Определение эффективности тонкопленочных теплоизоляционных покрытий применительно к системам теплоснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Логинова, Наталья Арамовна

• Логинова, Наталья Арамовна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Логинова, Наталья Арамовна

Введение.|.

1. Анализ состояния проблемы снижения эффективности эксплуатирующихся ! трубопроводов и оборудования тепловых сетей.;.

1.1. Тепловые потери при транспортировке и распределении тепловой энергии.

1.2. Анализ существующих видов теплоизоляционных конструкций в системах теплоснабжения.

1.3. Эффективность применения традиционных и новых; теплоизоляционных материалов для снижения тепловых потерь в системах теплоснабжения.

1.4. Анализ действующих нормативных документов; для расчета тепловой изоляции применительно к трубопроводам: систем теплоснабжения.

1.5. : Выводы и постановка задач .;.

2. Методика; проведения исследование описание экспериментального оборудования:.

211. Методика- определения коэффициента: теплопроводности и термического сопротивления? одно- и многослойных тонкопленочных теплоизоляционных покрытий;.

2.2. Описание процесса подготовки исходной поверхности образцов.1.

2.3; Описание процесса формирования, тонкопленочных покрытий на цилиндрической поверхности.

2.41 Конструкция и принцип действия экспериментального стенда для определения коэффициента теплопроводности тонкопленочных теплоизоляционных покрытий (ТТП).

2.5. Оценка погрешности измерений и определения- значений коэффициента теплопроводности.

3. Определение влияния, характеристик полых микросфер и структуры ТТП на теплоизоляционные свойства трубопроводов систем теплоснабженя.

3.1. Определение влияния связующего вещества ТТП на коэффициент теплопроводности теплоизолированных образцов.

3.1.1. Выбор связующего вещества.

3.1.2. Проведение исследований по определению влияния связующего вещества на теплоизолирующие свойства ТТП.

3.2. Определение влияния характеристик полых микросфер на коэффициент теплопроводности образцов с ТТП.

3.2.1. Виды микросфер используемых в ТТП.

3.2.2. Определение влияния диаметра и концентрации микросфер в составе связующего вещества на коэффициент теплопроводности ТТП.

3.2.3. Проведение исследований по определению влияния газонаполненных и вакуумированных микросфер на теплопроводность ТТП.

3.3. Определение влияния количества слоев ТТП на коэффициент теплопроводности теплоизолированных образцов.

3.4. Определение влияния фольгирования наружной поверхности на теплопроводность исследуемых образцов с ТТП.

3.5. Структура теплоизоляции трубопроводов систем теплоснабжения на основе применения многослойных ТТП.

4. Определение эффективности теплоизоляции трубопроводов систем теплоснабжения на основе применения ТТП с полыми микросферами.

4.1. Описание методики оценки технико-экономической эффективности применения ТТП для теплоизоляции трубопроводов систем теплоснабжения.

4.2. Определение технико-экономических параметров ТТП.

4.3. Алгоритм определения эффективности применения ТТП для теплоизоляции трубопроводов систем теплоснабжения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение эффективности тонкопленочных теплоизоляционных покрытий применительно к системам теплоснабжения»

Актуальность работы.

В Российской Федерации энергосбережение является важнейшей задачей. Актуальность этой проблемы обусловлена в первую очередь весьма низкой среднегодовой температурой окружающей среды (- 5,5 °С), значительной длительностью отопительного сезона (в целом ряде регионов РФ этот показатель превышает 200 дней, а в отдельных регионах отопление зданий и сооружений осуществляется постоянно), а также наличием большого числа морально и физически устаревшего оборудования. Масштабность этой проблемы для нашей страны характеризуется следующими показателями. Длина теплопроводов систем теплоснабжения страны составляет 260 тысяч км. Из них порядка 60 тысяч км находятся в аварийном состоянии. Потери тепла при транспортировке достигают 80 млн. т. у. т. в год при общем расходе на теплоснабжение 400 млн. т. у. т. в год. Ежегодные потери энергоресурсов в нашей стране сравнимы с годовым энергопотреблением промышленно развитых европейских государств.

В значительной мере сверхнормативные потери тепла обусловлены неудовлетворительным техническим состоянием теплоизоляционных конструкций трубопроводов и оборудования. Поэтому задача улучшения теплоизоляции трубопроводов и оборудования систем теплоснабжения является весьма актуальной.

В последнее время на отечественном рынке появились принципиально новые теплоизоляционные материалы, создаваемые с использованием полых микросфер и различного рода связующих. Однако на сегодняшний день теплофизические свойства этих материалов не изучены в полной мере. Опубликованные данные показывают весьма существенную разницу значений коэффициента теплопроводности одних и тех же материалов.

По действующим на сегодняшний день стандартам на территории РФ определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов, предназначенных для трубопроводов систем теплоснабжения, осуществляется тестированием плоских образцов в стационарном изотропном температурном поле при комнатных условиях, что не соответствует реальным эксплуатационным условиям и приводит к существенным ошибкам в оценке коэффициента теплопроводности. Целью диссертационной работы является определение эффективности тонкопленочных теплоизоляционных покрытий применительно к теплоизоляционным конструкциям трубопроводов и оборудования систем теплоснабжения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• разработана методика определения термического сопротивления и коэффициента теплопроводности тонкопленочных теплоизоляционных покрытий (ТТП), сформированных на металлических поверхностях цилиндрической формы;

• впервые определено влияние:

- диаметра газонаполненных микросфер на коэффициент теплопроводности однослойного ТТП, сформированного на цилиндрической поверхности;

- концентрации газонаполненных микросфер на коэффициент теплопроводности однослойного ТТП, сформированного на цилиндрической поверхности;

- количества слоев покрытия на термическое сопротивление ТТП* при использовании газонаполненных и вакуумированных микросфер оптимального диаметра и максимально возможной концентрации;

• определена доля потерь тепловой энергии, обусловленная лучистой составляющей теплообмена, на трубной теплоизолированной поверхности с экранированным многослойным ТТП;

Достоверность. Достоверность полученных результатов определяется многократной повторяемостью экспериментальных данных, использованием высокоточных современных средств измерений, определением погрешности измерений, использованием современной системы программирования МаНаЬ 112006а.

Практическая ценность работы:

• созданный экспериментальный стенд позволяет в широком диапазоне режимных параметров эксплуатации трубопроводов систем теплоснабжения определять термическое сопротивление тонкопленочных многослойных теплоизоляционных покрытий;

• показано, что применительно к системам теплоснабжения в структуре ТТП наиболее целесообразно использование вакуумированных микросфер;

• на основании результатов исследований разработана структура экранированного многослойного ТТП для теплоизоляции трубопроводов и оборудования систем теплоснабжения, сопоставимого по эффективности с пенополиуретановой теплоизоляцией;

• разработан алгоритм определения эффективности использования ТТП для теплоизоляции трубопроводов и оборудования в системах теплоснабжения.

Апробация работы. Результаты работы представлены на Всероссийской научно-практическую конференции "Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем" ЭНЕРГО-2010 (г. Москва, 2010 г), на XIV, ХУ-ой Международных научно-технических конференциях ГОУВПО МЭИ (ТУ) (г. Москва, 2008, 2009 гг.); на Четвертой всероссийской Школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Энергосбережение - теория и практика" (г. Москва, 2008 г.); на заседаниях НТС кафедры «Промышленных теплоэнергетических систем» и научного центра "Повышение износостойкости энергетического оборудования электростанций" МЭИ (ТУ).

Публикации. Результаты исследований и разработок, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения, представлены в 7 публикациях, в том числе в 4 статьях, опубликованных в реферируемых журналах из перечня ВАК.

Автор защищает:

• методику определения термического сопротивления и коэффициента теплопроводности тонкопленочных теплоизоляционных покрытий, сформированных на металлических поверхностях цилиндрической формы;

• конструкцию экспериментального стенда, позволяющего в широком диапазоне режимных параметров эксплуатации трубопроводов систем теплоснабжения, исследовать ТТП;

• результаты экспериментальных исследований по определению влияния:

- диаметра газонаполненных микросфер на коэффициент теплопроводности однослойного тонкопленочного теплоизоляционного покрытия, сформированного на цилиндрической поверхности;

- концентрации газонаполненных микросфер на коэффициент теплопроводности однослойного тонкопленочного теплоизоляционного покрытия, сформированного на цилиндрической поверхности;

- количества слоев покрытия на термическое сопротивление ТТП при использовании газонаполненных и вакуумированных микросфер оптимального диаметра и максимально возможной концентрации;

• результаты экспериментальных исследований по определению доли потерь тепловой энергии, обусловленной лучистой составляющей теплообмена, на трубной теплоизолированной поверхности с экранированным многослойным ТТП;

• результаты экспериментальных исследований, показывающие эффективность использования вакуумированных микросфер в ТТП применительно к системам теплоснабжения;

• структуру экранированного многослойного ТТП для теплоизоляции трубопроводов и оборудования систем теплоснабжения, сопоставимого по эффективности с пенополиуретановой теплоизоляцией;

• алгоритм определения эффективности использования ТТП для теплоизоляции трубопроводов и оборудования в системах теплоснабжения.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Логинова, Наталья Арамовна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований в рамках настоящей работы, анализа и обобщения результатов сделаны следующие выводы:

• Разработанная методика и созданный экспериментальный стенд позволяют более точно определять термическое сопротивление и коэффициент теплопроводности сформированных на трубных поверхностях многослойных ТТЛ в диапазоне температур, характерных для эксплуатации систем теплоснабжения.

• На основе результатов экспериментальных исследований показано, что наибольшая эффективность ТТП достигается при оптимальном диаметре микросфер и максимально возможной их концентрации. Применительно к ТТП с газонаполненными микросферами наиболее целесообразно использование микросфер диаметром, находящемся в диапазоне от 50 до 100 мкм при их концентрации в объеме ТТП 85%.

• Экспериментально подтверждено, что фольгирование ТТП позволяет снизить долю потерь энергии с лучистой составляющей теплообмена на 27 -35 % в зависимости от значений температуры на поверхности ТТП.

• Показано, что применительно к теплоизоляции трубопроводов систем теплоснабжения использование ТТП возможно только в многослойном исполнении с использованием вакуумированных микросфер и связующих веществ, соответствующих требованиям условий эксплуатации.

• Разработанные на основании результатов исследований экранированные многослойные ТТП применительно к теплоизоляции трубопроводов и оборудования систем теплоснабжения сопоставимы по своей термодинамической эффективности с пенополиуретановой теплоизоляцией.

• Разработанный на основании исследований и технико-экономических расчетов алгоритм позволяет определять эффективность применения различного рода тонкопленочных теплоизоляционных покрытий в системах теплоснабжения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Логинова, Наталья Арамовна, 2010 год

1. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов/ Соколов Е.Я. — б — е изд., перераб. — М.: Издательство МЭИ, 1999. 472 е.: ил.2. «КБ Теплоэнерго»// А. Кравчук// Энергосбережение. Основные источники потерь в тепловых системах и способы их устранения.

2. В. И. Ливчак. Совершенствование систем централизованного теплоснабжения крупных городов России// Журнал AB OK, №5/2004

3. И.А. Башмаков. Потенциал энергосбережения в России.// 5ЕСурнал «Энергосбережение», №1/2009

4. СНиП 41-02-2003. "Тепловые сети".

5. СНиП 41-03-2003. "Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов

6. Теплоизоляция трубопроводов теплосетей: Учеб.-метод.пособие/ В.М. Копко. Минск: Технопринт, 2002. - 160 е.: ил.

7. СНиП 2.04.07-86 (1994). "Тепловые сети".

8. СНиП 2.04.14-88 (1998). "Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов".

9. Современные строительные товары. Справочник. — М: Росстройкомплект, 1998.

10. Строительные материалы // Под редакцией В.Г. Микульского. М: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 1996.

11. Baustoffkenntnis/begr. Von Whilhelm Scholz. Unter Mitarb. Von Heinrich Bruckner.- 14, neubearb. Und erw.Aufl. -Duesseldorf: Werner, 1999.

12. Шойхет Б. M., Ставрицкая JI. В., Ковылянский Я. А. Тепловая изоляция трубопроводов тепловых сетей. Современные материалы и технические решения / "Энергосбережение" №5, 2002.

13. Пащенко Е. И. Анализ причин снижения ресурса тепловых сетей / "Новости теплоснабжения", № 12(28), 2002.

14. Гафаров А.Х. Анализ эффективной и надежной работы системы теплоснабжения / "Новости теплоснабжения", №5, 2003.

15. Методические указания по составлению энергетических характеристик для систем транспорта тепловой энергии. СПО ОРГРЭС, 1999.

16. Справочно-информационные материалы по определению потребного количества тепловой энергии на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение и прочие нужды потребителей. Администрация Ивановской области. РЭК. 1998.

17. ТУ 5870-01-001-263231-99. Полистирольная смесь.

18. Иванов В. В., Букаров Н. В., Василенко В. В. Влияние увлажнения изоляции и грунта на тепловые потери подземных теплотрасс / "Новости теплоснабжения", № 7(23), 2002.

19. ТУ 2254-215-0576111. Пенопласт ППУ.

20. Майзель И.Л., Петров-Денисов В.Г. Еще раз об экономической и технической целесообразности применения трубопроводов с индустриальной пенополиуретановой изоляцией для теплоснабжения / "Новости теплоснабжения", №3, 2003.

21. Теплоизоляционный состав патент РФ №2098379, 1997.

22. Умеркин Г.Х., Дроздов С.А., Копцов В.А. Исследование прочностных характеристик теплоизоляционной конструкции в пенополимерминеральной изоляции / Информационная система по теплоснабжению РосТепло.ги, www.rosteplo.ru.

23. Валгин В. Д. Отечественная энергосберегающая технология теплоизоляции строительных конструкций с использованием пенопласта нового поколения / Информационная система по теплоснабжению -РосТепло.ги, www.rosteplo.ru.

24. Умеркин Г.Х. Исследование процессов высыхания пенополимерминеральной теплогидроизоляции / «Новости теплоснабжения», № 11,2005.

25. Ширинян В.Т. О целесообразности использования ЖКП / Научно-технический журнал, № 9(85), 2007.

26. В.Г. Семенов. Тепловые сети систем централизованного теплоснабжения./ Энергосбережение, №5, 2004 г.

27. ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме».

28. ГОСТ 30256-94 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом»

29. В.А. Осипова. Экспериментальное исследование процессов теплообмена: Учеб.пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1979. -320 е., ил.

30. Кондратьев Г.М. «Определение коэффициента теплопроводности изоляционных и строительных материалов и зависимость его от температуры»//Труды Ленинградского областного теплотехнического института, 1939 г.

31. ISO 8497:1994 «Thermal insulation Determination of steady-state thermal transmission properties of thermal insulation of circular pipes»/ ISO 1994/Switzerland- 16 pages.

32. Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов.- М.: Издательство МЭИ, 2001. 550 е., ил.

33. СНиП 41-02-2003. Строительные нормы и правила "Тепловые сети".

34. СНиП 41-03-2003. Строительные нормы и правила «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов»

35. ГОСТ 9.402-2004 "Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Подготовка металлических поверхностей перед окрашиванием"

36. ТУ 2312-001-49248846-2000 «Термостойкие антикоррозионные эзугали «ЦЕРТА»»

37. РД 153-34.0-20.518-2003 «Типовая инструкция по защите тепловых сетей от наружной коррозии»

38. Обработка результатов измерений. Физическая лаборатория/ Савчук В.П.: 41.Учеб. пособие для студентов вузов. — Одесса: ОНПУ, 2002. —- 54 с. ил.

39. Основы температурных измерений/ А.Н. Гордов, О.Н. Жагулло, А.Г. Иванова. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 304 е.: ил.

40. Теоретические основы измерения нестационарной температуры/ H.A. Ярышев.- 2-е изд., перераб. JI.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. — 256 е.: ил.

41. Влияние влагопроницаемости покрытий на их загцитно-декоративныесвойтсва. Прокопович Б.В., Яремчук JI.A. (УкрГЛТУ, г. Львов, Украина)//Тезисы докладов международной научно-технической конференции "Лес-2000"

42. В.Ф. Шведов. Теплопроводность низкотемпературной теплоизоляции/ Журнал «Холодильная техника» №1/2006.

43. Теория тепломассообмена: Учебник для технических университетов и вузов/С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др.,: Под ред. А.И. Леонтьева.- 2-е изд., испр. и доп.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. — 683 с.

44. Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов.- М.: Издательство МЭИ, 2001. 550 е., ил.48. ФЕР-81-02-26-2001

45. Р НП «АВОК» 5 -2006 «Рекомендации по оценке экономической эффективности инвестиционного проекта теплоснабжения»

46. Экономика энергетики: учеб.пособие для вузов/ Н.Д. Рогалев, А.Г. Зубкова, И.В.Мастерова и др.; под.ред. Н.Д. Рогалева.- М.: Издательство МЭИ, 2005.-288 с.

47. Р.Мурашов. Предварительно изолированные трубопроводы централизованного теплоснабжения/ Журнал «Сантехника. Отопление. Кондиционирование» №9/2009.

48. Руководство по оценке эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия/Дмитриев А.Н., Ковалев И.Н., Табунщиков Ю.А., Шилкин Н.В. М.: АВОК-ПРЕСС, 2005. - 120 с.

49. В.М. Липовских. Основные направления энергоэффективности при эксплуатации тепловых сетей/ www.abok.ru

50. В.Я. Магалиф. Теоретические основы конструирования тепловых сетей (справочно-методический материал V2005/www.abok.ru

51. Стерман JI.C. и др. Тепловые и атомные электростанции: учебник для вузов/ JI.C. Стерман, С.А. Тевлин, А.Т. Шарков; под. Ред. JI.C. Стермана.-2-е изд., испр. и доп.- М.: Энергоиздат, 1982. — 456 е., ил.

52. Трухний А.Д., Ломакин Б.В. Теплофикационные паровые турбины и турбоустановки: Учебное пособие для вузов.- М.: Издательство МЭИ, 2002 -540 е.: ил.

53. Рыженков В.А., Логинова H.A., Прищепов А.Ф., Парыгин А.Г. Методика расчетной оценки эффективности теплоизоляционных конструкций теплопроводов// Труды XV-ой Международной научно-технической конференции ГОУВПО МЭИ (ТУ) г. Москва, 2009, с.454-455

54. Логинова H.A., Прищепов А.Ф. О проблемах выбора оптимального теплоизоляционного покрытия трубопроводов систем теплоснабжения//

55. Труды IV-ой Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов "Энергосбережение теория и практика" г. Москва, 2008 г., с.78-81

56. Рыженков В.А., Парыгин А.Г., Прищепов А.Ф., Логинова H.A. О повышении эффективности теплоизоляции трубопроводов и оборудования отечественных систем теплоснабжения//Энергосбережение и водоподготовка.-2009.-№6- с. 48-49

57. Рыженков В.А., Прищепов А.Ф., Логинова H.A., Кондратьева А.П. О влиянии структурированного тонкопленочного теплоизоляционного покрытия на термическое сопротивление теплопроводов// Энергосбережение и водоподготовка.-2010.-№5, с.58-59

58. Рыженков В.А., Прищепов А.Ф., Логинова H.A., Кондратьева А.П. Влияние характеристик микросфер и связующего вещества на теплопроводность тонкопленочных теплоизоляционных покрытий// Надежность и безопасность энергетики.-2010.-№3 (10) с.28-30