Об исследовании теплофизических свойств тонкопленочного теплоизоляционного покрытия

Московский энергетический институт (технический университет) Об исследовании теплофизических свойств тонкопленочного теплоизоляционного покрытия Рыженков В. А., Прищепов А. Ф., Логинова Н. А., Кондратьев А.П.

В современных условиях применительно к Российской Федерации энергосбережение является важнейшей задачей. Актуальность этой проблемы обусловлена в первую очередь весьма низкой среднегодовой температурой окружающей среды (на территории РФ составляет — 5,5 єС), значительной длительностью отопительного сезона (в целом ряде регионов РФ этот показатель превышает 200 дней, а в отдельных регионах отопление зданий и сооружений осуществляется постоянно), а также наличием большого числа морально и физически устаревшего оборудования. Масштабность этой проблемы для нашей страны характеризуется следующими показателями. Длина теплопроводов систем теплоснабжения страны составляет 260 тысяч км. Из них порядка 60 тысяч км находятся в аварийном состоянии. Ежегодные потери энергоресурсов в нашей стране сравнимы с годовым энергопотреблением промышленно развитых европейских государств. В значительной мере сверхнормативные потери тепла обусловлены неудовлетворительным техническим состоянием теплоизоляционных конструкций оборудования и трубопроводов. Поэтому задача улучшения теплоизоляции трубопроводов и оборудования систем теплоснабжения является весьма актуальной.

В последнее время на отечественном рынке появились принципиально новые теплоизоляционные материалы, создаваемые с использованием полых микросфер и различного рода связующих. Однако на сегодняшний день теплофизические свойства этих материалов не изучены в полной мере [1]. Опубликованные данные показывают весьма существенную разницу значений коэффициента теплопроводности одних и тех же материалов.

По действующим на сегодняшний день стандартам на территории РФ определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов, предназначенных для трубопроводов систем теплоснабжения, осуществляется тестированием плоских образцов в стационарном изотропном температурном поле при комнатных условиях, что не соответствует реальным эксплуатационным условиям и приводит к существенным ошибкам в оценке коэффициента теплопроводности.

В рамках решения проблемы корректного определения эффективности тепловой изоляции для трубопроводов систем теплоснабжения в МЭИ (ТУ) разработана универсальная методика определения коэффициента теплопроводности различных теплоизоляционных материалов, в том числе и тонкопленочных, с использованием, в отличие от [2, 3], образцов с цилиндрической поверхностью.

Разработанная методика базируется на минимизации неучитываемых потерь тепловой энергии и повышении точности измерения температуры при определении термического сопротивления и коэффициента теплопроводности тестируемых материалов, а также на возможности определения влияния имеющего место в эксплуатационных условиях перепаде температур на эти характеристики, что в конечном итоге позволит получать более объективные данные, необходимые для определения термодинамических и технико-экономических показателей.

Для реализации методики разработана схема и конструкция экспериментального стенда, позволяющего определять теплопроводность теплоизоляционных материалов на цилиндрической поверхности с соблюдением вышеупомянутых условий. Все необходимые измерения осуществляются с использованием высокочувствительных измерительных средств: тепловизора, пирометра, высокоточного многоканального измерительно-вычислительного комплекса MIC-400М.

Использование образца цилиндрической формы для определения коэффициента теплопроводности позволяет создавать большой температурный перепад между средней температурой стенки образца и температурой окружающей среды. Известно, что увеличение этого температурного перепада приводит к повышению точности полученных результатов в оценке эффективной теплопроводности теплоизоляционных материалов и дает возможность смоделировать условия близкие к реальным эксплуатационным условиям трубопроводов систем теплоснабжения.

На кафедре Промышленных теплоэнергетических систем МЭИ (ТУ) были проведены исследования по определению влияния структуры материала микросфер и связующего вещества на теплопроводность теплоизоляционного покрытия. Исследования проводились на тонкопленочных теплоизоляционных покрытиях с использованием газонаполненных микросфер, заполненных азотом и углекислым газом, и вакуумированных микросфер. В ходе исследований определялось распределение значений температур на поверхности ТТП, наносимого на образец цилиндрической формы. Заданные значения температуры в диапазоне +50⁰С — +200⁰С на поверхности исходного образца поддерживались с помощью электронагревателя, регулирование температуры осуществлялось с помощью электронного регулятора.

На основании исследований были выявлены оптимальный размер микросфер и их концентрация в составе связующего вещества тонкопленочного теплоизоляционного покрытия [3]. Проведенные исследования показали достаточно хорошую повторяемость. Зависимость, характеризующая влияние диаметра микросфер на распределение значений температуры на поверхности однослойного теплоизоляционного покрытия, приведена на рисунке 2.

Влияние концентрации алюмосиликатных микросфер на распределение значений температуры на поверхности однослойного теплоизоляционного покрытия представлено на рисунке 3.

Очевидно, что наибольшие температурные перепады возникают на слое тонкопленочного теплоизоляционного покрытия с диаметром микросфер 70 мкм и их концентрацией в составе связующего вещества 85%. Концентрация микросфер в составе связующего вещества 85% - максимально возможная концентрация, при которой ТТП обладает необходимой степенью адгезии к поверхности исходного образца.

Рисунок 3 — Влияние концентрации микросфер на распределение значений температуры на поверхности однослойного теплоизоляционного покрытия Для определения коэффициента теплопроводности используется расчетная зависимость (1) для цилиндрической стенки, полученная из уравнения теплопроводности Фурье [4]:

(1),.

где r₁, r₂ — соответственно радиусы на наружной поверхности исходного образца цилиндрической формы и на наружной поверхности ТТП, м;

q — плотность теплового потока, Вт/м²,.

T₁, T₂ — значения температуры на наружной поверхности исходного образца цилиндрической формы и на наружной поверхности ТТП, К.

Естественно, что максимальному температурному перепаду соответствует и минимальное значение коэффициента теплопроводности.

Исходя из того, что коэффициент теплопроводности в значительной степени зависит от структуры материала, преобладающее влияние на коэффициент теплопроводности ТТП оказывает собственно используемый для заполнения газ или степень вакуумирования полости микросфер. Используемые в качестве связующих вещества в теплоизоляционном материале оказывают незначительное влияние на коэффициенте теплопроводности. теплоизоляционный тонкопленочный трубопровод Очевидно, что применительно к трубопроводам систем теплоснабжения, эксплуатирующихся при высоких температурах и в условиях агрессивного воздействия окружающей среды, в качестве связующего вещества в ТТП необходимо применять материалы, обладающие высокой коррозионной стойкостью, в частности, содержащие кремнийорганические смолы [5].

С учетом этих обстоятельств были проведены исследования по определению влияния связующего материала ТТП (без микросфер) на теплопроводность одно и многослойного покрытия. На рисунке 4 приведены результаты исследований, свидетельствующие об отсутствии существенного влияния связующего материала на теплоизолирующие свойства образцов при различных количествах слоев этого связующего материала. Объясняется это обстоятельство наличием цинка в его составе, который обладают высокой теплопроводностью, и, как следствие, низким термическим сопротивлением.

В свою очередь теплопроводность теплоизолированных образцов весьма существенно изменяется при наличии в связующем материале газонаполненных или вакуумированных микросфер. Результаты исследований по определению влияния микросфер, заполненных газовой фазой (азот и углекислый газ), а также вакуумированных микросфер представлены на рисунке 5.

Значения коэффициентов теплопроводности однослойного ТТП, рассчитанные по формуле 1 и составляющие при температуре 60⁰С 0,028 Вт/м· К для покрытия с вакуумированными микросферами и 0,140 Вт/м· К для покрытий с газонаполненными микросферами, предполагает более высокую эффективность ТТП при использовании вакуумированных микросфер.

• 1. Ширинян В. Т. Поход жидко-керамического «супертеплоизоляционного» покрытия по тепловым сетям России // Новости теплоснабжения. 2007, № 9. С. 46−51.
• 2. ГОСТ 7076–99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме».
• 3. ГОСТ 30 256–94 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом»
• 4. В. А. Рыженков, А. Ф. Прищепов, Н. А. Логинова, А. П. Кондратьев. Определение коэффициента теплопроводности тонкопленочного теплоизоляционного покрытия при различных диаметрах газонаполненных микросфер/ Надежность и безопасность энергетики, № 2, 2010 г.
• 5. Ф. Ф. Цветков, Б. А. Григорьев. Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов.- М.: Издательство МЭИ, 2001. — 550 c., ил.
• 6. РД 153−34.0−20.518−2003 «Типовая инструкция по защите тепловых сетей от наружной коррозии»