Промишлена топлоизолация на съдове, пещи, тръбопроводи

Полагането на топлоизолационно покритие или топлоизолационен слой върху дадено промишлено съоръжение има за цел да постигне няколко ефекта: топлинна защита с оглед намаляване на топлинните загуби и като следствие намаляване на енергопотреблението; предотвратяване появата на конденз; антикорозионна защита; звукоизолационна роля; удължаване на срока на експлоатация на промишления обект.

Неправилно подбраната или некачествена топлоизолация може да доведе до течове и сериозни повреди на обекта. На задължителна топлоизолация подлежат редица промишлени обекти, сред които: пещи, топлообменници, сушилни; хладилници и охладители; парокотелни системи – котли, бойлери, абонатни станции; топло- и паропреносни мрежи – тръбопроводи и кондензни гърнета; въздухопреносни мрежи – въздухопроводи; димоотводи и комини и др.

Изискванията към топлоизолационните материали и контрола по тяхното полагане са описани в конкретни наредби, изисквания и стандарти в зависимост от вида на промишленото съоръжение.

Критерии за избор на топлоизолационен материал

При избора на топлоизолационен материал се отчитат различни фактори:

• температура на обкръжаващата среда;

• температура на вътрешната и външната повърхност на съоръжението;

• допустими натоварвания при наличие на механични въздействия;

• коефициент на топлопроводност;

• физични свойства - плътност, паропропускливост, горимост и др.

Според предназначението си топлоизолационните материали се изработват за външна, вътрешно и подземно полагане (използване). Според вида на изделието, под формата на което се произвежда промишлената топлоизолация, се различават – плочи, листи, рула, фасонна изолация, листи от влакна с различна ориентация и др.

С най-висока огнеустойчивост се счита топлоизолация на минерална основа. Каучуковите продукти се отнасят към най-гъвкавите, а изделията от стъклени влакна – към нехигроскопичните.

При подбора на топлоизолациите с промишлено предназначение е препоръчително да се имат предвид следните експлоатационни характеристики:

• съпротивление на топлопренасяне – колкото по-нисък е коефициентът на топлопроводност, толкова по ефективна топлоизолация ще осигури материалът;

• устойчивост към агресивни фактори (температурни амплитуди, химически вещества и др.);

• пожарна безопасност - клас по горимост;

• паропроницаемост;

• екологичност (отделяне на токсични вещества при нагряване или горене);

• технологичност при монтаж.

По правило, пред промишлената топлоизолация има две основни задачи - да осигури безопасност в случаите, когато температурата на повърхността на съоръжението може да достигне 1000 °С, както и да осигури съхраняване на топлината в топлоносителя, ако температурата е до 150 °С.

В основата си топлоизолационните материали притежават закрита клетъчна структура, формирана от множество сферични пори, която позволява да се съхранят високи топлоизолационни характеристики в целия период на тяхната експлоатация.

Добрите топлоизолационни показатели се дължат на високия процент пористост, който в повечето случаи е над 80%. Независимо от вида на основния материал, от който се изработва промишлената топлоизолация и производителя, основен фактор за високи топлоизолационни характеристики се явява пористостта.

В зависимост от конкретните експлоатационни условия се предявяват различни изисквания към топлоизолационните материали, които ще се използват:

• за изолация за пещи с работна температура над

1000 °С - използват се огнеупорни материали, които се характеризират със структурна стабилност при тези температури и това им гарантира постоянство на свойствата в процеса на експлоатация.

• изолация за обекти с работна температура 400 -

900 °С – паропроводи, тръбопроводи за горещи течности, котли, топлообменници и др. В случая се използва изолация на основата на минерални вещества - пеностъкло, каменна вата, плочи от базалтови влакна и др.

• изолация за обекти с ниска работна температура (под 0 °С) - хладилни съоръжения, криогенна техника, студени тръбопроводи и др. Основен проблем в този случай е появата на конденз, замръзвания, корозия по металната повърхност, което изисква много ниски показатели на паропроницаемост на материалите. Като правило в тези случаи се използва изолация на основата на полиетилен или разпенен каучук.

• изолация на котли - освен температурното въздействие при избора на топлоизолационен материал е необходимо да се отчита и допълнителното въздействие на вибрациите от подключеното оборудване. Освен това слоят топлоизолация трябва да бъде достатъчно гъвкав за запълване на междини и за компенсиране на топлинните разширения в конструкцията. В такива случаи е препоръчително да се използват плочи и вати на минерална основа.

• изолация на резервоари и цистерни - съоръжения, които се използват в промишлеността за съхраняване на различни течности и газове, работещи при различни температури, което изисква използването на материали с широк диапазон на работната температура.

• топлоизолация на димоотводи - особено внимание в този случай се обръща на предотвратяването на образуването на киселинен корозионен кондензат. При това е особено важно температурата по вътрешната повърхност на стоманените комини, намиращи се вътре в димоотводната тръба да не пада под точката на кондензация на димните газове, което може да формира активни корозионни отлагания.

Видове топлоизолационни материали

В зависимост от материала, от който е изработена топлоизолацията, последните биват:

• неорганични – различни видове минерална вата и изделия на нейна основа, стъклени влакна и изделия на тяхна основа, експандиран вермикулит и перлит, клетъчни материали, диатомит, алуминиево фолио и др.

• органични – дървесно-влакнести плочи, поропасти, пенопласти;

• смесени – изолационни материали получени при смесването на горните два вида.

Според съдържанието на свързващо вещество, топлоизолационните материали се делят на: материали със свързващо вещество - клетъчни бетони, фибролит и др.; материали без свързващо вещество - стъклени и каменни влакна.

Според плътността си топлоизолационните материали се делят на:

• с особено ниска плътност - <100 kg/m3;

• с ниска плътност - 100-200 kg/m3;

• със средна плътност - 200-400 kg/m3;

• плътни – 400-600 kg/m3.

Плътността е един от основните показатели за качествата на топлоизолационните материали и затова винаги присъства в обозначението и спецификацията им.

Според степента на деформация при натиск, материалите се подразделят на:

• меки - >30%;

• полутвърди – 6-30%;

• твърди - <6%;

• материали с повишена твърдост – до 10% при въздействие 40 N/cm2;

• особено твърди – до 10% при въздействие 100 N/cm2.

Съвременните топлоизолационни материали се делят според коефициента на топлопроводност на такива:

• с ниска топлопроводност - <0,06 W/m.K;

• със средна топлопроводност - 0,06-0,115 W/m.K;

• с висока топлопроводност - 0,115-0,175 W/m.K.

Най-често използваните материали за промишлена топлоизолация са:

Минерална вата - универсален топлоизолационен материал, който може да се използва практически за всички видове промишлени съоръжения и конструкции – от фундаменти до покриви, от хладилни до пещни инсталации.

Основни свойства, които определят предимството на този топлоизолационен материал, са ниска топлопроводност, достатъчна якост, еластичност и стабилност, химическа инертност, екологическа чистота, пожаро- и огнеустойчивост (Tmax=600-700 °C), широк температурен експлоатационен интервал (от -180 °С до +700 °С), ниска влагоабсорбираща способност (не повече от 0,5% влага) и дълговечност.

Минералната вата се характеризира и с много добри звукоизолационни свойства. Тя се произвежда или на основата на базалт или на основата на металургична шлака с до 4,5% добавки (смола, хидрофобизатори и обезпрашители). Шлаковата вата по много параметри отстъпва на каменната вата, защото губи свойствата си при повишена влажност и при критични положителни и отрицателни температури.

Това определя и по-ограниченото й приложение – основно в жилищното строителство. Минералната вата представлява смес от неориентирани влакна с диаметър 2-10 m и дължина 2-16 mm, смесени с органично свързващо вещество, която притежава висока пористост, осигуряваща и добрите топлоизолационни характеристики на материала. Топлоизолационните материали на основа на минерална вата се произвеждат под формата на дюшеци и плочи, каширани или некаширани.

Стъклена вата - представлява топлоизолационен материал отново на минерална основа и по технология на производство прилича на минералната вата. Изходна суровина за производството на стъклена вата e обикновеното стъкло или отпадъка от стъклопроизводството.

Стъклената вата се характеризира с висока химическа устойчивост, негоримост, ниска плътност и много добра топлоизолираща способност. Притежава много добра звукопоглъщаща способност, мразоустойчивост, ниска хигроскопичност, по-висока якост от тази на минерална вата и способност да работи до температури -450 °С, т. е. по-ниски от тези за каменната вата.

Стъклената вата се използва за топлоизолация на конструкции с температура на повърхността от -200 °С до +450 °С. Тя представлява тъкан или нетъкан материал от влакна с диаметър 3-15 m и дължина 15-50 mm, смесени с органично свързващо вещество. По-големите размери на стъклените влакна спрямо тези на минералните определят по-високата якост и еластичност на стъклената вата.

Основен недостатък се явява нейната деформация (свиване) в периода на експлоатация и необходимостта от употребата на лични предпазни средства при работа с нея. Топлоизолационните материали на основа на стъклена вата се произвеждат под формата на дюшеци, плочи, цилиндри и др.

Експандиран вермикулит - естествен минерал от групата на хидрослюдите, който се образува в земните недра и има слоеста структура. След обработка при температура 1000 °C има способността да експандира (да увеличава обема си 15-20 пъти), при което се превръща в лек порест материал с много добри топлоизолационни характеристики.

Експандираният вермикулит е неорганичен материал, характеризиращ се с инертност и висока химическа стабилност, висока температуроустойчивост и нетоксичност. Топлопроводността на експандирания вермикулит се изменя от 0,045 W/(m.K) до 0,15 W/(m.K) в зависимост от диаметъра на частиците му и работната температура.

Специфичните качества на експандирания вермикулит му отреждат място на подходящ топлоизолационен и огнезащитен материал в металургичната и химическата промишленост, в строителството, където има изисквания за противопожарна защита с огнеустойчивост до 4 часа.

Керамична вата - нов вид топлоизолационни и огнеупорни материали, получени на основата на алумосиликатно влакно без наличие на свързващо вещество. Керамичната вата се характеризира с висока химическа устойчивост, особено на действието на киселини и масла, и водоустойчивост. Предимство е високата топлоустойчивост, ниска топлопроводност и топлоемкост.

Негорим материал, който може да се прилага при температури до 1400 °С. За керамичната вата е характерно, че притежава якост над 50 kРа и свиване по-малко от 3%. Благодарение на високата си якост, относително лесен монтаж и висока температурна устойчивост, керамичните вати се явяват търсен топлоизолатор за промишлени пещи, тръбопроводи, парови и газови турбини, котли и др. Керамичните вати по всички показатели превъзхождат минералната вата.

Пенобетон - вид клетъчен бетон с приложение изключително като топлоизолационен материал. Характерно за пенобетона е равномерно разпределената затворена пористост, която всъщност представлява пори от спокоен въздух. Пенобетонът се получава чрез механичното смесване на специални добавки – пенообразуватели, с бетонната смес.

Като материал с минерален състав, пенобетонът е негорим и химически инертен, който не старее и не гние. Много добър звукоизолатор е. От гледна точка на топлотехнически характеристики притежава коефициент на топлопроводност – 0,08-0,39 W/(m.K) при значително висока якост на натиск - 0,75-12,5 МРа, която основно зависи от плътността му. Последната се изменя в интервала 400-1200 kg/m3.

Пенобетонът е подходящ материал за топло- и звукоизолация на покриви, подове, тръби, прегради в сгради, както жилищни така и промишлени, както и в ролята на огнезащитно покритие за конструкции.

Газобетон - също вид клетъчен бетон, който за разлика от пенобетона се получава в резултат на протичане на химична реакция между добавка – газообразувател, и бетонната смес. Основни негови предимства са малкото му тегло (плътност от 300 до 1200 kg/m3), добрите топлоизолационни характеристики (0.12-0.15W/m.K), лесна обработваемост, и относително добри механични показатели (якост на натиск до 7,5 МРа) за материал с пористост около 80-85% и висока мразоустойчивост (35-50 цикъла).

Газобетонът е топлоустойчив материал, който може да понесе кратковременни въздействия до 300 °С, добър звукоизолатор е. Основен негов недостатък е високата му крехкост, хигроскопичност и влагопопиваемост.

Микропореста гума - представлява еластичен органичен материал с клетъчна структура, изграден на основата на твърд каучук и латекс. Може да работи при температури в интервала обикновено от -50 °С до +70 °С. Характеризира се с плътност около 100 kg/m3 и коефициент на топлопроводност по-нисък от 0,039 W/m.K.

Мек и еластичен материал, попадащ в групата на трудногоримите, с относително висока химическа устойчивост. Подходящ е за направа на гъвкави топлоизолационни изделия за тръби, тръбопроводи, хладилни и климатични инсталации и др.

Пенополиуретан - органичен микропорест топлоизолационен материал, изработен на основата на полиуретан. Притежава нисък коефициент на топлопроводност (<0,028 W/(m.K)), дължащ се на висока пористост (85-95%), химическа стабилност и относително широк диапазон на температурна експлоатационна пригодност (-160 °C - +150 °C).

За представител на разпенените полимерни материали има относително добри механични характеристики – якост на натиск 0,15-1 МРа и якост на опън при огъване 1,2-2,1 МРа. Пенополиуретанът не гние. Всичко това, съчетано с малка маса (плътността му е 40-60 kg/m3), еластичност и добра адхезия към различни повърхнини (бетон, дървесина, стъкло, метал) го правят привлекателен топлоизолационен материал за тръби, тръбопроводи, стени, конструкции със сложна конфигурация и др.

Попада в групата на трудногоримите материали. Недостатък на пенополиуретана е, че старее при ултравиолетово лъчения, т.е. необходима е защита от действието на преки слънчеви лъчи.

Пенополиетилен - еластичен полимерен материал с равномерна закрита клетъчна пористост, получаващ се в резултат на разпенване на полиетилен.

Пенополиетиленът се характеризира с много добри топлоизолационни свойства (<0,038 W/(m.K)), звукопоглъщащи характеристики, еластичност и технологичност. Благодарение на закритата си пористост не е хигроскопичен, но и не пропуска през себе си водни пари.

Пенополиетиленът е дълговечен материал, отличаващ се с химическа устойчивост (особено на различни нефтопродукти) и устойчивост на гниене. По горимост попада в клас по реакция на огън В, т. е. трудногорим. На основата на пенополиетилен се изработват рулони, тръби или листи с различна плътност, които се използват за топлоизолация на тръби и стени.

Промишлени огнеупорни материали

Сред най-често използваните промишлени огнеупорни материали са:

Магнезиални огнеупори – това са огнеупорни материали на основата на MgO (повече от 80%) и добавки. Получават се след изпичане на магнезитов прах при 1500-1900 °С. Магнезиалните огнеупори имат висока устойчивост при контакт с разтопени метали и шлаки, поради което се използват за футеровка на пещи, топилни агрегати и разливни съоръжения. Огнеупорността е до 1600 °С.

Шамотни огнеупори - алумосиликатни огнеупори, съдържащи 28-45% А12О3 и 50-70% SiO2. Получават се при изпичането на шамот (изпечен при 1300-1500 °С каолин и след това смлян до прахообразен вид), който се формова и обработва при 1300-1400 °С. Шамотните огнеупори се използват за футеровка на доменни пещи, стоманоразливни съоръжения, пещи, котли и др. Огнеупорността е над 1600 °С, а максималната температура на експлоатация е до 1300-1400 °С.

Високоалуминатни огнеупорни материали - алумосиликатни огнеупори, които съдържат повече от 45% Al2O3. Получават се при изпичането на различни видове глина – боксит, глинозем и др. Използват се в качеството на футеровки на пещи в металургичната промишленост, въздухонагреватели, съоръжения за разливане на стомана и др. с работна температура над 1300-1350 °С, а също и в качеството си на огнеупорни изделия като чаши и съдове за разливане на стомана, тръбички за термодвойки и др.

Алумосиликатните огнеупори, които съдържат повече от 95% Al2O3, се получават чрез изпичане на корундов пясък и глинозем при температура 1600-1750 °C. Това определя и по-високите им работни температури – до 1750-1800 °С. Използват се като формовани огнеупорни изделия, работещи в контакт с течни метали, стъкло, шлака, киселини и основи, или като огнеупорни плочи за футеровка на пещи, високотемпературни въздухонагреватели, тигли и др.

Динасови огнеупори - огнеупорни материали на основата на SiO2 (съдържат повече от 80% SiO2), които се получават при изпичането на кварцити при Т=1430-1460 °С. Огнеупорността им е над 2000 °С. Използват се за футеровка на съоръжения в стоманодобивната промишленост – пещи, разливни машини, въздухонагреватели и в стъклопроизводството. Неформованите динасови огнеупори – мертели, се използват под формата на обмазки за изграждане или ремонт на огнеупорни зидани елементи.

Огнеупорен бетон - изготвя се на основата на глиноземен портландцимент с добавка на шамотен пясък и чакъл. Възможни са и други варианти – корундов, бокситов или магнезитов добавъчен материал. В качеството на свързващо вещество може да се използва и водно стъкло.

Огнеупорният бетон има едно основно предимство пред изпечените огнеупорни материали – позволява да се направи безшевна футеровка на пещи и агрегати. Според експлоатационния режим се различават три вида огнеупорни бетони:

• топлоустойчиви – работят до температура 1580 °C;

• огнеупорни - Т=1580 – 1770 °C;

• високоогнеупорни – Т>1770 °C.

На базата на разгледаните по-горе промишлени топлоизолации за съдове, пещи, тръбопроводи и огнеупорни материали и съществуващото многообразие от съоръжения във всички области на индустрията и разнообразието на работните среди може да се обобщи, че това налага предлагане на различни по състав и предназначение материали, отговарящи на конкретните потребности на ползвателя им.

Същевременно е необходимо да се следят и изискванията за контрол при полагането им, описани в конкретни наредби, изисквания и стандарти. Важен момент при използването на промишлени топлоизолационни и огнеупорни материали са климатичните промени и замърсяването на околната среда.

доц. д-р инж. Росица Петкова-Слипец

доц. д-р инж. Пенка Н. Златева