ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОЙ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ ТЕПЛОВОМ РЕЖИМЕ

Россия является одной из немногих энергонезависимых стран мира. Обладая огромными запасами природных ископаемых (природный газ – первое место, нефть – восьмое место), государство недостаточно рационально относится к собственным энергетическим ресурсам. По данным ОПЕК при текущих объемах добычи природного газа и нефти нашей стране хватит этих энергоносителей не более чем на 78 лет и 21 год соответственно. Современная российская экономика энергорасточительна, что снижает ее конкурентоспособность, несмотря на энергосберегающую политику, проводимую государством с 1996 г. Так, например, при сжигании 1 кг нефтяного эквивалента в нашей стране производится товаров и услуг на сумму 1,9 $, тогда как среднемировой показатель составляет 4,7 $ [3, с. 4].

При решении проблемы энергосбережения важно определить основные стратегические подходы и методы рационального использования невозобновляемых природных ресурсов [2, с. 13]. К примеру, большинство стран Западной Европы, экспортирующих природный газ из России, вследствие постоянного роста цен на природные ресурсы пытаются увеличить долю применения нетрадиционных возобновляемых источников энергии для нужд теплофикации зданий. Сюда можно отнести строительство пассивных и энергоэффективных зданий, развитие солнечной и ветровой энергетики, эксплуатацию тепловых насосов, производство альтернативных энергоносителей и т. п. Одним из таких общих подходов в стратегии отечественного энергосбережения является применение ресурсосберегающих технологий в системе энерготехнологических объектов: металлургические печи, трубопроводы тепловых сетей, котельные агрегаты, теплообменные аппараты и т. п. Проблема энергосбережения также остается актуальной в жилищно-коммунальной сфере, где энергетические затраты, выраженные в денежном эквиваленте, остаются особенно обременительными для населения страны с учетом непрекращающегося роста тарифов на услуги ЖКХ (например, с 01.07.2015 г. в среднем по России они увеличились на 8,3 %).

По степени эффективности обычно выделяют три направления энергосбережения [1, с. 101]. Первое направление – это рационализация использования топлива и энергии (экономия ресурсов до 12–15 %). Второе направление связано со структурной перестройкой экономики и изменением темпов развития энергоемких отраслей страны (10–12 %). Третье направление предусматривает внедрение высокоэффективных энергосберегающих технологий в энергоемкие отрасли и ЖКХ (25–30 %). Из указанных направлений энергоресурсосбережения в сфере ЖКХ необходимо в первую очередь акцентировать внимание на снижении тепловых потерь. По-прежнему основным способом решения данной проблемы остается применение высокоэффективных теплоизоляционных материалов, к которым относится жидкий утеплитель. В статье [6, с. 121] отмечено, что по своим теплотехническим показателям термокраска, нанесенная на поверхность слоем в 1,5 мм, может сравниться эффектом от утепления стен с пенопластом толщиной в 50 мм или с минеральной ватой толщиной 65 мм.

На рисунке 1 представлено технико-экономическое сравнение распространенных видов утеплителей.

Рисунок 1. Теплоизоляционные материалы

В связи с активным применением на практике жидкого утеплителя, а также по причине расширения рынка его производства (марки «Теплометт», «Актерм», «Броня» и мн. др.) возникла закономерная потребность в разработке совершенно новых способов измерений теплопроводных качеств сверхтонких теплоизоляционных покрытий.

Так, например, известен способ определения коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий, проводимый в два этапа. На первом этапе нижнюю поверхность плоскопараллельной стенки, состоящей из двух слоев одинаковой толщины с равным коэффициентом теплопроводности материала, нагревают с помощью плоского терморегулируемого источника теплоты и измеряют температуру поверхности источника теплоты, а также температуру между слоями. Температуру наружной поверхности верхнего слоя определяют расчетным способом. На втором этапе на наружной поверхности плоскопараллельной стенки закрепляют металлическую пластину известной толщины с известным коэффициентом теплопроводности. Далее на наружную поверхность металлической пластины наносят слой сверхтонкого жидкого теплоизоляционного покрытия известной толщины и измеряют температуру поверхности контакта верхнего слоя плоскопараллельной стенки и металлической пластины со сверхтонким жидким теплоизоляционным покрытием. По специальной расчетной формуле вычисляют коэффициент теплопроводности жидкого теплоизоляционного покрытия [4].

Существует аналогичный способ определения коэффициента теплопроводности тонкостенных теплозащитных покрытий, проводимый в два этапа. На первом этапе с помощью нагревателя, имеющего постоянную температуру поверхности, равномерно на дистанции нагревают всю внешнюю поверхность образца без теплозащитного покрытия, одновременно охлаждая обратную сторону образца воздушным потоком, движущемся в теплоизолированном вентиляционном канале. На втором этапе наносят теплозащитное покрытие известной толщины на внешнюю поверхность образца и повторно проводят те же самые испытания. По результатам бесконтактного измерения термографами температурных полей поверхностей образца до и после нанесения на одну из его сторон теплозащитного покрытия, а также по температуре охлаждающего воздуха вычисляют по специальным расчетным формулам коэффициент теплопроводности теплозащитного покрытия [7].

К основным недостаткам рассмотренных выше способов можно отнести продолжительность экспериментов (в два этапа), использование большого числа элементов устройств для измерений теплопроводности жидкой тепловой изоляции, а также достаточно сложный порядок выполнения расчетов коэффициента теплопроводности.

Рассмотрим авторский способ определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции при нестационарном тепловом режиме (рисунок 2), который учитывает и устраняет перечисленные недостатки существующих методик. Данный метод может быть реализован как в лабораторных, так и в натурных условиях для исследования теплопроводных качеств сверхтонких теплоизоляционных покрытий, нанесенных на охлаждаемую окружающей средой поверхность плоского источника теплоты.

Рисунок 2. Принципиальная схема реализации способа: 1 – плоский источник теплоты; 2 – жидкая тепловая изоляция

На поверхности плоского источника теплоты 1 расположен локально слой жидкой тепловой изоляции 2 толщиной δ_из (рисунок 2). В режиме охлаждения поверхности плоского источника теплоты 1 в произвольный момент времени τ температура поверхности плоского источника теплоты 1 равна t_с1, температура поверхности теплоизолированного участка t_с2 и температура окружающей среды .

В режиме охлаждения поверхности плоского источника теплоты 1 в произвольный момент времени τ проводят отдельно измерения температуры поверхности плоского источника теплоты 1 t_с1, температуры поверхности теплоизолированного участка 2 t_с2 и температуры окружающей среды .

Коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции вычисляют по специальной расчетной формуле:

, ,                                       (1)

где:   – коэффициент пропорциональности;

 – коэффициент теплоотдачи между поверхностью теплоизолированного участка 2 и окружающей средой, Вт/(м²·К);

 – толщина слоя жидкой тепловой изоляции 2, м.

Коэффициент пропорциональности из формулы (1):

,                                               (2)

где:   ,  – параметры уравнения;

 – первый корень характеристического уравнения.

Первый корень характеристического уравнения из формулы (2):

,                                             (3)

где:   – температура поверхности плоского источника теплоты 1, ^оС;

 – температура поверхности теплоизолированного участка 2, ^оС;

 – температура окружающей среды, ^оС.

На рисунке 3 в качестве примера представлен график для определения коэффициента теплоотдачи , , для вертикально расположенной поверхности пластины, построенный на основе использования теории подобия тепловых процессов.

Рисунок 3. График для определения коэффициента теплоотдачи α для вертикально расположенной пластины

Рассмотрим результаты определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционной краски Броня 2 [5], нанесенной на половину поверхности конфорки электрической плитки 1 (рисунок 4), с толщиной слоя жидкой тепловой изоляции 2 δ_из = 2,0·10^-3 м.

Рисунок 4. Результаты практической реализации способа:

1 – электрическая плитка; 2 – жидкая тепловая изоляция Броня

Значения температуры поверхности конфорки электрической плитки 1 и поверхности теплоизолированного участка 2 в момент времени τ = 600 с по данным пирометра Testo 830-T1 соответственно составили t_с1 = 89,4 ^оС и t_с2 = 54,6 ^оС (рисунок 5). Температура окружающей среды по результатам измерений равна t_в = 22,4 ^оС.

Рисунок 5. Режим охлаждения поверхностей конфорки электрической плитки и теплоизолированного участка

Коэффициент теплоотдачи вертикально расположенной поверхности конфорки электрической плитки 1 равен α = 5,35 Вт/(м²·К) (рисунок 3).

Первый корень характеристического уравнения по формуле (3):

.

Коэффициент пропорциональности по формуле (2):

.

Коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции Броня 2 по расчетной формуле (1) равен:

.

Относительная погрешность измерительной системы составила ≈±5%.

Достоинствами предложенного способа являются техническая простота проведения теплофизических измерений и возможность проведения исследований в нестационарных условиях (рисунок 5). Высокая точность результатов расчета достигается за счет применения формулы (1), выведенной из классического уравнения нестационарной теплопроводности для неограниченной пластины при толщине δ → 0, а также графиков для расчета коэффициента теплоотдачи α (рисунок 3), полученных с помощью теории подобия тепловых процессов.

Разработанный способ может применяться в строительстве и теплоэнергетике для исследования теплопроводных качеств сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий.

Список литературы:

1. Комков В.А., Тимахова Н.С. Энергосбережение в жилищно-коммунальном хозяйстве. М.: Инфра-М, 2010. – 320 с.

2. Лисиенко В.Г., Щелоков Я.М., Ладыгичев М.Г. Хрестоматия энергосбережения. Книга 1. М.: Теплотехник, 2005. – 688 с.

3. Подгорный И.И. Энергосбережение в бюджетной сфере: опыт и предложения по распространению энергосберегающих технологий. М.: ОМННО «Совет Гринпис», 2007. – 28 с.

4. Правник Ю.И., Садыков Р.А., Иванова Р.В., Манешев И.О., Крайнов Д.В., Адаев Э.В. Способ определения коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий // Патент РФ 2478936. 2013.

5. Сверхтонкая теплоизоляция Броня [Электронный ресурс]: Волгоградский инновационный ресурсный центр. – Режим доступа. – URL: http://www.nano34.ru (дата обращения 19.03.2016).

6. Севастьянова А.А., Квитко Г.В., Иост М.К. Жидкий утеплитель – будущее изоляции // Вопросы науки. 2014. Том 2. – С. 119–122.

7. Янишевский В.Ф., Крастынь В.Ф., Калуцких В.А. Способ определения коэффициента теплопроводности тонкостенных теплозащитных покрытий и устройство для его осуществления // Патент РФ 2426106. 2011.