Предварително изолирани тръбни системи за топлоснабдяване

Предварително изолираните тръби намират широко приложение в индустрията за транспортиране на високотемпературни флуиди. Базовата им конструкция включва стоманена (или изработена от друг материал) вътрешна тръба, изолационен слой и външна обвивка. Основна функция на технологията е запазване на температурата на транспортирания в тръбната система флуид.

Такъв тип тръби се прилагат масово в топлоснабдяването с цел предотвратяване загубите на топлинна енергия при транспорта на топлата вода от топлоцентралата към абонатите в мрежата. Традиционно за целта се използват единични тръби, но през последните години се разработват и налагат на пазара и двойни предварително изолирани тръбни системи с две вътрешни тръби в общ корпус.

Конвенционално изолирани тръби в индустрията и централното отопление

Конвенционални тръби с отделна външна изолация все още масово се използват в индустрията и топлоснабдителните мрежи в някои райони. Конструкцията на тези системи е останала почти непроменена от началото на индустриализацията до днес. Тя се състои от стандартна метална тръба, външен изолационен слой и защитна или фиксираща обшивка.

В миналото за изолация се е използвала предимно стъклена вата, но в наши дни тя е заменена от минерална вата, която осигурява намален риск за здравето на персонала, който извършва монтажа. Самото полагане се осъществява на етапи, а ефективността на изолацията зависи от начина на полагане и изолационните свойства на материала.

Тъй като при такива системи е трудно да се постигне абсолютна равномерност в дебелината и разположението на изолацията, често се допускат известни топлинни загуби в системата. В допълнение, стъпването върху конвенционално изолираните тръби по време на инсталация оставя видими следи върху изолационния слой и обшивката и повлиява ефективността им.

При конвенционалните системи често се получават микротечове от съединителните зони поради недобро уплътнение, които водят до навлизане на влага в изолацията и образуване на корозия по повърхността на вътрешната тръба и около присъединителните елементи. Това може да причини пробойни и нестабилност в системата, свързани с потенциални рискове за здравето на ползвателите или обслужващия персонал.

Търсене на по-ефективно техническо решение

С развитието на изолационните технологии и производствените техники все още има сериозен потенциал за оптимизиране на ефективността на тръбите, използвани в топлоснабдяването и индустрията, по отношение на допълнително намаляване на топлинните загуби и още по-лесна инсталация и поддръжка.

В практиката се използват главно две технологии - конвенционални тръби с отделна външна изолация и предпазна фиксираща обвивка и предварително изолирани тръби, които са готови за полагане. Основна предпоставка за разработването на последните е стремежът на проектантите на топлоснабдителни мрежи и индустриални тръбопроводи за транспорт на топлоносители и високотемпературни флуиди да намалят загубите на топлинна енергия и да подобрят здравината на използваните тръби, като така удължат експлоатационния им живот и намалят разходите за ремонти и поддръжка.

Най-голямото предизвикателство пред инженерите е разработката на високоефективен и равномерен изолационен слой с еднаква дебелина по дължината на целия тръбопровод, който е лесен за полагане и осигурява значителни икономии на енергия. Не на последно място, конфигурацията от тръба и изолационен слой трябва да е с достатъчна механична здравина и издръжливост на различни въздействия, за да не се поврежда при инсталация и експлоатация.

Така възниква идеята за твърд външен корпус, в който да се вложат основната тръба и изолацията още в производствената фаза. С цел оптимална ефективност на предварително изолираните тръби, те се изработват с абсолютно гладка повърхност и лесни за присъединяване зони в двата края на тръбата.

Предварително изолирани тръби

В сравнение с конвенционалните системи, предварително изолираните тръби предлагат редица предимства, сред които са значително удълженият експлоатационен период и намалените инвестиции за ремонт и поддръжка, улесненото полагане и много по-малките диаметри на тръбопроводите, които изискват и по-плитки канали при вкопаване в земята.

Концепцията за готово за полагане решение включва подобрена здравина благодарение на трислойната конструкция, чиито компоненти са свързани помежду си още в производствената фаза, както и абсолютна равномерност на изолационния слой.

Специалната технология на присъединяване позволява бърза и лесна инсталация без предпоставки за възникване на течове в съединителните зони, които са капсуловани или затворени фабрично с плътни капачки. От външната страна на тръбите могат да бъдат монтирани всякакви фиксиращи елементи, без това да повреди изолацията и да предизвика термомостове и загуби на топлинна енергия.

Всичко това намалява разходите и времето за полагане и обслужване на предварително изолираните тръби. В зависимост от приложението външната обвивка (както и останалите компоненти на този тип тръбни системи) може да бъде изработена от различни материали, например неръждаема стомана. Възможно е и хигиенно изпълнение на предварително изолираните тръби, което ги прави подходящи за транспортиране на високотемпературни флуиди например в хранително-вкусовата промишленост.

Посредством специална модулна технология предварително изолирани тръби могат да бъдат интегрирани и в съществуващи конвенционални тръбни системи.

Конструкция

Предварително изолираните тръби типично включват 3 компонента. Най-вътрешният е основната, вложена тръба, изработена от конвенционална, неръждаема стомана, мед или технически полимери. Следва средният изолационен слой, който обикновено е направен от полиуретанова, полиолефинова пяна или друг вид пенеста изолация с равномерна, ситно гранулирана структура със затворени клетки.

Външният компонент представлява защитен корпус от полиетилен, различни пластмаси или метал. Изборът на материали за изработка на отделните компоненти зависи основно от приложението и необходимите свойства и характеристики на тръбите. Изолацията е необходимо да се отличава с висока устойчивост на дифузия на водни пари, да не съдържа отровни материали и да отговаря на съответните изисквания и стандарти за строителство и противопожарна защита.

На пазара са достъпни основно три вида модификации на предварително изолирани тръби - прави, огънати и гъвкави. Технологиите за присъединяване включват използването на предварително изолирани свързващи елементи, като фитинги, разклонители, муфи, колена, капачки и др. Те се монтират към тръбите чрез техника, подобна на заваряването на обикновените тръби от термосвиваема пластмаса - чрез разтопяване на външния слой на тръбата и на съединителния елемент.

Предимства в сравнение с конвенционалните тръби

Сред основните предимства на предварително изолираните тръби са: пълна водонепроницаемост, корозионна устойчивост, висока енергийна ефективност, липса на нужда от поддръжка, устойчивост на UV лъчи, соли и химикали, подобрена повърхностна здравина и др.

Изолацията, типично изработена от пенополиуретан, се отличава с изключително добри топлоизолационни свойства. Така на практика при предварително изолираните тръби загубите на енергия под формата на топлина са с до 40% по-малки в сравнение с конвенционалните тръбни системи, използвани в индустрията и централното отопление.

Допълнително предимство на тези съвременни енергийно ефективни решения е възможността за експлоатация както на закрито, така и на открито. Изолационният слой и външната обвивка заедно се характеризират с висока якост и устойчивост на механични въздействия, например настъпване при монтаж. Сред основните плюсове на предварително изолираните тръбни системи са лесната и бърза инсталация и ниските оперативни разходи по време на жизнения цикъл.

Приложения в топлоснабдителни мрежи

Предварително изолираните тръби са разработени специално за приложения в топлоснабдяването, където и се използват основно. Характерни за топлоснабдителните мрежи са дългите разстояния на транспортиране на гореща вода или пара от топлоцентралата към абонатите.

Честа практика е разпределителните тръбопроводи, транспортиращи топлоносителя, да са свързани към отдалечени източници на топлинна енергия, в които се използват техники на високотемпературно изгаряне на гориво, вместо към централна отоплителна централа.

Предварително изолираните тръби системи са подходящи за приложения, в които топлоснабдяването се обезпечава от системи на възобновяеми енергийни източници в индустриални или селскостопански съоръжения. Специфичната им конструкция позволява транспортирането на флуиди с високи работни температури от порядъка на +95-100 °C (и повече) и високи налягания, а експлоатационният им цикъл е от порядъка на до 30 години.

Различните модели се предлагат с различна дебелина и вид на изолацията, които позволяват намаляване на топлинните загуби в системата в различни степен. Изолационният слой в предварително изолираните тръбни системи трябва да отговаря на изискванията на съответните стандарти, както по отношение на производствения цикъл, така и на експлоатацията.

Други приложни области

Предварително изолираните тръби не са нова технология. Те се използват в индустрията от близо три десетилетия. С всяка изминала година решенията на пазара стават все по-ефективни и високотехнологични, базирани на най-актуалните достижения в топлоизолационните материали и производствените техники.

Сред приложенията на тези решения, в допълнение към топлоснабдяването, са химическата промишленост, петрохимията, хранително-вкусовата и фармацевтичната индустрия, производството на алкохолни и безалкохолни напитки и др. Освен за гореща вода или технологична пара, предварително изолираните тръбни системи са подходящи за транспортиране и на: питейни и отпадъчни води, охлаждащи флуиди, кондензат, различни химикали, масла, луга, петрол и петролни продукти и др. Те са отлично решение и за всякакви типове ОВК и ВиК системи, както за и соларни инсталации.

Технически специфики

В топлоснабдяването типично се използват предварително изолирани тръбни системи, фитинги и аксесоари, изискванията към които са зададени в стандарта EN 253. Той е транспониран у нас като БДС EN 253:2009+A1:2013 “Тръби за градски топлопреносни мрежи. Система от предварително изолирани тръби за мрежи за топла вода, вкопани директно в земята. Сглобяване на тръби от стомана, топлинна изолация от полиуретан и външна обвивка от полиетилен”.

Допълнителни спецификации относно този тип решения за топлоснабдяване задават стандартите EN 448, EN 488 и EN 489. Възможно е както директно вкопаване на тръбите в земята, така и полагането им на открито върху земната повърхност. Във втория случай полиетиленовият външен корпус обикновено е заместен от кръгла спирално навита обшивка от поцинкована ламарина, която да предпази тръбата от по-агресивните работни условия на открито.

Коефициентът на топлопроводимост на изолационния слой от полиуретанова пяна или друг материал със сходни свойства е k=0,033-0,024 W/mK. Когато външната обвивка на тръбата е изпълнена от полиетилен, най-често за изработката й се използва полиетилен с висока плътност (HDPE).

Производството на предварително изолирани тръбни системи и компоненти за топлоснабдяване в Европейския съюз също се регулира от стандарта EN 253. Съгласно изискванията, тръбите се произвеждат за работа при постоянна температура от 130 °С (266 °F) в продължение на 30 години, запазвайки топлопроводимост по-малка от или равна на л=0,033 W/mK.

Възможни са три нива на дебелината на изолацията. Изолираните тръбопроводи обикновено се сглобяват от единични тръби с дължина 6 метра, 12 метра или 16 метра, които се вкопават под земята на дълбочина от 0,4 до 1,0 метра. Ефективният им експлоатационен живот се оценява на 25-30 години, след които е необходима подмяната им.

Производствени техники

В сравнение с конвенционалните системи, предварително изолираните тръби се произвеждат, условно казано, в обратна последователност. Производственият цикъл започва с изработването на външния защитен слой на тръбата от метал или полиетилен.

Тази техника е заимствана от практиките в производството на въздуховоди за вентилационни инсталации. След това във вътрешността на корпуса се центрира и фиксира вложената основна транспортна тръба. Важно е изключително прецизното й центриране, за да се осигури равномерен слой изолация по средата, който е с еднаква дебелина по цялата дължина на тръбата.

За производството на предварително изолирани тръби за топлоснабдяване се разработват специална гама пенополиуретанови изолационни материали, които при впръскване под високо налягане хомогенно и изцяло попълват вътрешното пространство между двете тръби. След известно време пяната се втвърдява, свързвайки външния и вътрешния слой на предварително изолираната тръба.

Тази производствена техника осигурява по-малък общ диаметър на тръбопровода, както и по-голяма дължина на единичната тръба, което от своя страна предполага по-малко присъединителни зони. По-високата им здравина в сравнение с конвенционалните тръби за топлоснабдяване изисква и по-малък брой поддържащи (носещи) елементи на единица дължина.

Изисквания към изолацията в производството на предварително изолирани тръби

В производството на предварително изолирани тръбни системи най-често се използва т. нар. прекъснато пълнене на тръбите, при което във всяка единична тръба се впръсква изолационна пяна на отделен етап. Необходимо е тя да е с такива характеристики, че при раздуването си да успее да запълни изцяло междинното пространство в тръби с дължина до 16 метра.

Пяната трябва да е с висока течливост, за да е налице равномерно по плътност разпределение на изолационния слой между концентрично разположените външна и вътрешна тръба. Сред изискванията към този материал е и той да осигурява добра адхезия към двете повърхности, с които влиза в контакт, за да осигури пълна монолитност на предварително изолираната система и да предотврати разместването на вътрешната вложена тръба.

Важно е полиуретановата, полиолефинова или друг вид изолационна пяна да е с минимален коефициент на топлопроводимост и висока температурна устойчивост, за да позволява работа при експлоатационни температури до 140 °C. Необходима е и оптимална устойчивост на натиск, за може изолацията да издържа на всякакви механични натоварения при транспортиране и полагане.