В условиях сегодняшних высоких цен на энергоносители и улучшения ситуации на рынке для продуктов механической изоляции, инженеры-конструкторы и владельцы предприятий проявляют все большую заинтересованность в их использовании для снижения энергопотребления путем повышения энергоэффективности.

Кроме того, владельцы предприятий все в большей мере бывают вынуждены заниматься этим для того, чтобы сократить трудозатраты квалифицированного персонала или даже объемы использования труда низкозатратного неквалифицированного персонала. Поскольку все стремятся повысить рентабельность, растет интерес к использованию теплоизоляционных покрытий (TIC). Если цены на энергоносители будут оставаться высокими, или даже будут расти дальше, этот интерес, скорее всего, будет усиливаться.

Что такое изоляционные покрытия?

TIC не являются чем-то новым. Я впервые услышал о них примерно лет десять тому назад, и они предлагались на рынке задолго до этого. Один из производителей TIC определяет их следующим образом:

...Настоящим изоляционным покрытием является покрытие, которое дает разность температур по всей поверхности, независимо от того, где размечается покрытие (то есть на горячей/холодной поверхности, внутри или снаружи).

Это может быть справедливо, но разность температур способны создавать практически любые материалы, которые обладают хоть какой-нибудь толщиной и теплопроводностью, не все такие материалы должны обязательно рассматриваться как теплоизоляционные. Одним из традиционно надежных источников определений, подобных данному, является ASTM. Хотя у ASTM не имеет определения для "теплоизоляционного покрытия", ASTM C168 (а именно, он является стандартом для терминологии по изоляции) включает определение для "теплоизоляции".

Теплоизоляция (n): материал или совокупность материалов, используемых для обеспечения устойчивости к воздействию теплового потока.

Кроме того, в C168, имеется определение для "покрытия".

Покрытие (n): жидкий или полужидкий материал, который высушивается или отверждается с формированием защитного покрытия, и который пригоден для нанесения на теплоизоляцию или какие-либо иные поверхности с толщиной 30 мил (0.76 мм) или менее на один слой.

Объединение этих двух определение, допуская, что "теплоизоляционное покрытие" не включает тепловую изоляцию, но может использоваться самостоятельно в качестве теплоизоляции, позволяет создать предлагаемое определение для TIC:

Теплоизоляционное покрытие (n): жидкость или полужидкость, пригодная для нанесения на поверхность с толщиной 30 мил (0.75 мм) или менее на один слой, которая высыхает или отверждается для одновременного формирования защитного поверхностного покрытия и обеспечения устойчивости к воздействию теплового потока.

Поскольку Insulation Outlook является журналом об изоляции (и автор данной статьи является специалистом в области теплоизоляции), в дальнейшем в этой статье мы обсудим TIC как теплоизоляционные материалы, а не как покрытия. Оценку роли TIC, используемых в качестве покрытия, мы оставим экспертам по покрытиям. Кроме того, поскольку данный журнал занимается проблемами механической изоляции и ее применениями, настоящее обсуждение будет ограничено использованием TIC в качестве механической изоляции, а не в качестве изоляционных оболочек зданий.

Первые исследования изоляционных покрытий

Автор этой статьи сначала проводил исследование TIC при использовании в качестве теплоизоляции примерно восемь лет тому назад для компании, в которой работал ранее. Я выяснил, что в Северной Америке имеется несколько производителей, и что TIC содержат гранулированный материал, который в то время некоторые называли кермическими шариками. Я также узнал, что TIC можно наносить кистью или напылением; и, что, в целом, покрытия могут создаваться для максимальных температур применения в 500°F.

Один поставщик послал мне образец в виде банки для супа, которая по бокам была покрыта сухим изоляционным покрытием толщиной в четверть дюйма. Дно банки не имело покрытия. Были даны инструкции налить в банку горячую воду, продолжая держать ее за боковые стенки, и отметить, что я могу продолжать держать ее и не обжигаться. Там также говорилось, что быстрое прикосновение ко дну банки продемонстрирует, насколько горяча вода, которая находится в банке. Я сделал все, как было указано в инструкциях, и, действительно, я обнаружил, что могу держать в руках банку для супа с покрытием сколь угодно долго. Хотя это и не является строго научным доказательством, но, несомненно, показывает, что TIC могут быть эффективным изоляционным материалом, обеспечивая индивидуальную защиту от горячей воды.

Я также сделал некоторые тепловые анализы с использованием компьютерных кодов ASTM C680, и пришел к выводу, что имеются некоторые существенные тепловые преимущества, которые можно получить при толщине от одной восьмой до одной четвертой дюйма, особенно, на поверхностях с относительно умеренными температурами до 250°F или около того. Тем не менее, было понятно, что для получения таких значений толщины потребуются различные затраты при расходе примерно в 20 мл на слой, поэтому любая потенциальная экономия трудозатрат от использования TIC будет существенно уменьшена. Я также заметил, что при всего лишь нескольких слоях, потерю тепловой энергии можно уменьшить, по крайней мере, на 50 процентов по сравнению с поверхностью без покрытия. Существенное сокращение потерь тепловой энергии можно получить на поверхностях с температурой до 500°F (хотя следует помнить, что традиционная изоляция обычно обеспечивает снижение потерь тепла, по крайней мере, на девяносто процентов при толщине всего в один дюйм).

Что имеется на рынке на сегодняшний день?

Чтобы написать эту статью, я прочитал литературу и изучил техническую информацию, имеющиеся в Интернете, а также в других источниках. На вебсайте одной компании имеется полезная техническая информация для продукта, который они классифицируются как керамическое покрытие, поскольку он содержит керамические шарики. Продукт обеспечивает теплопроводность 0.097 Вт/м-°K (0.676 британских тепловых единиц-дюйм  в час-фут2 -°F) при 23°C (73.4°F). Для сравнения теплопроводность силиката кальция, ASTM C533 Типа I Блок, составляет 0.059 Вт/м-°K (0.41 британских тепловых единиц-дюйм в час-фут2 -°F) при 38°C (100°F), что на сорок процентов меньше при более высокой средней температуре. Получается, что это конкретное керамическое изоляционное покрытие не является таким же хорошим изолятором, как силикат кальция. Тем не менее, теплопроводность, несомненно, соответствует определению, предложенному выше для "теплоизоляционного покрытия", особенно, если оно нанесено в несколько слоев. Теплопроводность представляется достаточно низкой для того, чтобы материал можно было использовать как изоляционный при достаточной толщине.

Мне не удалось получить более подробной технической информации, которую мог бы использовать проектировщик для конструирования системы изоляции, например, несколько сочетаний информации о средних значениях температуры и теплопроводности, а также  излучения поверхности. Вот типичная проблема, с которой я столкнулся в ходе поисков такой технической информации: один производитель рассказывает об испытании для определения теплопроводности при воздействии источника тепла в 212°F, и отмечает следующее:

...результат продемонстрировал, что теплопередача была значительно снижена при проведении испытаний от 367.20 британских тепловых единиц, измеренных на металле без покрытия, до 3.99 BTU британских тепловых единиц, измеренных на поверхности с покрытием из данного продукта.

Поскольку не указываются значения теплопроводности, полученные в результате использования таких испытаний, это утверждение оставляет читателя с большим количеством вопросов, нежели ответов.

• Какова была температура горячей поверхности?
• Какова была температура холодной стороны?
• Какова была толщина TIC?
• Какая процедура испытаний использовалась?

В литературе по данному конкретному продукту даются "Изоляционные рейтинги коэффициентов теплопроводности"  в 0.019 Вт/м-°K (0.132 британских тепловых единиц-дюйм  в час-фут2-°F). Это значение составляет примерно пятую часть от значения для другого TIC, указанного выше, во что трудно поверить.

В литературе другой компании, для продукта которой я не смог найти технической информации, говорится в общих словах об истории компании и ее опытных экспертах, которые помогут конструкторам определить параметры покрытий компании. Хотя я не сомневаюсь в том, что в компании имеются технические эксперты, было бы очень полезно, если бы они обеспечивали потенциальных пользователей их продуктов TIC достаточной технической информацией для создания конструкции. Как минимум, такая информация должна включать несколько значений теплопроводности при соответствующих средних температурах. В качестве альтернативы литература должна предоставлять значения теплопроводности при нескольких эксплуатационных температурах для нескольких значений толщины, а также излучения поверхности. Конструктор изоляции не может осуществлять конструирование без такой технической информации.

В том, что касается трудозатрат на монтаж, один поставщик сообщает, что бригада из трех маляров способна нанести 3,000 квадратных футов покрытия TIC в 20 мил за час, или 1,000 квадратных футов за час квалифицированного труда. Это впечатляет до тех пор, пока не подсчитаешь, какой объем трудозатрат потребуется для того, чтобы нанести все дополнительные покрытия. Для нанесения покрытия с общей толщиной в одну восьмую дюйма, для чего потребуется шесть слоев, ожидаемая производительность составит около 167 квадратных футов на час квалифицированного труда. Толщина покрытия в четверть дюйма, для которой потребуются примерно двенадцать слоев, потребует производительности труда около 83 квадратных футов в час. Этот расчет производительности, а также затрат, связанных с такой производительностью, сделанный на основе коэффициента использования рабочего времени для местных рабочих, следует сравнить с расчетами для традиционной изоляции (что не входит в задачи данной статьи).

Что необходимо инженерам и конструкторам для того, чтобы сконструировать систему изоляции

Некоторые производители TIC утверждают, что их материалы действуют еще лучше при использовании на отражающих поверхностях с низким излучением, а также что невозможно предсказать их эксплуатационные характеристики при использовании стандартных методик расчетов. Тем не менее, для инженера-конструктора и прочих конструкторов систем теплоизоляции, наличие такой информации имеет решающее значение. Обычно для того, чтобы сконструировать теплоизоляцию (т. е. определить необходимую толщину изоляции), конструктору необходимо иметь кривую теплопроводности (или минимум из трех значений средних температур минус пары теплопроводности) и доступную толщину. Для того чтобы обеспечить правильное нанесение покрытия, конструктор также должен знать значения максимальной и минимальной температуры использования. И, наконец, если изоляция будет использоваться без кожуха, что как раз и происходит при использовании TIC, конструктору понадобится значение излучения поверхности.

Имея такую информацию, конструктор сможет определить нужную толщину изоляции для определенной ориентации, размера трубы (если это применимо), температуры поверхности трубопровода или оборудования, температуры окружающей среды и скорости ветра. При использовании традиционной изоляции конструктор может применять такие инструменты, как 3E Plus® (которую можно бесплатно загрузить с сайта Североамериканской ассоциации производителей изоляции по адресу www.pipeinsulation.org). Независимо от выбора инструмента для конструирования, данные о теплопроводности и излучении поверхности будут нужны для конструирования для применений с горячими и холодными поверхностями.

Для применений с температурой ниже температуры окружающей среды, в дополнение к указанной выше информацией, конструктору понадобятся данные о паропроницаемости и влагопоглощении материала. Конструктор должен удостовериться, что конструкция  будет препятствовать проникновению влаги в TIC, а затем и на охлажденную поверхность.

Где лучше всего использовать теплоизоляционные покрытия?

Для того чтобы определить, где лучше всего можно использовать TIC, автор данной статьи провел несколько анализов потери тепла с использованием 3E Plus и данных о теплопроводности, предоставленных одним из производителей. Для того чтобы у TIC были изначально более выгодные условия, я использовал постоянную теплороводность 0.019 Вт/м-°K (0.132 британских тепловых единиц-дюйм  в час-фут2-°F), самую низкую из двух упомянутых выше значений. У меня нет значений теплопроводности при других температурах, а не при принятых в среднем 75°F, поэтому я предполагал, что теплопроводность TIC повышается на один процент на каждое повышение средней температуры на 10°F, что примерно соответствует истине для силиката кальция. Кроме того, для того, чтобы обеспечить защиту персонала, я принял как максимально допустимую температуру поверхности 160°F, а не традиционную температуру в 140°F, поскольку последняя предполагает использование металлических изоляционных кожухов (или же никаких кожухов вообще). Как нам известно, у горячего металла высокая контактная температура, а это означает, что при данной температуре тепло будет передаваться телу человека быстрее, чем в случае использовании материала с более низкой контактной температурой.

И, наконец, я предположил, что у TIC излучение поверхности составляет 0.9, что создает возможности для более простой изоляции для обеспечения безопасности персонала, чем при использовании материала с низким излучением поверхности. Мне представляется, что это, скорее всего, хорошее свойство, которое можно использовать, хотя это и противоречит предпочтениям некоторых производителей TIC, которые относят высокие эксплуатационные характеристики своих продуктов на счет высокой отражательной способности поверхности.

Что же продемонстрировали мои расчеты в области обеспечения защиты персонала после того, как я сделал все эти допущения? Использование толщины TIC в диапазоне от 0.20 дюйма (то есть десяти слоев при 20 мил на один слой) на трубе с 350°F и при номинальном размере трубы (NPS) восемь дюймов при температуре окружающей среды 90°F и при ветре 0 м в час, позволило получить температуру поверхности менее 160°F. Таким образом, при достаточном количестве слоев на трубе в 350°F можно обеспечить адекватную защиту персонала.

Я также провел оценку TIC для контроля конденсации на поверхности с температурой ниже температуры окружающей среды, и пришел к выводу, что при трубе NPS на восемь дюймов с температурой 60°F, и окружающей среде с относительной влажностью в восемьдесят пять процентов,  температурой в 90°F, а также ветре с 0 м в час, я смогу предотвратить конденсацию при общей толщине в 0.44 дюйма (то есть, двадцати двух слоях при толщине одного слоя 20 мил). Тем не менее, для того чтобы TIC могло обеспечивать эффективный контроль конденсации для линии 50°F, вероятно, необходимо иметь минимум в пять восьмых дюйма, или тридцать слоев. В этой связи для целей использования TIC в применениях, нуждающихся в контроле конденсации, такая толщина может оказаться неприемлемой с точки зрения общих трудозатрат.

Одним из потенциальных преимуществ использования TIC поверх традиционной изоляции можно считать использование на поверхности с температурой 250°F или ниже, где могут возникать проблемы с коррозией под изоляцией (CUI) при использовании традиционной изоляции. Прежде всего, потребуется всего несколько слоев (возможно, от шести до восьми) для обеспечения температуры поверхности менее 160°F. Принимая во внимание тот факт, что TIC может оказаться эффективным средством создания барьера от воздействия атмосферных явлений, оно может также обладать и необходимыми изоляционными свойствами для обеспечения защиты персонала и одновременного предохранения от CUI на поверхностях с температурой до примерно 250°F. Традиционной изоляции может быть трудно обеспечить защиту таких поверхностей на наружных применениях, поскольку имеется недостаточная температура для удаления какого-либо количества воды, которая просачивается через кожух в изоляцию.

Кроме того, если конструктор имеет дело с поверхностью, имеющей температуру ниже температуры окружающей среды, которая нуждается в изоляции для контроля конденсации, и такую поверхность трудно изолировать с помощью традиционных средств, вполне может оказаться, что TIC станет самым рентабельным средством изоляции такой поверхности до тех пор, пока температура поверхности будет выше 60°F или около того (то есть не слишком низкой). Конструктору, тем не менее, необходимо сделать оценку общих затрат обоих вариантов, включая и трудозатраты, необходимые для нанесения необходимого числа слоев TIC для обеспечения контроля конденсации. И только после этого он (или она) будет знать, какое изоляционное решение является более рентабельным, вариант с традиционной изоляцией, или вариант с TIC.

Какая деятельность планируется в области стандартов?

Комитет ASTM по теплоизоляции, C16, проводит совещание Целевой группы во время своего очередного полугодового собрания в Торонто, Онтарио, Канада, которое состоится в конце апреля этого года. Целевая группа сосредоточит свои усилия на разработке метода испытания TIC, особенно, для использования в механических применениях. Это совещание Целевой группы будет очень полезным, поскольку оно даст возможность заинтересованным членам ASTM оценить потребности в испытаниях для TIC, а также степень способности существующих методов ASTM удовлетворять эти потребности.

Что касается существующих методов испытаний, ASTM C177, то обычно используется аппарат с изолированной горячей плитой для определения свойств теплопередачи материалов механической изоляции. Этот может быть методом, не идеально приспособленным для оценки тепловых эксплуатационных характеристик тонкого TIC, поскольку у него толщина всего примерно от одной восьмой до одной четвертой дюйма, и она размещена между пластинами. При отсутствии поверхностей, которые подвергаются воздействию окружающей среды, здесь невозможно получить никакие преимущества от поверхностного излучения, которое способен обеспечивать этот новый тип изоляции.

Метод испытания труб, ASTM C335, может считаться идеально приспособленным для выполнения этой задачи, поскольку имеется поверхность, которая открыта для воздействия окружающей среды, и здесь просто измеряется количество теплоты, которое необходимо для поддержания постоянной температуры моделируемой трубы. Данный метод испытания сам по себе не принимает в расчет толщину материала, но здесь в этом нет необходимости. Что Вы измеряете, то и получаете. Результаты могут выражаться в виде значений теплопередачи, теплопроводности, или теплопроводимости, в зависимости от того, как будут организованы числа. Поскольку подходящий метод испытаний уже существует, то спорным является вопрос о том, необходима или нет разработка нового метода испытаний для оценки тепловых эксплуатационных характеристик TIC. Тем не менее, мне бы хотелось порекомендовать сделать это этой новой Целевой группе ASTM.

Что должны сделать производители TIC

Для того чтобы их продукты могли рассматриваться для использования в механических применениях, производители TIC должны предоставить основную проектную информацию для своих продуктов. Кроме того, любая техническая информация по TIC должна быть подтверждена сертифицированными отчетами о проведении испытаний, которые можно получить по требованию у владельца или же в архитектурной/инжиниринговой компании (A/E), которая осуществляет конструирование. Инженерам конструкторам нужна подробная техническая информация о тех продуктах, которые они намереваются использовать. Профессиональные конструкторы, независимо от того, работают они на владельца предприятия, или же на архитектурно/инжиниринговую компанию, не могут просто переложить задачу конструирования изоляции на плечи производителя материала. Инженерам проектировщикам платят за то, чтобы они осуществляли техническое проектирование. Они и их компания несут юридическую ответственность за точность такого конструирования. Для того чтобы иметь возможность контролировать результаты проектирования, они должны иметь возможность контролировать как проектные задания, так и методы осуществления расчетов.

Если некоторые производители TIC озабочены тем, что использование теплопроводности их продуктов не соответствует действительности, они должны предоставить данные о теплопередаче для различной толщины при различных температурах эксплуатации. Я считаю, что такие данные можно получить с достаточной точностью за счет использования ASTM C335 для температур, превышающих температуру окружающей среды. Большая открытость со стороны производителей TIC в том, что касается эксплуатационных характеристик их продукции, приведет к  повышению уважения к ним со стороны конструкторского сообщества, а также владельцев/эксплуатирующих организаций промышленных предприятий. За таким проявлением открытости и уважения, последует принятие проявляемых продуктами тепловых эксплуатационных характеристик, и тогда можно будет включать использование продуктов TIC в спецификации для подходящих применений.

РИСУНОК 1

 
Нанотехнология разработала теплоизоляционное покрытие на трубопровод.
Рисунок предоставлен Industrial Nanotech, INC.

РИСУНОК 2

Нанотехнология разработала теплоизоляционное покрытие для текстильной фабрики.
Рисунок предоставлен Industrial Nanotech, INC.

С анализом российского рынка теплоизоляции Вы можете познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок теплоизоляционных материалов в России».

www.newchemistry.ru