Тепловая изоляция в промышленности. Теория, материалы и системы изоляции

УДК 69
ББК 38.637 
          Т34
СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ
Авторы:
А.Д. Жуков, В.В. Гурьев, В.С. Жолудов, 
В.С. Семенов, В.Е. Еремеев, Е.Ю. Боброва
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор В.В. Гранев, заместитель генерального директора,  
научный руководитель АО «ЦНИИПромзданий»;
доктор технических наук, профессор В.А. Перфилов,  
заведующий кафедрой нефтегазовых  
сооружений Волгоградского государственного технического университета;
кандидат технических наук И.В. Бессонов, главный научный сотрудник НИИСФ РААСН
Монография рекомендована к публикации научно-техническим советом НИУ МГСУ
Жуков, А.Д.
Т34	 	
Тепловая изоляция в промышленности. Теория, материалы и системы изоляции 
[Электронный ресурс] : монография / [А.Д. Жуков, В.В. Гурьев, В.С. Жолудов и 
др.] ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный исследовательский Московский государственный строительный 
университет, кафедра строительного материаловедения. — Электрон. дан. и 
прогр. (16,9 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2021. (Библиотека 
научных разработок и проектов НИУ МГСУ). — Режим доступа : http://lib.mgsu.
ru/. — Загл. с титул. экрана.ISBN 978-5-7264-2912-0 (сетевое)
ISBN 978-5-7264-2913-7 (локальное)
В монографии обобщены и систематизированы результаты экспериментальных и теоретических исследований тепловой изоляции в промышленных сооружениях, технологических объектах, трубопроводах и строительных конструкциях. Рассмотрены современные 
типы теплоизоляционных материалов на основе теплостойких газонаполненных пластмасс, вспененного стекла, вспененной резины, аэрогелей и изделий из минеральных 
волокон.
Даны основные представления о морфологии газонаполненных материалов, ее фундаментальной сущности — многоуровневом характере организации пространственной 
структуры со стохастическим распределением газоструктурных элементов, характеризующих эту структуру. Рассмотрены методики расчета и приведены основные конструктивные 
решения изоляции трубопроводов, тепловых агрегатов, инфраструктурных объектов.
Для научных работников, специалистов в области материаловедения, технологовразработчиков новых видов теплоизоляционных материалов и конструкторов, проектирующих изделия из них, а также преподавателей и обучающихся вузов.Научное электронное издание
	
©  ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2021

Редактор Е.Б. Махиянова
Корректор Л.В. Светличная
Компьютерная правка и верстка О.Г. Горюновой
Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesignCS5.5, ПО Adobe Acrobat
Подписано к использованию 08.10.2021. Объем данных 16,9 Мб.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования 
«Национальный исследовательский 
Московский государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ. 
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 14-23, (499) 183-91-90, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

Оглавление
ПРЕДИСЛОВИЕ................................................................................................................... 5
ВВЕДЕНИЕ.
........................................................................................................................... 7
Глава 1. ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ...................... 9
1.1. Тепловая изоляция в системах централизованного теплоснабжения.
....................... 9
1.2. Теплозащита ограждающих конструкций................................................................. 13
Глава 2. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ................ 15
2.1. Структура и свойства газонаполненных материалов.
............................................... 15
2.2. Г
азонаполненные фенольные и карбамидные полимеры........................................ 21
2.3. Теплоизоляционные материалы на основе наполненных пенополиуретанов........ 62
2.4. Теплоизоляционные материалы на основе вспененного полиэтилена................... 74
2.5. Теплоизоляционные материалы на основе вспененного полистирола................... 76
2.6. Теплоизоляционные материалы на основе вспененного каучука.
........................... 79
2.7. Теплоизоляционные материалы на основе аэрогеля................................................ 82
2.8. Теплоизоляционные материалы на основе ячеистого стекла.................................. 86
2.9. Теплоизоляционные волокнистые материалы.
......................................................... 88
Глава 3. МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ИЗОЛЯЦИОННЫХ 
МАТЕРИАЛОВ И СИСТЕМ.......................................................................................... 97
3.1. Модельные структуры газонаполненной теплоизоляции........................................ 97
3.2. Процессы тепломассопереноса и методы расчета теплоизоляционных 
конструкций..............................................................................................................114
3.3. Расчет теплообмена в теплоизоляционных конструкциях.
.....................................149
Глава 4. СИСТЕМЫ ИЗОЛЯЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ.................................166
4.1. Системы изоляции с применением газонаполненных пластмасс..........................166
4.2. Системы с применением минераловолокнистой теплоизоляции..........................170
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................179
Библиографический список...............................................................................................180

ПРЕДИСЛОВИЕ
Системы технической изоляции технологических объектов являются обязательными компонентами общей инженерной системы изоляции, которые, как и задачи совершенствования подобных систем, всегда сохранят актуальность. Необходимость таких систем, во-первых, обусловлена обеспечением реализации параметров технологических 
процессов и технологических циклов, а также, как следствие соблюдения технологических режимов, — качества продукции. Во-вторых, системы изоляции (теплоизоляции в 
том числе) являются фактором теплосбережения, а по отношению к продукции — энергосбережения. В-третьих, хорошо спроектированные и правильно реализованные системы изоляции обеспечивают комфортные климатические условия в помещениях, их соответствие требованиям охраны труда, а также способствуют снижению нагрузки на 
окружающую среду и повышают экологичность технологических процессов.
Очевидно, что вопросами тепловой изоляции занимались и продолжают заниматься ученые сообщества во многих странах, научно-исследовательские организации и научные подразделения фирм. Хотелось бы отметить следующие организации: Институт исследований в области строительства (Канада); фирму Holometrix (США); НИИ 
теплоизоляции Вильнюсского технического университета им. Гедиминаса (ВГТУ) (Литва); НИИ строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук 
(РААСН) (Россия); Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций имени В.А. Кучеренко (ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко) (Россия); Центральный 
научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий (ЦНИИЭП жилища) (Россия); ОАО «НИИМосстрой» (Россия); Научный центр по комплексным транспортным проблемам Министерства транспорта Российской Федерации (НИЦ 
Минтранса России) (Россия); НИЦ «Физтех» (Россия); Институт физико-технических измерений (Россия). 
Большая работа проводится научными подразделениями компаний «ПАТЕК», «РОКВУЛ», «ТехноНИКОЛЬ», «Тепофол», «Ролз Изомаркет», «ПЕНОПЛЭКС», «ЛИТ» и рядом других. В работе принимают участие структуры Минстроя России, а также ученые 
Российской академии архитектуры и строительных наук и Российской нженерной академии (РИА), научные подразделения таких вузов, как Национальный исследовательский 
Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), Национальный 
исследовательский университет «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ), Белгородский 
государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (БГТУ им. В.Г. Шухова), 
Воронежский государственный технический университет (ВГТУ) и др.
Огромная работа в области технической изоляции была проделана следующими институтами: Всесоюзный научно-исследовательский институт по монтажным и специальным строительным работам (НИИ 200, ВНИИмонтажспецстрой), ОАО «ТЕПЛОПРОЕКТ 
(ВНИПИТеплопроект)», УралНИИСтромпроект, ООО «ВНИИСтром-НВ», НИИТеплоизоляция и рядом других, в настоящее время прекративших свое существование.
В монографии при разработке теоретических основ проектирования и методов расчета тепло- и влагообменных процессов в конструкциях промышленной тепловой изоляции использованы научно обоснованные представления о взаимосвязи структуры и свойств 
газонаполненных материалов, о механизме совместного тепло- и массообмена в капиллярно-пористых телах, результаты теоретических и экспериментальных исследований 
-
физико-механических свойств теплостойких вспененных пластмасс и некоторых типов 
пористоволокнистых изделий, а также процессов тепло- и влагопереноса в теплоизоляционных материалах и конструкциях, полученные с участием авторов в НИУ МГСУ, институтах ВНИПИТеплопроект и ЦНИИСК им. Кучеренко.
5

Эффективность систем изоляции базируется на реализации следующих групп задач: 
научно-обоснованном проектировании систем изоляции и корректном выполнении строительных и монтажных работ. Это предполагает наличие как нормативной базы современного уровня, подготовки специалистов строителей и монтажников, так и подготовку соответствующей учебной и научной литературы. Значительный вклад в эту работу вносят 
учебные центры и службы технической поддержки фирм – производителей изоляционных материалов и разработчиков систем изоляции, а также научные и образовательные 
подразделения высших и средних специальных учебных заведений.
Монография ориентирована на решение следующих задач: изложение сведений об 
эффективных изоляционных материалах, используемых в технической изоляции, научных основ проектирования и расчета, а также основных системных решений. Авторы выражают благодарность бакалаврам строительства Е.А. Медниковой и М.А. Бурцевой за помощь в работе над рукописью.

ВВЕДЕНИЕ
Тепловая изоляция промышленного оборудования и технологических объектов направлена на решение трех групп задач. Во-первых, это — создание условий для качественного обеспечения технологических параметров процессов. Во-вторых, это — энергосбережение или оптимизированное использование энергетических ресурсов. В-третьих, 
это — обеспечение условий труда на уровне действующих санитарных норм. В-четвертых, 
это — снижение отрицательной нагрузки на окружающую среду [4, 91]. Важным также является повышение долговечности систем изоляции, что зависит и от разработки современных проектных решений и систем расчета, использования материалов, имеющих высокую эксплуатационную стойкость, и профессионального монтажа систем изоляции.Обеспечение технологического уровня предполагает индивидуальный подход, зависящий от функционального предназначения того или иного типа оборудования. Например, для тепловых установок (сушилок, печей) изоляция позволяет как снизить затраты 
на получение продукта, обеспечить его качество, создавать в помещениях приемлемый 
температурный режим, так и уменьшить количество вредных выбросов (дымовые газы и 
пр.) в окружающую среду. Изоляция трубопроводов горячего водоснабжения или паропроводов, с одной стороны, способствует организации доставки продукта с требуемой температурой, а с другой стороны, обеспечивает энергетическую эффективность процессов. 
Изоляция холодильников или установок глубокого холода (например, сжиженного газа) 
позволяет поддерживать состояние продукта на требуемом уровне и также обеспечивает 
энергетическую эффективность. Изоляция систем трубопроводов транспортировки нефти предполагает поддержание температуры в трубопроводах, обеспечивающей оптимальные условия перекачки и т.п. 
Проблемам энергосбережения и энергетической эффективности уделяется весьма 
пристальное внимание [1, 2]. Согласно целевым установкам к 2030 г. предполагается достижение показателя по экономии топлива в размере 500–600 млн т у.т., что, в свою очередь, позволит снижать выбросы в атмосферу вредных веществ до 30–40 %, а также оптимизировать выбросы газов и химических веществ, ужесточающих парниковый эффект.
Следует отметить, что отечественные теплотехнические нормативы после 1990 г. 
-
претерпели значительное изменение. Так, требования по нормативному термическому сопротивлению ограждающих конструкций (стен, кровли, полов по грунту) увеличились в 
2,5–3 раза. В соответствии с действующими нормативами и стандартами были существенно снижены нормы плотности теплового потока через изолируемые поверхности оборудования и трубопроводов [90, 93].
Это повлекло за собой необходимость разработки современных систем изоляции на 
основе высокоэффективных теплоизоляционных материалов. Аналогичная ситуация складывалась и в области систем тепловой изоляция, реализуемых во всех областях промышленного производства и строительства. Только повышение теплозащитных свойств изоляционных оболочек промышленных сооружений, оборудования и трубопроводов, 
теплопроводов, систем централизованного теплоснабжения и ограждений зданий позволяет обеспечивать значительную экономию энергетических ресурсов. Величина такой экономии в масштабах страны находится на уровне 40 млн т у.т.
Роль тепловой изоляции при решении задач повышения энергетической эффективности включает в себя два аспекта этой проблемы. С одной стороны, это — учет нормативных потерь, а с другой стороны, это — анализ возникновения и обязательный мониторинг сверхнормативных потерь. Общие потери тепла объектами строительного 
комплекса (через ограждающие конструкции промышленных сооружений, через изоляцию теплопроводов и т.п.) по приблизительным оценкам составляют 364,5 млн т у.т./г. Этот 
показатель снижается за счет применения современных методов проектирования и внедрения высокоэффективных изоляционных систем.
7

Сверхнормативные потери связаны, в первую очередь, с условиями эксплуатации 
изоляционных конструкций. К объективным причинам таких потерь относятся высокая 
интенсивность как тепловых влажностных и механических воздействий окружающей среды, ее возможная агрессивность, так и отрицательные воздействия на системы изоляции 
самих технологических процессов. Субъективные причины обусловлены необоснованным выбором теплоизоляционных материалов (без учета особенностей эксплуатации), 
недостаточным качеством проектирования и методов монтажа. Все это приводит к значительным сверхнормативным потерям тепла, которые могут превышать расчетные (нормативные) в 1,2–1,8 раз [77, 96]. 
Практика показывает, что увеличение сверхнормативных потерь тепла происходит 
постепенно в процессе эксплуатации за счет, в первую очередь, деградации свойств теплоизоляционных материалов как элемента, обладающего наименьшей эксплуатационной 
стойкостью по сравнению с другими компонентами системы изоляции. Это оказывает 
также непосредственное влияние на долговечность системы изоляции и безремонтный 
срок ее эксплуатации.
В связи с этим для повышения энергетической эффективности и обеспечения безремонтного нормативного цикла службы промышленной изоляции необходима подготовка специальных кадров как рабочих, так и инженеров. С учетом того, что системы изоляции технологического оборудования и технических объектов работают в условиях 
интенсивных тепловых, влажностных и агрессивных воздействий окружающей среды и 
технологических процессов, необходима специальная подготовка инженерных работников и формирование у инженеров, проектирующих теплоизоляцию, ясных представлений 
об особенностях строения и основных физико-технических свойствах теплоизоляционных материалов, о физической природе и механизме тепло- и влагообмена в теплоизоляционных конструкциях и создание расчетных методов оценки агрессивности условий эксплуатации и их влияния на свойства теплоизоляционных конструкций промышленных 
сооружений, оборудования и трубопроводов.
8

Глава 1
ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ
1.1. Тепловая изоляция в системах централизованного теплоснабжения
Установки для генерации тепла можно условно разделить на две группы: системы индивидуального и централизованного теплоснабжения. Системы индивидуального теплоснабжения характерны для многих стран и предполагают ответственность за все процессы непосредственно собственников жилья. В России подобные системы применяются для 
индивидуального строительства и коттеджных поселков, и их основным достоинством является минимизация расстояний от устройств получения тепла до его доставки в узлы эксплуатации (как правило, котел размещается непосредственно в коттедже или рядом с ним) 
[79, 82].
Исторически в России сложилась такая ситуация, когда в системе централизованного теплоснабжения расстояние между теплогенерирующими комплексами (например, теплоэнергостанциями) и потребителем (единицей городской застройки) может исчисляться километрами. Россия является одним из пионеров в области централизованного 
теплоснабжения, а система централизованного теплоснабжения — крупнейшей в мире. 
При этом тепловые сети представляют собой один из наиболее энергоемких элементов 
всех видов энергетического технологического оборудования. Отсталость оборудования и 
технологических решений в техническом уровне прокладок тепловых сетей [54, 76, 78] 
приводит к значительным потерям тепла, которые увеличиваются пропорционально длине тепловых сетей (рис. 1.1). 
Рис. 1.1. Отпуск тепла (1) и протяженность тепловых сетей (2)
Для систем централизованного теплоснабжения методика определения тепловых потерь основана на данных мониторинга тепловых сетей, а также на величинах нормированных тепловых потерь. Нормируемые тепловые потери установлены в соответствии с нормами СП 61.13330626-2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. 
Актуализированная редакция СНиП 41-03-2003» в зависимости от распределения длин 
трубопроводов и оценки статистического распределения их диаметров. Результаты теоретических и экспериментальных исследований тепловлажностного режима подземных теплопроводов [55, 60] учитываются также при разработке методики определения тепловых 
потерь. 
9

Нормативные потери тепла в тепловых сетях системы централизованного теплоснабжения (Q, Г
кал/г.) могут быть определены по формуле:
n i
=
3
−
(1.1)
Q
q L mP
i
i
i
n
1
10
,
=
= ∑
	
	
где L — общая длина трубопроводов, км, включающая n диаметров прокладки; qi — суммарные нормируемые тепловые трубопровода i-го диаметра, ккал/м · ч; m — число часов 
работы тепловой сети в году, ч/г.; Рi — вес длины i-го диаметра в долях единицы от общей 
длины трубопроводов тепловой сети.
Нормированные потери тепла в тепловых сетях находятся на уровне 8 % от количества теплоты, создаваемой теплогенерирующими установками. Результаты анализа нормативных тепловых потерь представлены в табл. 1.1. Применение систем теплоизоляции 
и теплоизоляционных конструкций, толщина которых рассчитывается с учетом установленных нормативных показателей теплопотерь, позволяет снижать расчетный показатель 
по нормированным потерям тепла в тепловых сетях до 3,5 %.
Таблица 1.1
Характеристики систем теплоснабжения
№ 
п/п
Показатели
Количество
1
Генерирование тепла системами теплоснабжения, млн Гкал/г.
2120
2
Протяженность тепловых сетей, тыс. км
235
3
Удельные тепловые потери двухтрубной прокладкой, Гкал/г. · км (т у.т./г. · км)
310 (59)
4
Тепловые потери в сетях системы теплоснабжения, млн Гкал/г. (млн т у.т./г.)
73 (13)
Сверхнормативные потери обуславливаются как недостаточно квалифицированным 
монажом, типом используемых теплоизоляционных материалов, так и условиями эксплуатации систем изоляции трубопроводов. В процессе эксплуатации трубопровода и системы его изоляции различные воздействия окружающей среды (механические, физические, 
химические) изменяют свойства теплоизоляционного материала, что, в первую очередь, 
сказывается на изменении его средней плотности и структуры пористости и определяет 
долговечность, а следовательно, безремонтный срок эксплуатации системы изоляции в 
целом. 
В условиях эксплуатации конструкции изменения структуры сухого теплоизоляционного материала, обусловленные сезонными атмосферными воздействиями, заметно 
не влияют на теплотехнические характеристики изоляционной системы (рис. 1.2). При 
этом нарушение структуры теплоизоляционного слоя в результате «атмосферной пилы» 
(колебаний влажности, температур, воздействие осадков) увеличивают коэффициент 
-
переноса жидкой влаги в изоляции на один – два порядка. Аналогично увеличивается интенсивность переноса капельной влаги. Это приводит к увеличению влажности теплоизоляционного слоя и значительному увеличению его теплопроводности, а следовательно, резкому снижению термического сопротивления изоляционной системы.
Величина реальных тепловых потерь может значительно превосходить нормируемые 
и обусловлена условиями эксплуатации систем изоляции тепловых сетей, главным образом, за счет сезонных изменений содержания капельной влаги в тепловой изоляции. Конденсация влаги в теплоизоляции определяется как внешними факторами, так и структурой пористости (рис. 1.3).
10

Рис. 1.2. Изменение теплозащитных свойств систем изоляции тепловых сетей 
в зависимости от длительности эксплуатации: 
1 — изоляция на основе минераловатных изделий при прокладке в непроходных каналах 
с сезонным обводнением канала; 2 — изоляция на основе минераловатных изделий при прокладке 
в непроходных вентилируемых каналах; 3 — изоляция на основе пенополиуретана 
при бесканальной прокладке
Рис. 1.3. Структура пористости теплоизоляционных материалов: 
а — открытая волокнистая; б — зернистая (ячейки или поры сообщаются между собой и с окружающей 
средой); в — замкнутая (состоит из закрытых, не сообщающихся ячеек размером 0,1–0,2 мм)
Например, периодическое увлажнение и высушивание минераловатной изоляции 
теплопроводов при сезонном обводнении вызывает уплотнение структуры, т.е. снижение 
толщины изоляции, а также увеличение ее средней плотности, и соответственно, резкое 
уменьшение термического сопротивления теплоизоляционного слоя. 
Содержание капельной влаги непосредственно увеличивает теплопроводность и, постепенно разрушая структуру теплоизоляционного слоя, приводит к отказу системы изоляции. Все указанные факторы способствуют снижению теплозащитных свойств теплоизоляционных конструкций подземных теплопроводов в процессе эксплуатации (см. 
рис. 1.2). 
Термическое сопротивление системы теплоизоляции конструкций подземных теплопроводов за пятнадцатилетний срок эксплуатации может снижаться по отношению к расчетному не менее чем в два раза. Реальные потери теплоты в тепловых сетях возрастают 
до 16 % от тепла, генерируемого тепловыми установками.
Содержание во влаге агрессивных веществ действует не только на теплоизоляционный материал, но и на металл трубопроводов, инициируя процессы их коррозии. Важным 
становится правильный выбор теплоизоляционного материала, способа его монтажа, а 
также защитных конструкций.11