Тепловая изоляция трубопроводов тепловых сетей имеет огромное значение в проектировании, строительстве и эксплуатации инженерных объектов, особенно в вопросах снижения потерь теплоты, повышения энергоэффективности систем теплоснабжения и обеспечения требуемых условий эксплуатации. Особенно актуально обеспечение требуемых условий эксплуатации тепловых сетей, расположенных в районах Крайнего Севера, в районах расположения вечномёрзлых грунтов.
Бóльшая часть (свыше 60%) территории Российской Федерации находится в зоне действия криолитозоны — вечномёрзлых грунтов (рис. 1) [1], начиная от берегов морей Северного Ледовитого океана, а именно Баренцева, Белого, Карского, Восточно-Сибирского и Чукотского морей, а также моря Лаптевых.
Глубина промерзания таких грунтов колеблется от нескольких сантиметров до 2–2,5 м в зависимости от температуры наружного воздуха. В средних широтах промерзанию подвержен небольшой поверхностный слой, называемый сезонной мерзлотой. В северных широтах за долгую, морозную зиму земля промерзает очень глубоко, и коротким летом она оттаивает лишь с поверхности на 0,5–2 м в глубину. Ниже оттаивающего слоя круглый год сохраняются отрицательные температуры, то есть расположены вечномёрзлые грунты.
К трубопроводам тепловых сетей, расположенным в зоне действия вечномёрзлых грунтов, предъявляются дополнительные требования по их прокладке и проектированию, которые необходимо выполнять с учётом прогноза изменения мерзлотно-грунтовых условий и принятого принципа использования вечномёрзлых грунтов как оснований проектируемых и эксплуатируемых зданий и сооружений, и необходимости проведения мероприятий по сохранению устойчивости конструкций тепловых сетей [2].
Рис. 2. Схема надземной прокладки трубопроводов на общих свайных опорах
При надземной прокладке тепловые сети должны предусматриваться на эстакадах, низких или высоких отдельно стоящих опорах, а также в наземных каналах, расположенных на поверхности земли (рис. 2). Свайные основания трубопроводов в районах распространения вечномёрзлых грунтов выполняются из свай заводского изготовления (рис. 2).
Наиболее важными показателями, по которым выбирается тот или иной теплоизоляционный материал для применения на участках трубопроводов тепловой сети, являются [3]: коэффициент теплопроводности, плотность, группа горючести и температурный режим эксплуатации.
Сравнительные характеристики теплоизоляционных материалов приведены в табл. 1. Все рассмотренные материалы соответствуют требованиям, предъявляемым современными нормами [2, 3].
По показателю коэффициента теплопроводности (без учёта температуры теплоносителя), наиболее эффективными являются четыре теплоизоляционных материала: пенополиуретан (ППУ) [коэффициент теплопроводности в сухом состоянии при 20°C от 0,024 до 0,034 Вт/(м∙°C)], пенополиминерал (ППМ) [от 0,043 до 0,047 Вт/(м∙°C)], вспененный каучук [от 0,034 Вт/(м∙°C)] и каменная (базальтовая) вата [от 0,032 до 0,046 Вт/(м∙°C)].
Как теплоизоляционный материал лидирующее положение по теплофизическим характеристикам занимает пенополиуретан, однако по показателю долговечности и экономичности он значительно уступает каменной вате.
Данная исследовательская работа была выполнена при поддержке Научно-образовательного центра мирового уровня «Российская Арктика: новые материалы, технологии и методы исследования». Расчёт толщины тепловой изоляции выполнялся по нормируемой плотности теплового потока для климатических условий города Якутска. Проведём сравнительный анализ полученных результатов расчёта при применении следующих теплоизоляционных материалов: пенополиуретана и минеральной ваты (табл. 2 и 3).
Полученные результаты позволяют сделать вывод о наибольшей эффективности материала пенополиуретана, при использовании которого получена наименьшая толщина тепловой изоляции. В то же время толщина изоляции, рекомендуемая [4, 5] (табл. 4), меньше требуемых расчётных значений, полученных по результатам расчёта.
При определении наибольшего температурного влияния на мёрзлый грунт была рассчитана температура на поверхности теплоизоляционной конструкции при наибольшей температуре воздуха наиболее жаркого месяца [6–11]. Результаты расчёта приведены в табл. 5. Полученное значение температуры на поверхности тепловой изоляции имеет небольшое превышение над температурой окружающей среды и составляет 1,307–0,548°C.
Заключение
Чтобы получить рекомендуемые [3, 4] толщины теплоизоляционного материала (ППУ), а также для полного предотвращения температурного влияния на мёрзлый грунт, которое может передаваться от теплоизолированной конструкции по поверхности опор на основание, предлагается внести коррективы по величине коэффициента теплопроводности применяемых теплоизоляционных материалов, за счёт его уменьшения.
Полученное расчётным путём оптимальное значение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала не превышает 0,030 Вт/(м·°C) с учётом температуры теплоносителя.
