В статье представлены предварительные результаты разработки нового поколения простых и эффективных устройств грунтового аккумулирования низкопотенциальной тепловой энергии с использованием дешевых и доступных энергосберегающих материалов. Предлагаемые устройства обладают необходимым комплексом функциональных характеристик, изготовлены на основе природного минерального (цеолит, перлит и т. п.) и техногенного (стеклобой) сырья.

ВВЕДЕНИЕ

Проблемы энергосбережения, освоения на практике энергии от возобновляемых природных источников, например, путем создания энергоэффективного жилья, не могут быть решены без использования доступных теплоизоляционных материалов с оптимальным комплексом функциональных характеристик. Основной проблемой на пути устойчивого и эффективного использования на практике солнечной энергии является периодичность и неравномерность ее поступления и потребления. Простейшим способом решения этой проблемы, а также сглаживания и согласования пиков производства солнечной энергии, возможности долгосрочного ее сохранения в виде запасенного тепла, является создание так называемых грунтовых аккумуляторов тепловой энергии [1]. Принцип работы этих устройств основан на способности материалов накапливать (запасать) низкопотенциальное тепло за счет присущей данному материалу собственной теплоемкости.

Преимущество процессов емкостного аккумулирования низкопотенциальной тепловой энергии заключается в том, что практически накапливать тепло способны любые материалы. В простейшем случае аккумулирование происходит путем нагревания материала рабочих тел за счет их собственной теплоемкости (так называемое емкостное аккумулирование тепла). Однако в случае теплоемкостного аккумулирования тепла имеет место и существенный недостаток – невысокие значения тепловой емкости большинства используемых материалов рабочих тел, которые представляют собой твердые и жидкие конденсированные системы. Кроме этого, эффективность процесса аккумулирования резко снижается за счет интенсивной передачи тепла от рабочих тел обратно в окружающую среду. Для того чтобы реализовать на практике и повысить эффективность такого типа теплового аккумулирования, необходимо обеспечить надежную теплоизоляцию и минимизировать утечку в окружающую среду тепловой энергии из зоны локализации рабочих тел устройства для грунтового аккумулирования. Это позволяет сохранять поглощенную низкопотенциальную энергию в течение достаточно большого временного периода.

В этой связи в настоящее время ставится задача разработки и освоения производства нового поколения простых, но эффективных устройств грунтового аккумулирования низкопотенциальной тепловой энергии, которые обладают необходимым комплексом функциональных характеристик. Функциональные элементы этих устройств могут быть изготовлены с использованием дешевых и доступных теплоизолирующих материалов на основе природного минерального (цеолит, перлит и т. п.) и техногенного (стеклобой) сырья [1–3].

Устройства обратимого аккумулирования энергии от периодически действующих природных возобновляемых источников энергии могут дополнять и существенно повышать к. п. д. и эффективность использования серийно выпускаемых гелиоколлекторов, что сделает их эксплуатацию целесообразной и рентабельной в условиях умеренного климата Украины и Беларуси.

ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТЕКЛОБОЯ

Одним из представителей теплоизоляционных материалов из стеклобоя, который был впервые получен в 30-х годах прошлого века, является пеностекло [4]. Пеностекло представляет собой высокопористый материал, состоящий из множества ячеек шарообразной или шестигранной формы размером 0,5–2,0 мм. Технология его производства основана на «порошковом» способе, включающем подготовку пенообразующей шихты из тонкоизмельченного стекла и газообразователя, а также термообработку этой шихты. Этот способ позволяет управлять процессом вспенивания формируемого материала и получать пеностекло с заранее заданными свойствами. В процессе термообработки пенообразующую шихту нагревают до температуры вспенивания 850 ^оС–900 ^оС, выдерживают при этой температуре до полного вспенивания, стабилизируют и отжигают полученные блоки пеностекла путем резкого охлаждения до некоторой заданной температуры с последующей выдержкой и медленным охлаждением. При данном способе производства структура и физико-механические свойства пеностекла определяются составом исходного стекла, в качестве которого может быть использован стеклобой, и газообразователя, в качестве которого часто используются углеродсодержащие вещества (антрацит, кокс, технический углерод) и другие материалы.

Пеностекло характеризуется низкими плотностью и теплопроводностью, относится к категории негорючих влагостойких материалов и имеет широкий диапазон применения при температуре от 200 ^оС до 1400 ^оС. Используется, например, в качестве тепловой изоляции холодильных установок и хранилищ сжиженных газов при температуре до минус 200 ^оС, для строительных конструкций, при этом пеностекло можно укладывать на открытом воздухе, внутри помещений и в грунте.

Пеностекло может быть использовано также для повышения эффективности работы грунтовых аккумуляторов тепловой энергии. Эксплуатационные свойства углеродистого пеностекла основаны на том, что замкнутость ячеек исключает проникновение влаги во внутренние слои материала и обеспечивает постоянство физических свойств и эффективность его применения при отрицательных температурах и в условиях повышенной влажности.

Таким образом, такие преимущества углеродистого пеностекла перед другими теплоизоляционными материалами, как неорганический состав и стабильность теплофизических и механических свойств при относительной влажности воздуха до 97 %, обеспечивают эффективность и долговечность тепловой изоляции из пеностекла. Применение газообразователей, содержащих углерод, позволяет получать однородную с замкнутыми ячейками структуру пеностекла. Полная замкнутость ячеек и целостность их стенок достигаются в углеродистом пеностекле за счет применения не кристаллизующихся в дисперсном состоянии стекол щелочного алюмомагнезиального состава, специально сваренных и выработанных в виде гранулята, применяемых в отечественном и зарубежном производстве. Этим требованиям отвечает предложенный в производстве углеродистого пеностекла следующий состав стекла (масс. %): SiO₂ – (72,07±0,3); (A₂O₃ + Fe₂O₃) – (2,05±0,15); CaO – (6,6±0,2); MgO – (4,0±0,2); (Na₂О + K₂О) – (14,86±0,20); SО₃ – (0,42±0,05). Такой состав стекла аналогичен составу листового (оконного) стекла.

Выпуск продукции высокого качества обеспечивается использованием технологической схемы двухстадийного производства пеностекла, при котором вспенивание блоков и их отжиг производятся в самостоятельных тепловых агрегатах – печи вспенивания и печи отжига. Порошковый способ производства пеностекла включает процессы получения пенообразующей шихты, содержащей стеклобой, ее вспенивания, отжига полученных блоков пеностекла, их механической обработки и осуществляется по технологической схеме, которая включает следующие основные этапы:

– подготовка стеклобоя и/или варка стекломассы для производства стеклогранулята в газовой ванной регенеративной печи;

– гранулирование стекломассы в камере слива с протоком, металлическим лотком швеллерного типа, трубкой с отверстиями для подачи воды и орошения струи стекломассы;

– транспортировка и сушка гранулята (стеклобоя) с размерами части 10–20 мм, не имеющего инородных включений, влажностью до 1 %;

– дозировка компонентов, осуществляющаяся автоматической весовой дозировкой гранулята, дисперсного углеродсодержащего газообразователя смешения и помол пенообразующей шихты;

– дозировка пенообразующей шихты в формы из жаростойкого литья с крышками, смазанными водной суспензией каолина;

– транспортирование форм линией транспортирования и гидротолкателем форм в печь;

– вспенивание пенообразующей шихты в газовой туннельной печи полумуфельного типа;

– отжиг блоков пеностекла в газовой печи отжига муфельного или конвективного типа;

– опиловка и резка блоков пеностекла на станках с дисковой пилой при опиловке блоков по периметру, ленточными пилами – при полной опиловке и алмазными кругами – при резке пеностекла на плиты;

– упаковка блоков и плит пеностекла в специальные ящики.

Температурно-временной режим в печи, определяющий согласованное изменение параметров пиропластического состояния шихты в интервале вязкости 10^10–10^5,6 Па?с и кинетику газовыделения, выдерживается в зависимости от состава пенообразующей шихты. Температура в рабочей зоне печи находится в пределах 600®880®760 ^оС. Высокие скорости нагрева в период, предшествующий вспениванию, являются оптимальными с точки зрения затрат тепла и производительности печи; однако для углеродистых пенообразующих шихт допустимые скорости нагрева шихт определяются структурным состоянием и активностью углерода, а также его удержанием в шихте.

К процессу отжига пеностекла предъявляются следующие специальные технологические требования:

– температура стабилизации пеномассы должна соответствовать продолжительности пребывания блока вне печи вспенивания для обеспечения вязкости внутренних слоев блока перед его установкой в печь отжига в пределах 10^9,6–10¹¹ Па?с;

– температура в печи отжига 500 ^оС®320 ^оС;

– продолжительность интенсивного охлаждения блоков непосредственно перед этапом собственно отжига должна обеспечивать охлаждение поверхностных слоев до или ниже нижней границы отжига внутренних слоев – выше верхней границы отжига;

– охлаждение при отжиге должно проводиться от температуры, соответствующей вязкости 10^12,8–10^14,5 Па?с, со скоростью 0,1–0,3 ^оС/мин в зоне собственно отжига.

Получение однородной структуры и свойств пеностекла обеспечивается также за счет состава исходного алюмомагнезиального стекла и газообразователя. Поскольку формирование пеностекла протекает в стекломассе с достаточно низкой вязкостью, и сформировавшаяся структура пены может фиксироваться почти без изменений при последующем резком охлаждении и увеличении вязкости стекла, то для получения однородной с замкнутыми ячейками структуры пеностекла необходимо, чтобы стенки ячеек были эластичными, устойчивыми к высокому давлению в процессе вспенивания. Это обеспечивается устойчивостью исходного стекла к кристаллизации и его температурно-вязкостной характеристикой, а также действием частиц углеродистых материалов как структурно-механических стабилизаторов пены. Поэтому в качестве исходных материалов применяется стекло щелочного алюмомагнезиального состава, у которого вязкость при температуре 900 ^оС принимается lqn ? 5,0 и градиент вязкости в интервале температур 800 ^оС–900 ^оС – D lqn ? 1,3, а также газообразователь в виде каменного угля – антрацита или кокса.

Использование предложенных составов стеклобоя, гранулированного стекла и газообразователя, специальной конструкции печи и разработанных параметров технологического процесса обеспечивает производство пеностекла с комплексом свойств, получаемых в интервале рекомендуемых технологических параметров производства и условий эксплуатации:

При использовании тарного (бутылочного) стекла возможно получение звуко-, теплоизоляционного пеностекла с карбонатным газообразователем (мел или доломит [2]), с водопоглощением от 18 % до 22 % объема. Учитывая наличие вторичного (бутылочного) стекла необходимо использовать соответствующее помольное оборудование, которое обеспечивает получение стеклянного порошка с удельной поверхностью 6000–7500 см²/г (размер частиц – 3,2–3,7 мкм).

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПЕРЛИТА

Перлитовые породы являются основным компонентом для производства вспученного перлитового песка, который получается в результате обжига перлитовой породы при температуре в интервале 900 ^оС–1000 ^оС в вертикальных шахтных печах. Вспученный перлитовый песок производится из природных водосодержащих (до 2 %–8 % воды) вулканических кислых стекол. Химический состав перлитовых пород различных месторождений колеблется в следующих пределах (% по массе): SiO₂ – (65–68); Al₂O₃ – (11,0–16,3); CaO – (0,1–2,5); (FeO + Fe₂O₃) – (0,6–3,4); MgO – (0,2–1,6); (Na₂О + К₂О) = (3,4–9,4); SO₃ – (0,02–0,43); летучих компонентов – (2,3–7,4).

Характерная пористая структура вспученного перлитового песка, обуславливающая его высокие теплоизоляционные свойства, создается в процессе обжига вследствие перехода в парообразное состояние имеющейся в исходной породе структурно-связанной воды и вспучивания (расширения) частиц перлита, перешедших в пиропластическое состояние. Насыпная плотность вспученного перлитового песка в значительной степени зависит от размера фракций. Наименьшую плотность имеет фракция с наибольшей открытой пористостью с размером зерен 0,1–0,6 мм. Вследствие своей высокой открытой пористости перлитовый песок поглощает воду в большом количестве, причем водопоглощение возрастает с уменьшением размера зерен и насыпной плотности. Для зерен размером 0,25–0,50 мм показатель водопоглощения достигает 60 % по объему или 800 %–900 % по массе.

Основная область применения вспученного перлитового песка – теплоизоляция. Он используется как заполнитель легких бетонов, теплых штукатурок, в виде вспученного перлита, упакованного в соответствующую тару, в качестве теплоизоляционных засыпок и при изготовлении теплоизоляционных изделий. На основе вспученного перлитового песка получают различные материалы с применением минеральных и органических связующих.

Авторами статьи на основе перлитового песка были разработаны составы теплоизоляционных изделий, например, с применением жидкого стекла и каолина. Вспученный перлитовый песок является хрупким непрочным заполнителем. Обычно во избежание значительного разрушения зерен перлита при перемешивании со связующим изделия изготавливают из полусухих масс (влажность до 20 %), либо из пульпы (влажность выше 80 %). Именно эти два направления – «полусухая» и «мокрая» технологии – нашли применение в промышленности.

Изделия, получаемые по «мокрой» технологии, содержат в своем составе волокнистые компоненты и поэтому характеризуются меньшей хрупкостью. Это изделия на основе вспученного перлитового песка с некоторыми функциональными добавками, используемые для тепловой изоляции.

При «полусухой» технологии существенно упрощается технологический процесс, в несколько раз сокращаются продолжительность сушки и расход топлива. К изделиям, изготавливаемым по «полусухой» технологии, относятся перлитостеклокаолиновые. Применяются эти изделия в качестве тепловой изоляции поверхностей с температурой до 400 ^оС, а с добавкой гидрофобизатора – для изоляции строительных конструкций зданий и сооружений.

Среди образцов на основе перлита наиболее приемлемыми для теплоизоляции строительных конструкций являются материалы с использованием полимерных органических связующих. Именно их применение позволяет получить более пластичный материал со значительно меньшей плотностью при прочности, равной прочности подобных материалов с использованием неорганических связующих.

Авторами разработана также технология получения теплоизоляционного материала на основе вспученного перлитового песка с использованием в качестве связующего недорогих местных материалов, либо отходов промышленности предприятий. В частности в качестве связующего применялись сапропель – природный материал, имеющийся в огромных количествах в Беларуси, а также отходы производства бумажно-картонажной промышленности – скоп. Были получены теплоизоляционные изделия плотностью 200–350 кг/м³ с водопоглощением 2,5 %–3,2 % по объему и теплопроводностью 0,058–0,064 Вт/(м?К).

Рассматривается возможность корректировки состава теплоизоляционного материала за счет использования волокнистых отходов макулатуры и отходов порошковых красителей, что позволит снизить влажность сырцовой массы и расходы тепла на процесс термообработки. Особый интерес представляет возможность получения материалов типа пеностекла из горных пород, в частности из вулканических стекол, близких к составу эвтектических смесей кремнезема и щелочных полевых шпатов, минуя этап стекловарения.

Большими запасами вулканических стекол, в частности перлита, располагает Украина: плотность сырья, которое разрабатывается Береговским карьером Закарпатской области, составляет 1100 кг/м³. При обеспечении необходимым количеством газовой фазы за счет использования гидроокиси натрия при производстве пеностекла появляется возможность отказаться от традиционных газообразователей. Газообразователем в данном случае является вода. Для приготовления сырьевой смеси (шихты) применяется перлит с удельной поверхностью более 3000 см²/г. Целевой материал получается при температуре от 850 ^оС до 950 ^оС с плотностью от 170 до 500 кг/ м³. Цвет такого пеностекла – белый.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные авторами исследования показали, что имеется реальная возможность получения эффективных, технологичных и дешевых теплоизолирующих материалов с низкой плотностью и теплопроводностью (0,06–0,07 Вт/(м?К)) на основе природного (перлит, цеолит) и техногенного (стеклобой) сырья. Такие материалы могут использоваться в конструкции теплоизоляции емкостных теплоаккумуляторов, совмещенных с гелиоколлекторами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бекман, Г. Тепловое аккумулирование энергии / Г. Бекман, П. Гилли. – М.: Мир, 1967. – 271 с.

2. Бондаренко, С. Н. Сборник материалов Международной конференции «Технология, оборудование и сырьевая база горных предприятий промышленности строительных материалов» / С. Н. Бондаренко, А. Н. Моисеенко. – М., 2010. – С. 419–427.

3. Bondarenko, S. N. Investigation of functional characteristics of zeolite-containing mineral row materials for reversible low - potential heat energy accumulation, International. Conf. «Sakharov Readings 2005: environmental problems of the XXI century» / S. N. Bondarenko [et al.]. – Minsk, 2005. – Part. II. – Р. 201, 202.

4. Демидович, Б. К. Производство и применение пеностекла / Б. К. Демидович. – Минск: Наука и техника, 1972. – С. 304.