ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к теплоизоляционным конструкциям для энергетического оборудования, предназначенным для использования на энергетическом оборудовании, например, оборудовании газотурбинных станций (ГТ-ТЭЦ).
Описание уровня техники
К теплоизоляционным конструкциям для энергетического оборудования предъявляются повышенные требования в отношении их способности сохранять свою теплоизолирующую способность в течение заданного срока службы. Поскольку стоимость таких конструкций, как правило, сравнима со стоимостью самого оборудования, то правильный выбор типа конструкции имеет большое значение.
Из уровня техники известны различные типы теплоизоляционной конструкции для энергетического оборудования, одним из вариантов которых является решение, раскрытое в заявке GB 2344409 А. Данная известная конструкция предназначена, в частности, для парогенератора-рекуператора и содержит слой высокотемпературного теплоизолирующего материала, слой низкотемпературного теплоизолирующего материала, и узел механического крепления. Поскольку в данном техническом решении слой низкотемпературного теплоизолирующего материала используется в качестве звукопоглощающего элемента, то это требует использования более дорогого и имеющего большую толщину высокотемпературного слоя, что повышает стоимость такой конструкции.
Известна также теплоизоляционная конструкция для энергетического оборудования, раскрытая в патенте US 5386676 А, содержащая: слой теплоизолирующего материала; расположенный между обшивкой холодного давления и футеровочной плитой, а также узел механического крепления, предназначенный для скрепления указанных слоев вместе. Данная конструкция не обеспечивает требуемую теплоизоляцию оборудования при высоких температурах в течение длительного срока службы.
Наиболее близким аналогом предложенной полезной модели по технической сущности и совокупности существенных признаков является теплоизоляционная конструкция (теплоизоляционный мат), раскрытая в патенте RU 2130150 С1. Согласно данной теплоизоляционной конструкции для энергетического оборудования предусмотрена многослойная система, состоящая из слоев экранов, разделенных прокладочным материалом, с внешним защитным слоем. Слои экранов, наиболее близко расположенные к высокотемпературной поверхности, выполнены из термостойкого материала с высокой отражательной и низкой поглощательной способностью, а последующие слои выполнены из не менее термостойкого материала с высокой отражательной и низкой поглощательной способностью, при этом прокладочный материал выполнен в виде сетки. Однако данная система является дорогостоящей и трудоемкой в изготовлении, поскольку предполагает поочередное расположение прокладочных слоев в виде сетки и термостойких слоев (экранов). Кроме того, в данном решении не приводится вариант крепления конструкции к термоизолируемому оборудованию.
Предложенная полезная модель направлена на создание теплоизоляционной конструкции, в которой в значительной степени преодолены указанные недостатки известного уровня техники и при сравнительно невысокой стоимости может быть достигнуто эффективная теплоизоляция высокотемпературного оборудования с возможностью оптимального выбора толщин слоев для различных диапазонов температур поверхности оборудования.
Раскрытие полезной модели
Указанная техническая задача решается в предложенной полезной модели, раскрывающей теплоизоляционную конструкцию для энергетического оборудования, содержащую: теплоотражательный слой; слой высокотемпературного теплоизолирующего материала; слой низкотемпературного теплоизолирующего материала; и узел механического крепления, предназначенный для скрепления указанных слоев вместе и для их закрепления на поверхности указанного энергетического оборудования, причем узел механического крепления содержит средства для образования воздушного зазора между слоем высокотемпературного теплоизолирующего материала и поверхностью энергетического оборудования.
Теплоотражательный слой предпочтительно выполнен из металлической фольги, прилегающей к поверхности слоя высокотемпературного теплоизолирующего материала,
Предпочтительно, теплоизоляционная конструкция дополнительно содержит металлическую сетку, расположенную со стороны теплоотражательного слоя.
Узел механического крепления может быть выполнен в виде стальных шпилек, на конце которых устанавливаются опорные втулки с опорой на поверхность энергетического оборудования и на металлическую сетку, служащие в качестве указанного средства для образования воздушного зазора.
Суммарная толщина слоя высокотемпературного теплоизолирующего материала и слоя низкотемпературной теплоизоляции предпочтительно составляет около 200 мм.
Толщина воздушного зазора предпочтительно составляет 10-50 мм.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного технического решения, является получение оптимизированная структуры из нескольких слоев, распределенных в оптимальной последовательности таким образом, что используемый теплоотражательный и теплоизолирующие слои в сочетании с использованием воздушного зазора, образуемого между стенкой теплоизолируемого оборудования и теплоотражательным слоем, обеспечивают повышение энергоэффективности конструкции за счет увеличения ее теплоизолирующей способности при невысокой стоимости и простоте исполнения.
Краткое описание чертежей
Далее настоящая полезная модель будет, только в качестве примера, описана со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
Фиг.1 - Конструктивная схема теплоизоляционной конструкции;
Фиг.2 - Расчетная схема прогрева стальной стенки оборудования с теплоизоляционной конструкцией в базовом варианте исполнения;
Фиг.3 - Расчетная схема прогрева стенки оборудования с теплоизоляционной конструкцией в модифицированном варианте исполнения;
Фиг.4 - Теплотехническая расчетная схема представительного фрагмента стальной стенки с теплоизоляционной конструкцией, подвергавшегося тепловым испытаниям.
Варианты осуществления полезной модели
На Фиг.1 показана общая конструктивная схема теплоизоляционной конструкции согласно предложенному техническому решению. В предпочтительном варианте исполнения теплоизоляционная конструкция содержит несколько последовательно расположенных функциональных слоев, прилегающих к стенке 1 теплоизолируемого оборудования и включающих:
- воздушный зазор 2 или полость между горячей поверхностью теплоизолируемого оборудования и следующим слоем (теплоотражательным слоем) теплоизоляционной конструкции);
- слой стальной сетки 3 (используемой опционально);
- теплоотражательный слой 4 из алюминиевой фольги;
- слой 5 высокотемпературного теплоизолирующего материала; и
- слой 6 низкотемпературного теплоизолирующего материала.
Кроме того, конструкция дополнительно может содержать (также используемые опционально):
- покровный слой 7 или покрытие из алюминиевой фольги; и
- стальную сетку 8.
3
В качестве слоя 5 высокотемпературного теплоизолирующего материала применяются плиты, характеризующиеся температурой длительного применения, составляющей 500-950°С, обладающие при этой температуре низкой теплопроводностью и не выделяющие летучих веществ. Они характеризуются значениями плотности 120-200 кг/м.
Характерным примером таких материалов являются плиты негорючие теплоизоляционные базальтовые (ПНТБ) (ТУ 69-001-57-231417-04), выпускаемые на основе базальтового волокна и вяжущего, в качестве которого используется бентонитовая глина.
Другим примером высокотемпературного теплоизолирующего материала является плита PROMALIGHT немецкой компании Promat GmbH, изготавливаемая из боросиликатного стекла без применения связующего.
3
В качестве слоя 6 низкотемпературного теплоизолирующего материала применяются рулонные материалы из минеральных волокон (маты) с плотностью 60 - 100 кг/м, характеризующиеся температурой длительного применения, составляющей до 650°С. Характерным примером таких материалов являются минераловатные маты Rockwool WiredMat 80. Для придания матам конструкционной прочности на одной из их поверхностей опционально располагается слой 6 из стальной сетки. Кроме того, эти слои могут быть простеганы стальной проволокой.
Результатами проведения теоретических и экспериментальных исследований установлены следующие соотношения толщин слоев теплоизоляционной конструкции, обеспечивающие максимальную энергоэффективность пакета слоев.
2
2
Энергоэффективность теплоизоляционной конструкции оценивается как разность между удельной экономией затрат (руб/м) на тепловую энергию за счет снижения тепловых потерь через изоляцию в течение расчетного срока эксплуатации оборудования стоимостью 1 мтеплоизоляции.
Толщина воздушного зазора предпочтительно составляет 10-50 мм.
Для теплоизоляции оборудования с температурой поверхности 500-600°С наибольшая энергоэффективность может быть получена при соотношении толщин слоя 5 высокотемпературного теплоизолирующего материала (плиты ПНТБ) и слоя 6 низкотемпературной теплоизоляции (базальтоволокнистые маты), равном (0,2-0,3):(0,8-0,7).
При использовании плит Promalight-330 (вместо плит ПНТБ), максимальная энергоэффективность пакета получается при соотношении толщин слоев высокотемпературной и низкотемпературной теплоизоляции, равном 0,1:0,9.
Для теплоизоляции оборудования с температурой поверхности 800-1000°С наибольшая энергоэффективность может быть получена при соотношении толщин слоя 5 высокотемпературного теплоизолирующего материала (плиты ПНТБ) и слоя 6 низкотемпературного теплоизолирующего материала (базальтоволокнистые маты), равном (0,7-0,8):(0,3-0,2).
При использовании плит Promalight-330 (вместо плит ПНТБ), максимальная энергоэффективность пакета в этом случае может быть достигнута при соотношении толщин слоев 5 и 6, равном 0,1:0,9.
Для оборудования с температурой поверхности менее 300°С применение предложенной теплоизоляционной конструкции с двумя различными слоями теплоизолирующего материала не целесообразно.
Суммарная толщина двух слоев - слоя 5 высокотемпературного теплоизолирующего материала и слоя 6 низкотемпературной теплоизоляции - предпочтительно должна составлять 200 мм.
Крепления слоев теплоизоляции на защищаемом объекте может осуществляться несколькими способами. В базовом варианте используется способ, разработанный немецкой фирмой HBS Bolzenschweiβ - System GmbH & Со. Данный способ крепления является наиболее передовым из существующих способов.
Выбор данного способа крепления обусловлен высокой производительностью монтажа, отработанностью технологии монтажа, минимальным по сравнению с другими способами разрушающим воздействием на металл защищаемого оборудования в зонах сварки).
Для создания опорной поверхности для слоев теплоизоляционной конструкции из материалов с низкой теплопроводностью, обеспечивая конструктивный зазор, применяется один из следующих способов.
Согласно первому способу процесс формирования узла механического крепления теплоизоляционной конструкции включает в себя установку стальной сетки 3 с опиранием на выступы (в случае их присутствия) в составе конструкции защищаемого оборудования. Кроме того, в промежутках между выступами организуются дополнительные опоры для стальной сетки 3. Для организации таких опор на изоляционный гвоздь или шпильку 9 устанавливается втулка 10 с опорой на поверхность 1 теплоизолируемого оборудования и фиксируется изоляционным колпачком 11, как показано на фиг.1.
Второй способ (не показан) заключается в прокладке по габаритам теплоизолируемого оборудования стальных полос или профилей с минимальным шагом, обеспечивающим опирание теплоизоляционных плит на две полосы. Для придания полосам жесткости, в промежутках между выступами она может иметь дополнительные точки крепления к поверхности теплоизолируемого оборудования посредством стальных шпилек или отрезков полосы. Крепление осуществляется с применением сварки.
В каждом из указанных способов, поверх стальной сетки 3 или полос укладывается теплоотражательный слой 4 из алюминиевой фольги, а затем последовательно слои 4 и 5 высокотемпературного и низкотемпературного теплоизолирующего материала.
Укладка материалов должна осуществляться встык без видимых зазоров. Каждый слой должен фиксироваться изоляционными колпачками 11 в каждой точке крепления.
Как было показано, для формирования последнего слоя применяются маты, одна из поверхностей которых, обращенная в помещение, содержит покровный слой 7 из алюминиевой фольги, расположенной под стальной сеткой 8. Данный покровный слой 7 формирует покрытие на поверхности теплоизоляционной конструкции.
После фиксации матов последнего слоя их стыки могут прикрываться алюминиевым скотчем, усиленным стеклонитью (не показано). Края стальной сетки соседних матов предпочтительно скрепляются между собой при помощи стальной вязальной проволоки диаметром 1 мм.
Допускается альтернативный вариант оформления стыков матов последнего слоя. В этом случае края матов проклеиваются алюминиевым скотчем до их монтажа с гарантированным нахлестом на наружную и внутреннюю поверхности. Установка матов осуществляется плотно встык.
В зонах фланцевых соединений и люков теплоизоляционная конструкция имеет конструктивное исполнение аналогичное остальным участкам. Локальный демонтаж теплоизоляции в данных местах обеспечивается конфигурацией элементов ее слоев.
Как было отмечено, техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного технического решения, также повышение энергоэффективности за счет увеличения теплоизолирующей способности и уменьшение стоимости конструкции вследствие ее упрощения.
Упрощение конструкции теплоизоляции обусловлено следующим:
- изготовлением слоев из исходных материалов (отсутствие необходимости изготовления матов сложной формы по швейной технологии);
- применением в качестве покровного слоя недорогой алюминиевой фольги, например, Wired mat 80;
- упрощения способа крепление наружного слоя в зонах стыков матов.
Предлагаемая теплоизоляционная конструкция получена в результате проведения теоретических и экспериментальных исследований.
Теоретические исследования были основаны на решении краевой задачи теплопроводности в стенках энергетического оборудования с теплоизоляционной конструкцией.
Краевая задача теплопереноса в сечении стенки энергетического оборудования с теплоизоляционной конструкцией решается численно, методом конечных разностей.
Для проведения исследований был принят базовый вариант выполнения теплоизоляционной конструкции. При этом на Фиг.2 показана расчетная схема прогрева стальной стенки оборудования с теплозащитной конструкцией в указанном базовом варианте исполнения, где показано:
f
е
1 - стальная стенка; 5 - теплоизоляция на основе плит ПНТБ суммарной толщиной 200 мм; 3 - стальное ребро; T - температура среды внутри корпуса рекуператора; Т - температура в помещении ГТ ТЭЦ; I-VII - характерные точки расчетного сечения.
f
е
На Фиг.3 показана расчетная схема прогрева стенки оборудования с теплозащитной конструкцией в модифицированном варианте исполнения. При этом ссылочными обозначениями показано: 1 - стальная стенка; 2 - воздушная зазор или полость; 4 - слой металлической фольги; 5 - слой теплоизоляции на основе плит ПНТБ; 6 - слой теплоизоляции на основе базальтовых матов; 12 - стальное ребро; T - температура среды внутри корпуса рассматриваемого агрегата; Т - температура в помещении ГТ ТЭЦ; I-VII - характерные точки расчетного сечения.
Целями экспериментальных исследований являлись:
- оценка влияния различных физических эффектов (поглощения теплоты высокоплотным материалом, экранирования теплового излучения алюминиевой фольгой, рассеяния излучения покрытием с микросферами и т.п.) на теплопередачу через теплоизоляционную конструкцию;
- получение экспериментальных данных для корректировки математической модели теплопередачи через многослойную теплоизоляционную конструкцию.
Испытания проводили на фрагментах стальной стенки с базовым вариантом теплоизоляционной конструкции и с вариантом многослойной теплоизоляционной конструкции согласно предложенной полезной модели, в состав которой входят функциональные слои, перечисленные выше в данном описании.
Для экспериментального определения теплового состояния объекта в процессе испытаний было использовано 12 термопар (8 хромель-алюмелевых термопар и 4 хромель-копелевые термопары) и датчик плотности теплового потока - малогабаритный высокочувствительный тепломер марки ДТП-02, разработки Института технической теплофизики (г.Киев).
Для измерения температуры в характерных зонах объекта испытаний использовали электронную систему дистанционных измерений, в состав которой входит:
- компьютер HP-Compaq nc 6000 с программой регистрации и обработки измерений «ACTest Pro»;
- модуль АЦП Е-270 Л-Кард;
- двухканальные модули измерения температуры Н-27-Т (ТУ 422714-027-42885515-02);
- модуль контроля температуры холодного спая термопар H-27-R10 (ТУ 422714-027-42885515-02);
- датчик контроля температуры холодного спая (термопреобразователь сопротивления ТЕОСИ 50М.В2.20/0,2 (ТУ 4211-001-18121253-96));
- кабель FTP 5 кат. OUTDOOR;
- конвертор RS 485 - СОМ.
Измерительные модули Н-27-Т, H-27-I20, H-27-R10 и термопреобразователь сопротивления ТЕОСИ 50М.В2.20/0,2 - внесены в Государственный реестр средств измерений (Регистрационные номера 24576-03 и 14763-97, соответственно).
Для проведения тепловых испытаний использовалась установка лучистого нагрева.
Корректировку математической модели производили по критерию максимального совпадения результатов расчета теплового состояния испытываемых фрагментов с результатами экспериментов применительно к схеме, показанной на Фиг.4.
На Фиг.4 показана теплотехническая расчетная схема представительного фрагмента стальной стенки с теплоизоляционной конструкцией, подвергавшегося тепловым испытаниям. Ссылочными обозначениями показано: 1 - стальная стенка; 2 - воздушный зазор толщиной 20 мм; 5 - высокотемпературного теплоизолирующего материала 30 мм; 6 - слой низкотемпературного теплоизолирующего материала толщиной 50 мм; 13 - боковая теплоизоляция на основе плиты «Promatect»; 14 - боковая теплоизоляция на основе прошивного мата; I-XX - характерные точки расчетного сечения.
Результаты оптимизации структуры теплоизоляционной конструкции, полученные в ходе теоретических и экспериментальных исследований приведены в Таблицах 1-3 на примере случая, соответствующего температуре поверхности защищаемого оборудования, составляющей 560°С.
Таблица 1
Влияние изменений теплоизоляционной конструкции на основе базальтовых матов суммарной толщины 200 мм на ее теплоизолирующую способность (температура стальной стенки 560°С)
№
Вариант исполнения теплоизоляционной конструкции
Температура на наружной поверхности теплоизоляционной конструкции
Плотность теплового потока (тепловых потерь)
Значение,°С
В % к базовому варианту исполнения
Значение, Вт/м<sup>2</sup>
В % к базовому варианту исполнения
1
Базовый вариант исполнения
44,9
100
298,8
100
2
Вариант с воздушным зазором толщиной 80 мм между теплоизолируемой стенкой и примыкающим слоем конструкции
41,9
93,3
262,8
88,0
3
Вариант с воздушным зазором толщиной 30 мм между
41,8
93,1
261,6
87,6
теплоизолируемой стенкой и примыкающим слоем конструкции
4
Вариант с воздушным зазором толщиной 3 мм между теплоизолируемой стенкой и примыкающим слоем конструкции
41,9
93,3
262,8
88,0
5
Вариант 2 с теплоотражательным слоем
39,1
87,1
229,2
76,7
6
Вариант 3 с теплоотражательным слоем
39,3
87,5
231,5
77,5
7
Вариант 4 с теплоотражательным слоем
40,4
90,0
244,3
81,8
Из данных табл.1 видно, что эффективность предложенной теплоизоляционной конструкции повышается в вариантах, в которых используется воздушный зазор и теплоотражательный слой ее эффективность значительно повышается.
Таблица 2 - Влияние относительного объемного содержания высокотемпературного теплоизоляционного материала ПНТБ в двухслойной теплоизоляционной конструкции (наружный слой из матов минераловатных) суммарной толщиной 200 мм на ее теплоизолирующую способность (температура среды, обогревающей поверхность теплоизолируемой стенки - 560°С).
Примечание.
Здесь и в дальнейшем теплоизоляционная конструкция выполнена с воздушным зазором и слоем теплоотражающего материала на ее внутренней поверхности.
Отношение толщины слоя высокотемпературного теплоизолирующего материала к суммарной толщине теплоизоляционной конструкции,ξ, %
Температура на наружной поверхности теплоизоляционной конструкции
Плотность теплового потока с наружной поверхности теплоизоляционной конструкции
Удельная стоимость теплоизоляции, руб/м<sup>2</sup>
Удельная (на 1 м<sup>2 </sup>площади изоляции) экономия за счет снижения тепловых потерь за 1 год эксплуатации, руб/м<sup>2</sup>
Экономия за 20 лет эксплуатации (энергоэффективность), руб/м<sup>2</sup>
Значение,°С
В % к базовому варианту исполнения
Значение, Вт/м<sup>2</sup>
В % к базовому варианту исполнения
0
39,30
87,5
231,6
77,5
886,84
164,83
2409,72
10
38,70
86,2
224,4
75,1
1069,34
182,49
2580,46
20
38,40
85,5
220,8
73,9
1251,84
191,32
2574,56
30
38,00
84,6
216,0
72,3
1434,35
203,09
2627,45
40
37,80
84,2
213,6
71,5
1616,85
208,98
2562,75
50
37,60
83,7
211,2
70,7
1799,35
214,87
2498,05
60
37,50
83,5
210,1
70,3
1981,85
217,56
2369,35
70
37,50
83,5
210,0
70,3
2164,36
217,81
2191,84
80
37,60
83,7
211,2
70,7
2346,86
214,87
1950,54
90
37,90
84,4
214,8
71,9
2529,36
206,04
1591,44
100
38,30
85,3
220,8
73,9
2711,86
191,32
1114,54
Из данных табл.2 видно, что при использовании слоя высокотемпературного теплоизолирующего материала ПНТБ и при отношении его толщины к суммарной толщине теплоизоляционной конструкции, составляющем 20-30% достигается наибольшая эффективность теплоизоляционной конструкции.
Таблица 3
Влияние относительного объемного содержания высокотемпературного теплоизоляционного материала Promalight-330 в двухслойной теплоизоляционной конструкции (наружный слой из матов минераловатных) суммарной толщиной 200 мм на ее теплоизолирующую способность (температура среды, обогревающей поверхность защищаемой стенки - 560°С).
Отношение толщины слоя высокотемпературного теплоизолирующего материала к суммарной толщине теплоизоляционной конструкции, ξ, %
Температура на наружной поверхности теплоизоляционной конструкции
Плотность теплового потока с наружной поверхности теплоизоляционной конструкции
Удельная стоимость теплоизоляционной конструкции, руб/м<sup>2</sup>
Удельная (на 1 м<sup>2 </sup>площади изоляции) экономия за счет снижения тепловых потерь за 1 год эксплуатации, руб/м<sup>2</sup>
Экономия за 20 лет эксплуатации (энергоэффктивность), руб/м<sup>2</sup>
Значение, °С
В % к базовому варианту исполнения
Значение, Вт/м<sup>2</sup>
В % к базовому варианту исполнения
0
39,30
87,5
231,6
77,5
886,84
164,83
2409,76
10
33,13
73,8
157,5
52,7
11805,91
347,32
-
20
30,34
67,6
124,1
41,5
24143,92
428,50
-
30
28,67
63,9
104,0
34,8
35772,45
477,81
-
40
27,54
61,3
90,4
30,3
47400,99
511,16
-
50
26,72
59,5
80,6
27,0
59029,53
535,20
-
60
26,15
58,2
73,7
24,7
70658,07
552,13
-
70
25,66
57,1
68,0
22,8
82286,61
566,11
-
80
25,27
56,3
63,3
21,2
93915,15
577,63
-
90
24,95
55,6
59,4
19,9
105543,68
587,20
-
100
24,70
55,0
56,4
18,9
117172,22
594,56
-
Из данных табл.3 видно, что использовании слоя высокотемпературного теплоизолирующего материала Promalight-330 и при отношении его толщины к суммарной толщине теплоизоляционной конструкции, составляющем приблизительно 10%, также достигается наибольшая эффективность предложенной теплоизоляционной конструкции.
Описанные выше варианты исполнения теплоизоляционной конструкции рассматривать как примеры возможных вариантов. Однако также возможны различные модификации описанных выше вариантов конструкции, которые также будут очевидны специалистам в данной области техники. В частности, материалы, используемые для изготовления слоев, могут поставляться как в виде листов, так и в виде рулонов. Помимо использования приведенных выше узлов креплений конструкции на оборудовании возможны также другие подобные узлы крепления. Под термином «слой» следует понимать, что данный слой может быть образован из нескольких листов (или слоев) материала, в частности, в зависимости от толщины и конкретного слоя и требуемой степени теплоизоляции в данном слое. Таким образом, предполагается, что вышеприведенные варианты осуществления рассмотрены только в качестве примеров и не ограничивают предложенное решение, объем которого определяется нижеследующей формулой полезной модели.