Разработка и апробация способа определения теплопроводности жидкой тепловой изоляции при нестационарном тепловом режиме

3. Способ определения теплопроводности жидкой тепловой изоляции при нестационарном тепловом режиме

3.1 Классические и современные методы определения теплопроводности

Классификация методов. Методы определения теплопроводности веществ независимо от их агрегатного состояния и диапазона реализуемых температур делятся на две группы: стационарные и нестационарные.

Стационарные методы основаны на исследовании неизменных во времени температурных полей. В настоящее время эти методы разработаны наиболее полно. По характеру реализуемой геометрии они делятся на стационарный метод плоского слоя, стационарный метод коаксиальных цилиндров, стационарный метод нагретой нити, стационарный метод сферического (шарового) слоя. Наиболее употребительными являются первые три метода.

Нестационарные методы основаны на исследовании меняющихся во времени по определенному закону температурных полей, они более сложны в реализации. Основная трудность состоит в том, что в эксперименте сложно реализовать условия, заложенные в теории метода. Однако нестационарные методы позволяют не только измерять теплопроводность вещества, но и получить информацию о его температуропроводности и теплоемкости. Это обстоятельство в последнее время все больше привлекает внимание исследователей к нестационарным методам. Измерение теплопроводности твердых тел.

Стационарный метод плоского слоя. Метод может быть использован для определения теплопроводности твердых тел, жидкостей и газов.

При одномерном тепловом потоке через плоский слой исследуемого вещества его теплопроводность равна:

, Вт/(м·К), (3.1)

где Q - тепловой поток, Вт^;

д₀ - толщина плоского образца, м;

F - площадь поверхности, м^2;

Т₁, и Т₂ - температуры поверхностей образца,°С.

Для измерения теплопроводности этим методом необходимо создать и измерить одномерный тепловой поток через исследуемый образец, измерить разность температур, возникающую между границами слоя, определить геометрические размеры образца Вариант схемы установки для определения теплопроводности твердых тел показан на рисунке 3.1. Образец 1 в виде диска диаметром D и толщиной д₀ расположен между нагревателем 2 и холодильником 3. Снаружи расположены изоляционные кольца 4, 5, обычно содержащие охранные нагреватели 6, обеспечивающие одномерность теплового потока. С этой же целью отношение выбирается по возможности малым. Для измерения разности температур используют термоэлектрические преобразователи 7, которые могут быть включены и дифференциально. Необходимыми элементами установки по варианту рисунка 3.1 являются также верхний охранный нагреватель 8 и дифференциальные термоэлектрические преобразователи 9 для контроля отсутствия утечек теплоты от основного нагревателя.

Рисунок 3.1. Схема метода плоского слоя для измерения теплопроводности

Источниками погрешности в схеме могут быть места заделки спаев термоэлектрических преобразователей 7 и термические сопротивления в местах контактов поверхностей образца с поверхностями нагревателя 2 и холодильника 3. С учетом реального размещения спаев термоэлектрических преобразователей 7 расчетная формула примет вид:

, Вт/(м·К), (3.2)

где д₁, д₂ - расстояние от слоя термоэлектрических преобразователей нагревателя и холодильника соответственно до поверхности образца, м;

л₁, л₂ - теплопроводности материалов нагревателя и холодильника, Вт/(м·°С).

Термические сопротивления контактов поверхностей могут быть исключены экспериментально при проведении опытов на образцах, отличающихся только толщиной.

Метод плоского слоя не рекомендуется применять для определения теплопроводности металлов и материалов, обладающих большой теплопроводностью из-за больших погрешностей, возникающих при измерении малых разностей температур в исследуемом образце.

Метод плоского слоя находит применение при исследовании теплопроводности конструкционных материалов и в области криотемператур. На рисунке 3.2 приведен вариант реализации метода для измерения теплопроводности композиционных материалов на основе эпоксидных смол с различными наполнителями.

Рисунок 3.2. Схема метода плоского слоя для криотемператур

Тепловой поток нагревателя передается к образцам 2 и медным блокам 3. Соответствующие разности температур измеряются диф - термопреобразователями 4. Если устройство прибора на рисунке 3.2 полностью симметрично, т.е. образцы имеют одинаковую толщину д₀ и одинаковые свойства, теплопроводность рассчитывается по формуле:

, Вт/(м·К). (3.3)

При разных толщинах одинаковых по свойствам образцов несимметрия тепловых потоков может быть учтена по соотношению:

; (3.4)

где д₀₁, д₀₂ - толщины верхнего и нижнего образцов соответственно, м

Основное внимание при реализации метода плоского слоя в области криогенных температур должно уделяться обеспечению надежных тепловых контактов между поверхностями образцов, нагревателя и медных блоков.

Метод продольного теплового потока широко применяется при исследовании металлов и других материалов с относительно большой теплопроводностью. На одном из образцов длинною образца с площадью поперечного сечения создается равномерный тепловой поток Q. Между двумя сечениями образца, расположенными на расстоянии I друг от друг а, измеряется разность температур ?Т= Т₁-T₂. При отсутствии боковых тепловых потерь теплопроводность образца рассчитывается по формуле:

, Вт/(м·К). (3.5)

Основная трудность метода заключается в создании одномерною осевою теплового потока измерении и учете тепловых потерь с боковой поверхности образца. Защита цилиндрически образца от боковых тепловых потерь может быть осуществлена с помощью охранною цилиндра (рисунок 3.3), вдоль которого создается температурное поле, повторяющее поле образца.

Рисунок 3.3. Схема метода продольного теплового потока: 1 - блок нагревателя, 2 - образец; 3 - охранный цилиндр, 4, 7 - холодильники, 5 - нагреватель охранного цилиндра, 6 - термоэлектрические преобразователи

Удачное применение метод продольного теплового потока нашел при исследовании теплопроводности композиционных материалов в области - криотемператур. В этом случае тепловые потери с боковой поверхности образца (рисунок 3.4) в условиях вакуума определяются только излучением и при температурах ниже 80 К составляют малую долю основного теплового потока. При определении теплопроводности металлов и других их электропроводящих материалов может быть использован метод Егера и Диссельхорста, основанный на решении одномерного уравнения теплопроводности с внутренними источниками теплоты для стержня, нагреваемого электрическим током.

Рисунок 3.4. Схема метода продольного теплового потока для криотемператур:

1 - изоляция, 2 - нагреватель, 3 - образец, 4 - дифференциальные термоэлектрические преобразователи, 5 - медный блок

3.2 Способ определения теплопроводности жидкой тепловой изоляции

Изобретение относится к нестационарным способам определения коэффициента теплопроводности жидких теплоизоляционных материалов. Разработанный способ может применяться в строительстве и теплоэнергетике для исследования теплопроводных качеств сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий.

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 [Патент РФ 2478936, кл. G01N 25/18, G01N 25/20, 2013].

К недостаткам данного способа можно отнести использование большого количества элементов: терморегулируемого источника теплоты, двух слоев плоскопараллельной стенки, металлической пластины, а также применение контактных измерителей температуры, расположенных между соседними слоями измерительной системы и искажающих ее стационарное температурное поле. Сложность способа также заключается в необходимости априорного знания значений коэффициентов теплопроводности двухслойной плоскопараллельной стенки и металлической пластины. Исходные уравнения для вывода итоговой расчетной формулы в некоторой степени не соответствуют классическим законам теплообмена.

Наиболее близким к заявленному изобретению является 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 [Патент РФ 2426106, кл. G01N 25/18, 2011].

К недостаткам данного способа можно отнести использование большого количества элементов: нагревателя, вентиляционного канала, компрессора, инфракрасного прозрачного стекла, компьютерных термографов, а также достаточно сложный порядок выполнения расчета: определение по результатам первого этапа измерений по уравнению теплового баланса коэффициента теплоотдачи между образцом и холодным циркулирующим воздухом в вентиляционном канале, нахождение по результатам второго этапа измерений температуры на границе образца и теплозащитного покрытия, что является весьма затруднительным с технической точки зрения, итоговое вычисление локальных и среднеинтегрального значений коэффициента теплопроводности теплозащитного покрытия.

Целью изобретения является упрощение способа и повышение точности определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции.

Поставленная цель достигается тем, что слой жидкой тепловой изоляции известной толщины наносят локально на поверхность плоского источника теплоты. В режиме охлаждения поверхности плоского источника теплоты в произвольный момент времени проводят отдельно измерения температуры поверхности плоского источника теплоты, температуры поверхности теплоизолированного участка и температуры окружающей среды. По известным значениям температуры поверхности плоского источника теплоты, температуры поверхности теплоизолированного участка и температуры окружающей среды, а также по известной толщине слоя тепловой изоляции вычисляют по специальной расчетной формуле коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции.

На рисунке 3.5 показана принципиальная схема реализации способа определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции при нестационарном тепловом режиме.

На поверхности плоского источника теплоты 1 расположен локально слой жидкой тепловой изоляции 2 толщиной (рисунок 3.5). В режиме охлаждения поверхности плоского источника теплоты 1 в произвольный момент времени температура поверхности плоского источника теплоты 1 равна , температура поверхности теплоизолированного участка и температура окружающей среды .

Рисунок 3.5. Принципиальная схема изобретения

Устройство для реализации предложенного способа работает следующим образом (рисунок 3.5).

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

Коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции 2 вычисляют по специальной расчетной формуле:

, Вт/(м·К), (3.6)

где - коэффициент пропорциональности;

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

- толщина слоя жидкой тепловой изоляции 2, м.

На рисунке 3.6 показан график для определения коэффициента теплоотдачи в зависимости от температуры поверхности теплоизолированного участка и температуры окружающей среды при вертикальном расположении в пространстве поверхности плоского источника теплоты.

Рисунок 3.6. Коэффициент теплоотдачи б (вертикальное расположение)

На рисунке 3.7 показан график для определения коэффициента теплоотдачи в зависимости от температуры поверхности теплоизолированного участка и температуры окружающей среды при горизонтальном расположении в пространстве поверхности плоского источника теплоты.

Коэффициент пропорциональности вычисляют по эмпирической формуле:

, (3.7)

где , - параметры уравнения;

- первый корень характеристического уравнения.

Рисунок 3.7. Коэффициент теплоотдачи б (горизонтальное расположение)

Первый корень характеристического уравнения вычисляют по формуле:

, (3.8)

где - температура поверхности плоского источника теплоты 1, ?С;

- температура поверхности теплоизолированного участка 2, ?С;

- температура окружающей среды, ?С.

Достоинствами предложенного способа являются техническая простота проведения теплофизических измерений и возможность проведения исследований в нестационарных условиях. Высокая точность результатов расчета достигается за счет применения формулы (3.6), выведенной из классического уравнения нестационарной теплопроводности для неограниченной пластины при толщине , а также графиков для расчета коэффициента теплоотдачи (на рисунок 3.6 и 3.7), полученных с помощью теории подобия тепловых процессов.

Пример конкретной реализации способа (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8. Пример реализации изобретения

Определим коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции на примере теплоизоляционной краски «Броня» 2, нанесенной на половину поверхности конфорки электрической плитки 1, с толщиной слоя жидкой тепловой изоляции 2 . Значения температуры поверхности конфорки электрической плитки 1 и поверхности теплоизолированного участка 2 в момент времени по данным пирометра Testo 830-T1 соответственно составили и (рисунок 3.9). Температура окружающей среды по результатам измерений равна .

Рисунок 3.9. Температурное поле охлаждения теплоизоляционной краски

Коэффициент теплоотдачи вертикально расположенной поверхности конфорки электрической плитки 1, согласно рисунку 3.6, равен .

Первый корень характеристического уравнения по формуле (3.8) равен:

.

Коэффициент пропорциональности по формуле (3.7) составил:

.

Коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции «Броня 2» по формуле (3.6) составил:

.

Относительная погрешность измерительной системы равна .

4. Технико-экономическое сравнение монтажа различных видов тепловой изоляции

Сверхтонкий жидкий теплоизолятор «Броня» состоит из высококачественного акрилового связующего, оригинальной разработанной композиции катализаторов и фиксаторов, керамических сверхтонкостенных микросфер с разряженным воздухом [9]. Помимо основного состава в материал вводятся специальные добавки, которые исключают появление коррозии на поверхности металла и образование грибка в условиях повышенной влажности на бетонных поверхностях. Эта комбинация делает материал легким, гибким, растяжимым, обладающим отличной адгезией к покрываемым поверхностям. Материал по консистенции напоминающий обычную краску, является суспензией белого цвета, которую можно наносить на любую поверхность. После высыхания образуется эластичное полимерное покрытие, которое обладает уникальными по сравнению с традиционными изоляторами теплоизоляционными свойствами и обеспечивает антикоррозийную защиту. Уникальность изоляционных свойств материала - результат интенсивного молекулярного воздействия разреженного воздуха, находящегося в полых сферах. Жидкий керамический теплоизолятор «Броня» высокоэффективен в теплоизоляции фасадов зданий, крыш, внутренних стен, откосов окон, бетонных полов, трубопроводов горячего и холодного водоснабжения, паропроводов, воздуховодов для систем кондиционирования, систем охлаждения, различных ёмкостей, цистерн, трейлеров, рефрижераторов и т.п.

Он используется для исключения конденсата на трубах холодного водоснабжения и снижения теплопотерь, согласно нормативным требованиям [10]. Теплоизолятор «Броня» эксплуатируется при температурах от - 60 С до + 260 С. Срок службы материала от 15 лет. На сегодняшний день наш материал используется на объектах и предприятиях разных сфер деятельности.

Жидкий керамический теплоизоляционный материал «Броня» - сложная, многоуровневая структура, в которой сводятся к минимуму все три способа передачи теплоты. Керамический теплоизолятор «Броня» на 80% состоит из микросфер, соответственно только 20% связующего может проводить теплоту за счет своей теплопроводности. Другая доля теплоты приходится на конвекцию и излучение, а поскольку в микросфере содержится разряженный воздух (лучший изолятор, после вакуума), то потери теплоты не велики. Более того, благодаря своему строению, материал обладает низкой теплоотдачей с поверхности, что и играет решающую роль в его теплофизике.

В таблице 4.1 приведен сравнительный технико-экономический анализ монтажа классического и инновационного утеплителей.

Таблица 4.1. Сравнительная таблица сметной стоимости монтажа теплоизоляции на примере применения минераловатных плит и сверхтонкой теплоизоляции Броня (экономическое обоснование)

Вывод по таблице можно сделать следующий: при применении сверхтонкого теплоизолятора «Броня» получаем следующую экономию: - трудовых ресурсах на 114,71 чел. - часов (на 77% меньше) - строительных машин на 1,07 маш. - часов (на 36% меньше) - в материалах на 502,66 руб./м² (на 54% дешевле) - в общей сметной стоимости работ на 1332,6 руб./м² (на 60% дешевле) Использование сверхтонкого теплоизолятора «Броня» позволяет добиться тех же результатов по теплофизическим свойствам, что и традиционные материалы, но с большой экономической выгодой при расчете общей сметной стоимости. При этом так же следует учитывать срок эксплуатации материалов (15 лет «Броня»; 5-7 лет минераловатные плиты), возможность провести ремонт («Броня» - ремонт легко выполним; плиты - практически невыполним), стойкость материалов к погодным условиям («Броня» - стоек; плиты - теряют свойства при наборе влаги), эстетичность и т.д. Сверхтонкий теплоизолятор «Броня Фасад» имеет показатель паропроницаемости такой же как у железобетона. Легко наносится в один слой, толщины которого достаточно 1-1,5 мм. Не токсичен, антивандален, стоек к ультрафиолетовому излучению и долговечен.

5. Автоматизация теплофизических измерений

Использование современных систем автоматизации экспериментальных исследований позволяет сократить сроки получения информации и результатов полной обработки материалов эксперимента, интенсифицировать использование измерительного оборудования, повысить качество полученных результатов, увеличить производительность труда и снизить относительные затраты на выполнение всего экспериментального исследования [11].

Процесс научно-экспериментального исследования может быть подразделен на ряд следующих этапов:

1) сначала формулируется постановка задачи, которая осуществляется на основе поиска, анализа и систематизации имеющейся информации об интересующем явлении, процессе или объекте;

2) на следующем этапе формируются исходные гипотезы и модельные представления об изучаемом явлении, позволяющие конкретизировать программу исследования, выбрать соответствующие методы измерения, технические средства и оборудование. Далее осуществляется калибровка используемых средств измерения, отладка оборудования, анализ достоверности получаемых экспериментальных результатов;

3) на следующем этапе производится планирование эксперимента, а в процессе выполнения программы экспериментального исследования осуществляется извлечение эмпирической информации, ее преобразование, сбор, выбраковка, обработка, обобщение и отображение;

4) на следующем этапе проверяется соответствие полученных результатов исходным гипотезам и представлениям. Эти гипотезы и представления могут быть уточнены или пересмотрены заново. При этом может потребоваться проведение дополнительных серий экспериментов;

5) на заключительном этапе экспериментального исследования устанавливаются новые закономерности, определяющие исследуемое явление или процесс, разрабатываются теории и методы расчета.

Как видно, ряд этапов исследования имеет творческий характер. Поэтому возможность автоматизации этих этапов крайне ограничена. Другие этапы, связанные с калибровкой оборудования, извлечением эмпирической информации, ее преобразованием, выбраковкой, обработкой и т.п., доступны для автоматизации на основе современных технических средств и ЭВМ.

В этой связи к основным функциям систем автоматизации экспериментальных исследований относят:

1) сбор, обработку и накопление информации;

2) отображение результатов исследования и их интерпретацию;

3) управление экспериментом и контроль за его ходом.

В любом случае для извлечения эмпирических данных, повышения точности проводимых измерений и получения достоверной информации о тепловом состоянии объекта необходим соответствующий парк измерительных приборов.

В таблице 5.1 представлена метрологическая карта средств измерения, которые необходимы для автоматизации теплофизических измерений, рассмотренных в выпускной квалификационной работе.

Таблица 5.1. Метрологическая карта средств измерения

Заключение

В выпускной квалификационной работе решены следующие задачи:

1) рассмотрены и изучены основы теории теплообмена. Раскрыты такие важные понятия, как «температурное поле», «температурный градиент», «тепловой поток», «теплопроводность» и др.;

2) перечислены основные теплофизические свойства теплоизоляционных материалов, регламентируемые действующим нормативным законодательством;

3) приведена классификация современных видов утеплителей;

4) изучены способы определения теплопроводности твердых материалов, основанные на теории стационарного и нестационарного теплообмена;

5) дано описание авторскому способу определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции в натурных условиях. На примере сверхтонкого энергосберегающего покрытия «Броня» получено значение коэффициента теплопроводности, равное ;

6) выполнена сравнительная оценка сметной стоимости монтажа тепловой изоляции (на 100 м²) на примере минераловатных плит и сверхтонкого теплоизоляционного покрытия;

7) составлена метрологическая карта средств измерения, необходимых для автоматизации теплофизических исследований;

8) рассмотрены вопросы безопасности применения и нанесения сверхтонкого теплоизоляционного покрытия на изолируемую поверхность

На сегодняшний день сверхтонкая жидкая тепловая изоляция является экологически нейтральным и наиболее сбалансированным, как по набору потребительских, так и эксплуатационных свойств, материалом. Она совершенно безопасная, надежная и качественная композитная система, идеально подходит для утепления стен зданий и сооружений. К тому же такой вид тепловой изоляции рекомендован для жилых помещений, детских и дошкольных учреждений, что еще раз подтверждает его высокие экологические характеристики.

Список использованных источников

1. Михеев, М.А. Основы теплопередачи: учебное пособие / М.А. Михеев, И.М. Михеева. - Москва: Энергия, 1977. - 344 с.

2. Исаченко, В.П. Теплопередача: учебник для вузов / В.П. Исаченко,

3. В.А. Осипова, А.С. Сукомел. - Москва: Энергоиздат, 1981. - 416 с.

4. Теория тепломассообмена: учебник для вузов / С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов [и др.]; под ред. А.И. Леонтьева. - Москва: Высшая школа, 1979. - 495 с.

5. Копко, В.М. Теплоизоляция трубопроводов теплосетей: учебно-методическое пособие / В.М. Копко. - Минск: Технопринт, 2002. - 160 с.

6. Теплоизоляционные материалы и конструкции: учебник / Ю.Л. Бобров, Е.Г. Овчаренко, Б.М. Шойхет, Е.Ю. Петухова. - Москва: Инфра-М, 2003. - 268 с.

7. Утепление дома своими руками [Электронный ресурс]: офиц. сайт. - Режим доступа: http://vodotopim.ru/uteplenie/ekovata.php.

8. PLASTINFO [Электронный ресурс]: офиц. сайт. - Режим доступа: http://plastinfo.ru/information/articles/7/.

9. Броня [Электронный ресурс]: офиц. сайт компании «Броня» - Режим доступа: http://nano-rus.com.

10. Жидкая керамическая теплоизоляция серии Броня: презентация. - Волгоград: Волгоградский Инновационный Ресурсный Центр, 2015. - 25 с.

11. СП 60.13330.2012. Свод правил. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: актуализированная редакция СНиП 41-01-2003: утв. Минрегионом России от 30.06.2012 №279. - Введ. 01.01.2013. - Москва: ФАУ «ФЦС», 2012. - 76 с.

12. Ковальногов, Н.Н. Теория и техника теплофизического эксперимента: текст лекций / Н.Н. Ковальногов, Н.М. Лукин. - Ульяновск: УлГТУ, 1996. - 196 с.

Размещено на Allbest.ru