МДС 41-7.2004 Методика оценки влияния влажности на эффективность теплоизоляции оборудования и трубопроводов

Научно-исследовательский центр ОАО "Теплопроект"

Методическая документация в строительстве


МЕТОДИКА ОЦЕНКИ
ВЛИЯНИЯ ВЛАЖНОСТИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ
ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ

МДС 41-7.2004

УДК [69+697.334-036.5.057] (083.74)

Внесена Поправка (БСТ №12 2004 г.


1 ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее острых проблем развития топливно-энергетического комплекса России является проблема энергосбережения. От ее успешного решения во многом зависит жизнеспособность экономики страны.
Целевые установки программ энергосбережения России предусматривают экономию топлива и энергии в размере 500-600 млн т у.т. в 2010 г., что позволит также на 30-40 % сократить выбросы вредных веществ в атмосферу, которые достигают в настоящее время около 20 млн т в год, и стабилизировать выбросы парниковых газов.
Существенную роль в выполнении программы энергосбережения России призвана сыграть высокоэффективная тепловая изоляция, применяемая во всех областях промышленного производства и строительства. По приближенным оценкам повышение теплозащитных свойств теплоизоляционных конструкций промышленных сооружений, оборудования и трубопроводов, систем централизованного теплоснабжения и ограждений зданий в состоянии обеспечить в 2010г. экономию энергоресурсов в объеме 40 млн т у.т.
Анализ состояния проблемы энергосбережения в строительстве и роли тепловой изоляции в ее решении показал, что в настоящее время потери теплоты объектами строительного комплекса России составляют:
через изолированные поверхности существующих промышленных сооружений, оборудования и трубопроводов - 356 млн Гкал/год, или 65 млн т у.т/год;
через изоляцию теплопроводов тепловых сетей - 324 млн Гкал/год, или 59,5 млн т у.т/год.
Затраты теплоты на отопление жилых, общественных и промышленных зданий, для восполнения потерь через изоляцию ограждающих конструкций достигают 1340 млн Гкал/год, или 240 млн т у.т/год. Таким образом, общие потери тепловой энергии объектами строительного комплекса составляют в настоящее время около 2 млрд Гкал/год, или 364,5 млн т у.т/год, т.е. около 20 % годового производства первичных топливно-энергетических ресурсов России.
Повышение производительности технологических установок, использующих теплоту, все более широкое применение в промышленности высоких температур и глубокого холода создают весьма сложные условия эксплуатации теплоизоляционных конструкций, промышленных сооружений и оборудования. Интенсивные процессы тепло- и влагообмена, возникающие при этом в теплоизоляции, оказывают существенное влияние на ее теплозащитные свойства и долговечность.
Влага, проникающая из окружающей среды в теплоизоляционные конструкции в процессе их эксплуатации, существенно изменяет условия теплообмена. Процессы совместного тепло- и влагообмена, возникающие при этом в изоляции, включая фазовые превращения влаги в пористой структуре теплоизоляционного слоя, приводят к значительному увеличению потерь теплоты по сравнению с расчетными, определенными без учета влагообмена. Известно, например, что потери теплоты теплоизолированными трубопроводами подземных тепловых сетей, работающих в условиях интенсивного воздействия грунтовой влаги, зачастую превышают расчетные в 1,5-2 раза. Накопление влаги в теплоизоляционных конструкциях низкотемпературного оборудования нередко приводит к столь значительному увеличению потерь холода, что необходима их полная замена.
Перенос влаги в теплоизоляции, работающей в условиях контакта с агрессивной средой (например, в теплоизоляции оборудования наружных установок и хранилищ промышленных предприятий, подземных трубопроводов бесканальных тепловых сетей, эксплуатируемых в условиях интенсивного воздействия влаги), во многом определяет интенсивность коррозионных процессов в конструкциях изолируемого оборудования и деструкцию теплоизоляции. Тем самым тепло- и влагообменные процессы в них являются одним из основных факторов, определяющих долговечность не только теплоизоляционных конструкций, но и изолируемого оборудования.
В связи с этим следует отметить, что в отличие от строительной теплофизики, где для оценки влияния тепло- и влагообменных воздействий окружающей среды на ограждающие конструкции зданий, вызывающих снижение их теплозащитных свойств, широко используются расчетные методы, разработанные в трудах О.Е. Власова, В.И. Богословского, В.М. Ильинского, В.Д. Мачинского, Ф.В. Ушкова, К.Ф. Фокина, А.У. Франчука и др., в отечественных (Н.М. Зеликсон, М.Г. Каганер, С.В. Хижняков, Е.П. Шубин) и зарубежных (И.С. Каммерер, Д.Ф. Меллой, Р. Каскет) монографиях и периодических публикациях, посвященных промышленной изоляции, вопросы совместного тепло- и влагопереноса и их влияние на теплозащитные свойства теплоизоляционных конструкций не рассматриваются.
К сожалению, методы строительной теплофизики в большинстве случаев не удается использовать для этих целей, поскольку температурно-влажностные условия, в которых эксплуатируется промышленная изоляция, существенно отличаются от условий эксплуатации теплоизоляции в ограждениях зданий. Достаточно отметить, что диапазон температур, в котором работают конструкции промышленной изоляции составляет от -180 до 600 °С, а теплоизоляция ограждений зданий - от -20 до 30 °С.
Вследствие интенсивных тепло- и влажностных воздействий окружающей среды, недостаточного учета влияния совместных тепло- и влагообменных процессов на теплозащитные свойства изоляции при проектировании и монтаже энергоэффективность теплоизоляционных конструкций промышленных сооружений в процессе эксплуатации снижается, что приводит к значительным сверхнормативным потерям тепловой энергии.
В настоящее время сверхнормативные тепловые потери через изолированную поверхность промышленных сооружений, оборудования, трубопроводов и тепловых сетей достигают 244 млн Гкал, или 44 млн т у.т. в год. Эксплуатационные тепловые потери через существующие теплоизоляционные конструкции значительно превышают расчетные, так в промышленной изоляции оборудования и трубопроводов они в 1,25 - 1,3 раза больше нормативных, а в тепловых сетях - в два раза.
Приведенные данные убедительно свидетельствуют о том, что для успешного решения проблемы энергосбережения в строительстве необходимо повышение энергоэффективности промышленной тепловой изоляции путем широкого внедрения в практику проектирования и строительства высокоэффективных теплоизоляционных материалов и конструкций на основе новых методов расчета, учитывающих влияние тепло- и влагообмена и обеспечивающих выбор оптимальных технологических, теплофизических и массообменных характеристик изоляции и проектных решений, гарантирующих стабильность теплозащитных свойств теплоизоляционных конструкций в процессе эксплуатации.
Исходя из изложенного в процессе выполнения настоящей работы предложены расчетные методы оценки влияния влажности на теплозащитные свойства теплоизоляции и предложения по нормированию расчетных значений ее теплопроводности в конструкциях.

2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЛАЖНОСТНОГО СОСТОЯНИЯ
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В капиллярно-пористой структуре теплоизоляционных материалов всегда содержится влага, количество которой определяется условиями эксплуатации и состоянием окружающей среды. Содержание влаги в материале определяют обычно высушиванием навески влажного материала Pвл при 105 °С (при этой температуре теплоизоляционные материалы практически не содержат влаги) до достижения постоянной массы Р0. Величина
U = (Pвл - P0)/P0 (1)
называется влагосодержанием материала и имеет единицу измерения - кг влаги/кг сухого материала. Влагосодержание, выраженное в процентах, называется относительной влажностью материала по массе или просто массовой влажностью W. Умножив влагосодержание U на плотность материала в сухом состоянии м, найдем влагосодержание материала по объему, кг/м3:
Uv = U м. (2)
В практике используют также понятие относительной влажности по объему, или объемной влажности
W = (U м)/ ж, (3)
где ж - плотность воды.
Максимальное влагосодержание, которое достигается длительным выдерживанием материала в воде, называется влагосодержанием полного намокания Um. Для зернистых и волокнистых материалов
Um = т ( ж/ м), (4)
для большинства ячеистых материалов
Um < т ( ж/ м), (5)
где т - пористость.
Свойства воды, содержащейся в теплоизоляционных материалах, ее подвижность при взаимодействии с окружающей средой характеризуются энергией связи влаги с поверхностью твердого вещества, образующего капиллярно-пористую структуру тела. По значению энергии этой связи различают физико-химически (сильная связь) и физико-механически (слабая связь) связанную воду.
Физико-химическая связь. Влага, связанная физико-химически, представляет собой пленку из молекул воды, адсорбированных на поверхности капиллярно-пористой структуры материала и удерживаемых на ней за счет силового поля на поверхности раздела твердое тело - газ, образующегося вследствие некомпенсированности молекулярных сил в поверхностном слое.
Толщина пленок жидкости, адсорбированных на поверхности пор и капилляров, колеблется от (3 - 5) 10 10 (мономолекулярный слой) до 1·10 7 м (полимолекулярный слой). Свойства адсорбционно-связанной воды из-за воздействия на нее мощного силового поля поверхностных молекулярных сил значительно отличаются от свойств свободной воды. Например, связанная вода не растворяет электролиты других растворимых веществ, обладает свойствами упругого тела, имеет повышенную плотность и пониженную теплоемкость (меньше единицы).
Физико-механическая связь. Влагой, физико-механически связанной со структурой, является жидкость, находящаяся в капиллярах, и жидкость смачивания. Капиллярная связь жидкости характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения, равным силе, действующей вдоль поверхности жидкости и приложенной к единице длины линии, ограничивающей межфазную поверхность и капиллярное давление. Явления смачивания наблюдаются на границе раздела трех фаз, одна из которых обычно является твердым телом (фаза 3), а две другие - жидкостью (фаза 1) и газом (фаза 2).
При неполном смачивании жидкая поверхность раздела пересекает твердую поверхность по некоторой линии, называемой периметром смачивания, и образует с ней краевой угол , измеряемый в одной фазе. Косинус краевого угла является мерой смачивания В, связанной с коэффициентами поверхностного натяжения - межфазных границ 12; 31; 32 уравнением
В = cos = ( 32 - 31) 12, (6)
которое показывает, что зависит только от молекулярной природы поверхностей раздела и не зависит от размеров капли или пузырька.
Возможны два случая смачивания: при 0 < В < +1 ( 32 > 31), когда капля растекается по твердой поверхности, образуя равновесный угол < 90°, и при 0 > В > -1 ( 32 > 31), когда капля воды на твердой поверхности образует угол > 90°.
При наличии искривленной границы между жидкой и газообразной фазами по обе стороны поверхности раздела имеется разность гидростатических давлений, обусловленная поверхностным натяжением и называемая лапласовым или капиллярным давлением. Капиллярное давление р пропорционально средней кривизне С в рассматриваемой точке границы поверхности раздела двух фаз:
С = 1/r = 1/2(1/r1 + 1/r2), (7)
где r - средний радиус кривизны;
r1 и r2 - радиусы кривизны двух главных сечений, т.е. сечений поверхности двумя взаимно перпендикулярными плоскостями, проходящими через нормаль к данной точке. Для шара r = r1 = r2 и р = 2 12C = 2 12/r. (8)
Из (8) видно, что капиллярное давление для плоской поверхности равно нулю, для выпуклой - оно положительно, для вогнутой - отрицательно (радиус кривизны считают положительным, когда он направлен в глубь жидкости).
Кривизна жидкой поверхности в капилляре определяется условиями смачивания. Для капиллярной трубки достаточно малого радиуса r0 мениск можно считать сферической поверхностью радиусом r0, определяемым по величине и по знаку.
r = r0/cos . (9)
Капиллярное давление, соответствующее такому мениску, равно
. (10)
Если рассмотреть равновесное
...