППМ изоляции, не зависит от количества вспениваемой массы. Однако, количество теплоты непосредственно связано с массой и плотностью изделия. Отсюда и наблюдаемый в технологии ППМ масштабный эффект — при переходе от малых изделий к большим толщина корки уменьшается за счет аккумулирования в форме большего количества тепла и увеличения продолжительности пребывания композиции при данной температуре. Это подтверждает положение о влиянии температуры на толщину корки.
Как уже говорилось, для получения качественной поверхностной корки температура формы должна быть ниже температуры в центре изделия. Но при слишком низкой температуре формования иногда изделие нельзя отформовать, т.к. реакция отверждения в пристенной зоне подавляется и материал прилипает к стенке. Следовательно, время отверждения в пристенной зоне определяет возможность получения качественной интегральной структуры.
В идеальном случае изделие следует извлекать из формы, когда реакция отверждения в пристенной зоне завершена, и давление в центральной зоне снижено до атмосферного. В реальных условиях приходится выбирать оптимальное время формования, чтобы с одной стороны оно было максимальным, а с другой не ухудшало свойства изделия. Как показано ранее, при исследовании влияния компонентов рецептуры на образование интегральной структуры ППМ изоляции и ее свойства установлена ведущая роль факторов, вызывающих изменение давления при формировании, количества и природы вспенивающих агентов, химической активности компонентов композиции, количества дозируемой в форму композиции. Так, увеличение химической активности за счет количества или вида катализатора, или других компонентов композиции приводит к изменению скорости вспенивания, увеличению абсолютных значений температуры и давления в системе. Твердость поверхностной корки увеличивается с ростом скорости вспенивания. Увеличение количества вспенивающего агента в композиции увеличивает плотность и твердость корки до определенного предела, выше которого возникают на поверхности дефекты, а толщина увеличивается незначительно. Наличие избыточной влаги в композиции отрицательно влияет на качество корковых слоев.
