Про переваги виробів в ППУ ізоляції, виготовлених із застосуванням циклопентана

Вспінювання рідкої суміші поліола та поліізоціоната відбувається за рахунок фізико-хімічних процесів, в результаті яких утворюється газ. Коли рідина пересичується газом, починають формуватися бульбашки, центрами яких є дисперговане повітря або тверді частинки. Додатковий газ дифундує в зростаючі бульбашки. Відповідно до теорії, рівноважний тиск в бульбашці обернено пропорційно його радіусу. Тому маленькі бульбашки з’єднуються з великими, утворюючи менше число великих осередків. Спочатку сферичні осередки ростуть, стикаються один із одним і в кінцевому рахунку утворюють деформовану, щільно упаковану структуру. У міру розширення осередків, між кожною їх парою утворюється плівка, а капілярний перебіг змушує рідину затікати в трикутні тяжі або плоскі стінки, що формуються з трьох осередків. Чотири тяжа з’єднуються, утворюючи каркас структури піни.

Рис.1 Макроструктура пінополіуретана

У загальних рисах пінополіуретан – це тетраедрична сітка тяжів, пов’язаних з допомогою плівок (рис. 1), що відокремлюють окремі клітинки. Тяжі надають піні механічну міцність; плівки відокремлюють клітинки, що містять пари піноутворювача, і обмежують проходження пари через піну.

Поліуретанова піна утворюється з рідини, яка поступово стає все більш вузькою і, в кінцевому рахунку, гелеобразною.
Властивості жорстких поліуретанових пін, як і всіх композиційних матеріалів, залежать від їх складу і структури. Вони не є ізотропним і однофазними, усі властивості визначаються формою і орієнтацією осередків піни.
Властивості полімерних пін сильно залежать від щільності або, іншими словами, відносної кількості полімерної і газової фаз. Жорсткі пінополіуретани частіше працюють на стиск, а не на розтягнення, але можуть піддаватися також згинаючими або зсувними напруженням. Для багатьох сфер їх застосування, наприклад теплоізоляція, важливі не міцнісні показники, а стабільність розмірів і складу. Зміни, викликані поглинанням води або дифузією газів в осередку піни, можуть серйозно вплинути на їх властивості.
Широке використання жорстких пінополіуретанів в якості теплоізоляції засноване на низькому значенні їх теплопровідності.
Більшість ізоляційних пін складається із закритих осередків, які містять пари інертних піноутворювачів.
Теплопередача через конкретний пінополіуретан відбувається за допомогою радіації, конвекції всередині осередків і провідності через полімерну сітку, а також за рахунок провідності пара. Теплопровідність є результатом не тільки складу газу, але також щільності піни та її структури. Радіаційний компонент при цьому становить приблизно одну чверть від значення загальної теплопередачі.

Промислові піни містять, крім піноутворювача, невелику кількість повітря і СО2. Зміст пара в осередках піни прагне до рівноваги з навколишнім середовищем за рахунок дифузії повітря всередину, а піноутворювача – назовні з осередків. Основні типи піноутворювачів та їх характеристики представлені в таблиці:

Тип вспінювання Температура кипіння, ° С X, Вт/м-К (25 °С) Основні переваги Основні недоліки
F11 24 0,0089 – найнижча теплопровідність;
– негорючий;
– хороші показники при старінні
Руйнує озоновий шар, випуск буде припинений
F-141b 32 0,0107 – низька теплопровідність;
– хороша текучість композиції
– відносно низька стабільність при температурах > 140 °С;
– більш висока вартість;
– має потенціал деструкції озонового шару;
в перспективі буде заборонений
Пентанти:
n-пентан
ізопентан
циклопентан
36
28
50
0,0151

0,0120

– озонобезпечні;
– хороша текучість композиції
– утворюють вибухонебезпечні суміші з повітрям;
– пожежонебезпечні;
– потрібні високі витрати на переобладнання
CO2 -78 0,0166 – озонобезопасен;
– більш висока міцність на стиск;
– більш висока теплостійкість;
– не горюче
– підвищення в’язкості композиції, зниження плинності;
– більш низька адгезійна міцність;
– висока температура форми при виробництві

Раніше застосовувалися піноутворювачі – фреони – сприяють виснаження озонового шару. У 1987 р це послужило підставою до появи заборони виробництва хлорфторуглеводородів, включаючи найбільш поширений для пінополіуретанів піноутворювач CFC-11 (CFC13), тоді ж був підписаний міжнародний договір, відомий як Монреальський протокол про речовини, збіднює озоновий шар. Дослідження по заміні фреонів речовинами з аналогічними технологічними характеристиками і парами з низькою теплопровідністю показали, що хлорфторуглеводороди, вуглекислий газ, галоген- вуглеводні відповідали багатьом вимогам, але все-таки мають більш високим потенціалом збідніння озонового шару або є «тепличними» газами, що турбує Європу і інші регіони, де особливо стурбовані глобальним потеплінням.
Юридичні обмеження змусили європейських і американських виробників жорстких пінопластів розглядати інші альтернативні варіанти. Більшість виробників жорстких пінопластів, використовуваних в будівництві, відразу перейшли на вуглеводневі піноутворювачі, такі як пентан, циклопентан, ізопентан, ізобутан та їх суміші, вирішивши проблеми високої горючості цих матеріалів і більш високу теплопровідність парів технологічними методами і переобладнанням виробництва.
Адаптація виробництва для випуску пінополіуретану на Циклопентанові як правило включає певний комплекс організаційних і методичних рішень. До них відноситься обладнання виробництва спеціальними машинами (рис. 2), організація безпечного зберігання циклопентана і перемішування його з поліолом, монтаж ліній подачі підготовленого поліола до заливальної машині, запобігання появи вибухонебезпечних повітряних сумішей циклопентана, локалізація зон можливого виділення циклопентана і обладнання їх газоаналізаторами, системами вентиляції і пожежогасіння, заміна електрообладнання на вибухобезпечне, навчання персоналу.

Рис.2 Циклопентанова заливальна машина

Заливальні машини для водного або фреонового компонента не можуть бути використані для роботи з циклопентаном.
Циклопентанові заливальні машини мають спеціальне виконання і захист наступних частин і вузлів, що знаходяться в контакті з циклопентаном: вибухозахищене електрообладнання та клапанні системи; система підтримки азотної середовища у видатковій ємності з компонентом; система заземлення всіх частин машини; зливний піддон під видаткової ємністю з компонентом в комплекті з відповідними датчиками рівня на випадок протоки компонента; захисний бокс; система двошвидкісний вентиляції боксу на випадок аварійної ситуації.
Самостійне переобладнання водних машин з метою модернізації при переході на циклопентан не представляється економічно обгрунтованим, технічно можливим і безпечним.

Труби ППУ з теплоізоляцією на основі циклопентана мають наступні переваги: зменшений коефіцієнт теплопровідності не більше 0,029 Вт / (мк) в

Рис. 3 Залежність коефіцієнта теплопровідності водних і циклопентованих ППУ від часу експлуатації.

порівнянні з піною на основі водних – 0,033 Вт / (мК); вищі адгезивні властивості до труби, стабільні теплофізичні параметри піни протягом всього терміну експлуатації трубопроводу (30 років) (рис. 3); відповідність вимогам екології.

Виконано дослідження по:
1. Розрахунок теплових потоків при товщині теплової ізоляції відповідно до теплопровідності ППУ на основі СО2 і циклопентана;
2. Розрахунок однаковою для виходу та повернення води товщини теплової ізоляції при теплових потоках, але при зниженому коефіцієнті теплопровідності ППУ на основі циклопентана;
3. Розрахунок товщини теплової ізоляції на зворотному трубопроводі зі збереженням її величини для трубопроводу, що подає при теплових потоках і зниженою величиною коефіцієнта теплопровідності ППУ на основі циклопентана.

Рис.4 Теплові потоки при різної теплопровідності ізоляції

Для попередньо визначених умов розрахунку по поставленим завданням отримані наступні результати.

Як випливає з наведеного графіка, зниження теплового потоку при переході на ППУ на основі циклопентана при тій же товщині теплоізоляційного шару становить 7-9% по відношенню до ППУ на основі СО2. Це дозволяє говорити про енергозберігаючий ефект в експлуатаційних умовах теплових мереж при використанні удосконаленої теплової ізоляції.

У другому варіанті – були отримані залежності необхідних товщини ізоляції ППУ на основі СО2 і циклопентана при однакових теплових потоках, для ППУ на вуглекислотному піноутворювачі (рис. 5).

Рис. 5 Зменшення товщини теплової ізоляції для ППУ на основі ППУ і циклопентана

Як випливає з наведеного графіка, має місце зниження товщини теплоізоляційного шару, в середньому на 12%, при меншому коефіцієнті теплопровідності матеріалу і однакових теплових потоках. Таке зниження відзначається для всіх діаметрів. При цьому найбільше зниження в процентному відношенні (16,7%) відповідає найменшим діаметрами, і його величина зменшується до 10,3% при діаметрі 1400 мм.
Отримане зміна товщини теплової ізоляції при однаковій величині теплових потоків дає можливість зменшення необхідної кількості теплоізоляційного матеріалу і призводить до відповідного зниження вартості будівництва або перекладки теплових мереж.
За результатами розрахунків третього завдання, при зниженні товщини на зворотному трубопроводі для ППУ ізоляції на основі циклопентана при однаковою сумарною величиною теплових потоків відбулося їх перерозподіл між подає і зворотним трубопроводами в порівнянні з розподілом при однаковій товщині теплоізоляції.
Досягається зниження в середньому на 16% сумарної товщини теплової ізоляції для виходу та повернення води в порівнянні з їх однаковою товщиною для обох трубопроводів. Такий результат дозволяє говорити про економію теплової ізоляції при прокладці трубопроводів теплових мереж з тим же низьким рівнем сумарних теплових втрат.

Рис.6 Залежності сумарних теплових втрат 1 м попередньо ізольованої трубопроводу від діаметра умовного проходу.

Крім того, отримане перерозподіл теплових потоків між подаюсим і зворотним трубопроводами дозволяє отримати додатковий енергозберігаючий ефект при теплопостачанні за рахунок регулювання витрати теплоносія, що забезпечує зниження температури в зворотній лінії на джерелі тепла.
На рис. 6 представлені графіки теплових втрат, отримані з використанням методики, представленої для ряду типорозмірів труб по ГОСТ 30732 – 2006 при безканальної прокладці і наступних умовах експлуатації: температурний графік 130/70; коефіцієнт теплопровідності ґрунту – 1,5 Вт / м.оС; температура грунту – 5,8 ОС; тривалість опалювального періоду 215 діб.

Будівництво теплотрас із застосуванням попередньо ізольованих труб з ППУ на основі циклопентана дозволяє додатково, на 13-18%, скоротити теплові втрати в порівнянні з вуглекислотною піною.
Знаючи тариф на теплову енергію, для зазначених умов, нескладно визначити економію коштів при експлуатації конкретної теплової мережі.

Автор | 2020-12-09T15:24:56+00:00 18 Листопада, 2020|Проектування|0 коментарів