Изолация на топлопроводи

Днес системите за централно отопление обслужват около 100 млн. души в Европа, като количеството на доставяната топлинна енергия се увеличава непрекъснато. Технологията е най-разпространена в Скандинавия, Русия, Централна и Източна Европа. Делът в Централна и Източна Европа е около 40%, докато Западна Европа отговаря за 10% от пазара.

Загубата на топлина от топлоразпределителните мрежи е неизбежен проблем. Редуцирането й води до понижаване на необходимостта от първична енергия и съответно на консумацията на гориво и нуждата от инвестиции в инфраструктурата.

От друга страна, намаляването на топлинните загуби е свързано с допълнителни разходи. Важно е при планирането на топлоразпределителна мрежа да се оцени балансът между топлинните загуби, разходите и консумацията на гориво, тъй като инвестициите в тази област обикновено са дългосрочни (над 40 години).

Редица проучвания показват, че годишните загуби от топлопреносната мрежа възлизат на приблизително една десета от генерираната за 1 година топлинна енергия. С цел да се осигури високата ефективност на мрежата тези загуби трябва да бъдат сведени до минимум.

Основните параметри, оказващи влияние върху загубите в мрежите за централно отопление, са дебелината на изолацията около тръбите, техният размер, подаваната температура и температурата на обратния поток, както и географското разпределение на търсенето на топлинна енергия.

Предварително изолирани тръби

Въпреки че технологията за централно отопление е добре утвърдена, разработването на иновации в областта не спира. С годините разпределителната система се усъвършенства - в миналото за целта са използвани стоманени тръби, положени в бетонни или азбестови канали и изолирани например с минерална вата.

Преди около 50 години на пазара се появяват предварително изолираните тръби. Днес тези тръби са най-разпространени за изграждането на новите разпределителни мрежи за централно отопление.

Те се състоят от вътрешна тръба, която обикновено е изработена от стомана или мед, обвита в изолираща пяна от полиуретан, и външна тръба, изпълнена от полиетилен висока плътност (HDPE). При вкопаване на тръбите в земята външната тръба предпазва пяната както от вода, така и от механични натоварвания. Устойчивата полиуретанова пяна е изградена от затворени клетки, първоначално запълнени с изолиращ газ и малко количество въздух.

Най-разпространените пенообразуващи агенти в полиуретановата пяна за топлопроводни тръби са циклопентанът и въглеродният диоксид. В миналото за целта са използвани хлорфлуорвъглеводороди до откриването на вредното им въздействие върху озоновия слой и предприемането на международни мерки за ограничаване на употребата им.

Понякога между външната тръба и полиуретановата пяна се поставя фолио, което да намали дифузията на газовете от клетките и да забави намаляването на капацитета на изолацията.

Гъвкавите топлопроводни тръби с малки диаметри обикновено се използват в близост до сгради, тъй като те са изградени от полугъвкава полиуретанова пяна и полиетилен ниска плътност (LDPE), което позволява огъването им в известна степен.

В топлопреносните мрежи се използват предварително изолирани тръби с различни размери. Външният им диаметър варира в граници от под 100 mm до почти 1000 mm. Тръбите с големи диаметри се използват като основни в близост до топлоцентралите, откъдето се разпределят големи топлинни потоци, докато тези с по-малки диаметри се инсталират по-близо до крайните потребители.

Производство

Най-разпространената практика за производство на предварително изолирани с полиуретанова пяна топлопроводни тръби включва линия, на която всяка тръба се изработва поотделно.

Тръбите се произвеждат с дължина от 6 до 16 m и различна дебелина на слоя полиуретанова пяна в зависимост от конкретното приложение. Първо в непрекъснат процес се изработва HDPE корпусът, като гранулите полиетилен висока плътност се стопяват и екструдират в цилиндрична форма, след което получените тръби се отрязват с желаната дължина.

Сервизната тръба се центрира в корпуса, след което от един от краищата се инжектира формулата на полиуретановата пяна. Тя се получава в резултат на химичните взаимодействия между компонентите на формулата. При разширяване на пяната тя прилепва към повърхността на стоманената тръба и HDPE корпуса.

Техниките за непрекъснато производство са две. При спрей процеса слоеве от формулата на полиуретановата пяна се напръскват върху стоманената тръба, а HDPE корпусът или се екстудира, или се навива около изолацията.

В процеса на непрекъснато отливане формулата на пяната се полага върху лист полиетилен, над който е центрирана стоманената тръба. Листът се поставя в отливка с формата на тръба, а полиуретановата пяна се разширява. След това HDPE корпусът се екструдира върху тръбата. Производственият процес отново завършва с отрязване до желаната дължина.

Фиксирани и подвижни системи

Гъвкавите предварително изолирани тръби са два вида - с фиксирани или подвижни компоненти. При първите трите елемента - вътрешната тръба, полиуретановата изолация и корпусът са свързани.

Твърдата полиуретанова пяна служи един вид като лепило за съединяване на сервизната тръба с корпуса на топлопроводната тръба. Това свързване на компонентите не само увеличава издръжливостта на тръбата, но и затруднява разделянето на изолиращата пяна от тръбата.

При нужда от инспекция на вътрешната тръба производителите препоръчват разрязването на корпуса, отделянето му от пяната, отстраняването на изолацията и премахване на остатъците от нея с шкурка. Особено внимание трябва да се отдели на последния етап, за да не се наруши повърхността на сервизната тръба.

При подвижните системи сервизната тръба се покрива с няколко пласта полиетиленова или полиуретанова пяна, след което се поставя в гофриран HDPE корпус. Това осигурява повишена гъвкавост, тъй като всеки от слоевете на тръбопроводната система може да се движи независимо от останалите. Разрязването на полиуретановата изолация при необходимост от инспекция на тръбата е значително по-лесно.

Единични и двойни тръби

В някои топлоразпределителни мрежи се използват предварително изолирани двойни тръби. Те включват две тръби, поставени в общ външен корпус, като едната се използва за транспортиране на гореща вода от топлоцентралата до потребителя, а другата служи за пренос на обратния воден поток.

При инсталирането на подземни предварително изолирани топлопроводни системи е важно да се разберат разликите в термичните характеристики на единичните и двойните тръби. В някои случаи двойните конфигурации не са подходящи поради редуцираната дебелина на изолацията, което може да доведе до повишени загуби на топлинна енергия.

Тъй като обаче двойните тръби значително намаляват площта на изложената на земята повърхност, те все пак може да имат положителен ефект по отношение на топлинните загуби. Според проучване на термичните характеристики на единичните и двойните предварително изолирани тръби, ефективността дори се повишава с използване на двойни конфигурации.

Съгласно изследването с нарастване на разликата (DТ) между средната температура на водата и на земната повърхност се увеличава и разликата в експлоатационните характеристики на двете конфигурации.

Резултатите показват, че повишението в ефективността благодарение на вграждането на двете линии в един корпус може да достигне до 46%, с DТ между средната температура на водата и на земната повърхност от 43°C. Това би било аналогично на проектирането на система с температура на подаваната вода от 70°C, температура на обратния поток 60°C и температура на земната повърхност 4°C.

Трябва да се отбележи, че единичните тръби може да са по-добрият вариант, когато DТ между двете линии надвишава 20 градуса и когато разликата между температурите на подаваната вода и земната повърхност е голяма.

В този случай с използването на единичната конфигурация ще се предотврати топлопреносът от захранващата линия към тази за обратния поток, като същевременно ще се сведат до минимум и топлинните загуби от захранващата тръба към земята.

Инсталация

Предварително изолираните тръби с малки диаметри са изключително гъвкави и леки, което позволява бързото им полагане и лесното заобикаляне на препятствия като дървета и съществуващи сгради.

Поради гъвкавостта на тръбите те се доставят в навито състояние (до 250 m за някои размери), предоставяйки възможност за лесен транспорт и съхранение на площадката. Работата с предварително изолирани тръби с по-малки диаметри също е опростена - те могат да бъдат развити (на ръка или с помощта на специализирана машина при по-малките размери) директно в предварително подготвената траншея.

Възможността за поддържане на тръбата като един дълъг гъвкав участък предлага редица предимства по отношение на ограничаване на броя точки на съединяване, което спестява време, разходи и намалява вероятността от възникване на течове в бъдеще.

Редуцираният брой съединения означава и по-малко разрязване на тръбата и по-малка необходимост от фитинги за индивидуална изолация с цел контролиране на топлинните загуби. В допълнение, предварително изолираните тръби са много лесни за рязане, а високата им гъвкавост осигурява възможност за лесна реализация на сградните отклонения.

Инспекция

С времето полиуретановата пяна старее и изолационните й характеристики се влошават под въздействието на високите температури във вътрешната стоманена тръба и навлизането на въздух през външния корпус, който замества пенообразуващите агенти.

Излагането на високи температури за продължителни периоди води до повишаване на коефициента на топлопроводимост на изолацията и съответно до увеличени топлинни загуби.

Методите за дистанционна безразрушителна инспекция на полиуретановата пяна на предварително изолираните тръби са няколко, но най-разпространена е системата за мониторинг, състояща се от две медни жици - една отчитаща и една заземена.

Методът се основава на количеството електроенергия, което изолацията може да проведе. В зависимост от влажността на полиуретановата пяна електрическото съпротивление между стоманената сервизна тръба и изолацията намалява. Влажността може да бъде определена чрез измерване на импеданса.