Оценка применимости методов определения коэффициента теплопроводности для сверхтонких жидких композиционных теплоизолирующих покрытий

Цель работы: проведение оценки применимости существующих методов измерения коэффициента теплопроводности для сверхтонких жидких композиционных теплоизолирующих покрытий. Методы исследования: проведение эксперимента. Результаты: проведен анализ существующих методов измерения коэффициента теплопроводности для различных строительных материалов. Изучены области применимости методов. Анализ показал, что для экспериментального измерения коэффициента теплопроводности для сверхтонких жидких композиционных теплоизолирующих покрытий наибольшую точность дает метод ГОСТ.

Ключевые слова: эксперимент; коэффициент теплопроводности; теплоизоляция; жидкие сверхтонкие покрытия; тепловая защита

Анализ проблемы

В настоящее время на строительном рынке имеется широкий выбор различных теплоизоляционных материалов. К уже имеющимся и неплохо себя зарекомендовавшим пенополистироловым, минераловатным утеплителям добавляются все новые и новые материалы, которые фирмы-изготовители предлагают использовать потребителям в различных климатических и строительных условиях.

Сравнительно недавно некоторые фирмы стали предлагать для утепления фасадов домов, а также инженерных коммуникаций современные сверхтонкие жидкие композиционные теплоизолирующие покрытия (далее теплоизолирующие краски). По мнению самих производителей красок, они обладают исключительными теплоизолирующими качествами (например, коэффициент теплопроводности таких материалов находится на уровне l = 0,001 ¸ 0,0015 Вт/(м °С)). В качестве сравнительного примера часто приводятся данные о том, что слой такой краски, толщиной от 1 до 3 мм, нанесенный на инженерные трубопроводы, может с успехом заменить изоляцию в несколько сантиметров толщины широко известных минераловатных утеплителей.

Как известно, наилучшими теплоизолирующими качествами обладает вакуум (коэффициент теплопроводности равен l = 0 Вт/(м °С), а в земных условиях — воздух (l = 0,034 Вт/(м °С)). Иными словами, производители подобного рода теплоизолирующих красок «поместили» свою продукцию, по их теплоизоляционным качествам, между вакуумом и воздухом. Подобного рода выводы вызывают некоторые сомнения, т. к. изготовители не приводят теоретического обоснования тепловых эффектов, которые привели бы к такому результату или они неоднозначны.

Для экспериментального определения коэффициентов теплопроводности различных строительных материалов разработано немало различных методов. Имеются нормативные метода, такие как [1, 2], существуют и различные альтернативные методики, включая современные запатентованные [3–6]. В ряде случаев, когда строительный материал обладает рядом уникальных свойств, некоторые методы измерений могут давать высокую погрешность.

В связи с этим, было принято решение о проведении оценки применимости различных существующих методов для экспериментального определения коэффициента теплопроводности некоторых образцов теплоизолирующих красок (как одного из основных теплотехнических характеристик таких покрытий) с целью выявить его истинное значение.

Обзор существующих методов определения коэффициентов

теплопроводности строительных материалов

На сегодняшний день существуют несколько нормативных методов определения коэффициентов теплопроводности различных строительных материалов [1, 2]. Так, например, в методике [1] используют измерительный комплекс (рис. 1 а), состоящий из:

-        первичного преобразователя, предназначенного для преобразования импульса электрической энергии в тепловую и создания электрического сигнала, характеризующего изменение температуры поверхности материала изделия под воздействием теплового импульса;

-        вторичного измерительного прибора для регистрации электрического сигнала;

-        импульсного источника тока с таймером теплового импульса, обеспечивающего нагрев пластины первичного преобразователя.

В качестве вторичного измерительного прибора применяют вольтметр чувствительностью не ниже 1×10–⁶ В с цифропечатающим автономным или встроенным устройством и таймером опроса датчика, задающим интервалы регистрации.

При проведении испытаний изделий толщиной менее 15 мм теплопроводность исследуемого материала для одного измерения вычисляют по формуле [1]

,                                                                                     (1)

,                                                                                                                      (2)

здесь т = 2l; i < k < l < m, причем k такое, что

, где DХ — абсолютная погрешность определения X.

Рис. 1. Измерительные схемы нормативных методов определения коэффициентов теплопроводности различных строительных материалов:

а) метод по [1], ГОСТ 30290–94, б) метод по [2], ГОСТ 7076–99

Для измерения эффективной теплопроводности и термического сопротивления по методике [2] при стационарном тепловом режиме применяют приборы:

-        собранные по асимметричной схеме, оснащенные одним тепломером, который расположен между испытываемым образцом и холодной плитой прибора или между образцом и горячей плитой прибора (рис. 1 б).

Относительная погрешность определения эффективной теплопроводности и термического сопротивления по методу [2] не превышает ±3 %, если испытание проведено в полном соответствии с требованиями стандарта.

Плиты нагревателя или холодильника могут иметь форму квадрата, сторона которого должна быть не менее 250 мм, или круга, диаметр которого должен быть не менее 250 мм.

Рабочие поверхности плит нагревателя и холодильника должны быть изготовлены из металла. Отклонение от плоскостности рабочих поверхностей должно быть не более 0,025 % их максимального линейного размера.

Относительная полусферическая излучательная способность рабочих поверхностей плит нагревателя и холодильника, соприкасающихся с испытываемым образцом, должна быть более 0,8 при тех температурах, которые эти поверхности имеют в процессе испытания.

Число датчиков температуры на каждой рабочей поверхности плит нагревателя или холодильника и лицевой грани тепломера, соприкасающейся с испытываемым образцом, регламентировано ГОСТ [2]. Диаметр проводов, подходящих к этим датчикам, должен быть не более 0,6 мм.

Эффективную теплопроводность материала образца l_effu вычисляют по формуле [2]

,                                                                                                     (3)

где d_u — толщина образца в процессе испытания, м; DT_u — разность температур лицевых граней испытываемого образца, °С; q_u — плотность стационарного теплового потока, проходящего через испытываемый образец, Вт/м²; R_L — термическое сопротивление листового материала, из которого изготовлены дно и крышка ящика для образца насыпного материала, м²С/Вт.

При проведении обзора методик определения коэффициентов теплопроводности материалов следует отметить работы таких авторов как Ю. Ю. Головач (ФГУП НИИ «Сантехники»), А. В. Швецов (Capstone Manufacturing), Ю. Ф. Колхир (ЗАО «Предприятие Итиль»)) [3].

Данный способ определения коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий l_u с использованием устройства, включающего сосуд из нержавеющей стали, наполненный водой, нагреваемой до температуры кипения, к которому прикрепляются три камеры из пенопласта соответствующих размеров, разделенные металлическими пластинами. Между первой и второй камерами стоит пластина с нанесенным на нее сверхтонким жидким теплоизоляционным покрытием. Коэффициент теплопроводности определяется по уравнению

                                                             (4)

Способ определяет коэффициент теплопроводности изоляции при строго определенных внешних условиях, чего достигнуть не всегда возможно.

Известен способ определения коэффициента теплопроводности с помощью «вспомогательной стенки» [4], включающей два слоя материала, один из которых с известным коэффициентом теплопроводности, размещаемые на источнике тепла, у второго определятся коэффициент теплопроводности по формуле

,                                                                                                      (5)

где d₁ и l₁ — толщина и коэффициент теплопроводности материала с известным коэффициентом теплопроводности, t_т — температура источника тепла, t₁ — температура между слоями стенки, t₂ — температура наружной поверхности второго слоя, d₂ — толщина слоя, коэффициент теплопроводности которого определяется. Этот слой может быть теплоизоляцией [4].

По указанному способу можно определить коэффициент теплопроводности традиционных теплоизоляторов. Способ основан на равенстве удельных тепловых потоков, применять его при определении коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий возможно при известной теплопроводности одного из слоев, что не всегда возможно.

Также существует запатентованный метод определения коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий [5].

Суть метода заключается в том, что в способе определения коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий, заключающемся в использовании многослойной плоскопараллельной стенки, состоящей из двух слоев материала, установленных на источник тепла, измерении температуры источника тепла t_т, температур между двумя слоями материала t и наружной поверхности t_н, в определении l_u по расчетной формуле, согласно изобретению температуру неизолированной наружной поверхности верхнего слоя t_н вычисляют как разность удвоенной температуры между слоями материала и температуры источника тепла по равенству: t_н = 2t — t_т, затем закрепляют на наружной поверхности верхнего слоя материала тонкую металлическую пластину с нанесенным на нее сверхтонким жидким теплоизоляционным покрытием, измеряют температуру в контактной поверхности верхнего слоя материала и металлической пластины с теплоизоляцией t_u и определяют коэффициент теплопроводности сверхтонкого жидкого теплоизоляционного покрытия l_u по формуле:

,                                                                                                     (6)

где l_u — коэффициент теплопроводности сверхтонкого теплоизоляционного покрытия, d_u — толщина сверхтонкого теплоизоляционного покрытия, d — толщина слоя материала, l — коэффициент теплопроводности материала, t_н — температура неизолированной наружной поверхности верхнего слоя, t_u — температура в контактной поверхности верхнего слоя материала и металлической пластины с теплоизоляцией.

Устройство для определения коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий l_u представлено на рис. 2.

Рис. 2. Схема проведения эксперимента по методике [5]

Устройство представляет собой установку (рис. 2 а), являющуюся многослойной плоскопараллельной стенкой, включающую установленные друг на друга два слоя одного и того же материала одинаковой толщины d и с равными коэффициентами теплопроводности l: нижний слой 1 и верхний слой 2. Измерив температуру t _т терморегулируемого источника тепла 3 и температуру t между слоями 1 и 2 и вычислив по ним температуру t_н на наружной поверхности верхнего слоя 2, закрепляют тонкую металлическую пластину с нанесенным на ее внешнюю поверхность сверхтонким жидким теплоизоляционным покрытием 4 (далее теплоизоляция) (рис. 2 б). Толщина d пластины должна быть такой, чтобы она не коробилась от термонапряжений. Благодаря высокому коэффициенту теплопроводности тонкая металлическая пластина практически не влияет на результаты измеряемых температур. Так как сама термопара и ее измерительный спай имеют определенные размеры, между слоями устанавливают дополнительные металлические пластины толщиной, совместимой с размерами термопар. В этих пластинах для термопар делаются прорези, обеспечивающие измерение температуры приблизительно в центре слоя. Все это устанавливают на терморегулируемый источник тепла 3, обеспечивая плотное прилегание всех слоев. Установка должна исключать влияние внешней среды на боковые поверхности слоев.

Способ определения коэффициента теплопроводности сверхтонкого жидкого теплоизоляционного покрытия осуществляется следующим образом. Терморегулируемый источник тепла 3 включают в работу и по достижении расчетного термостационарного режима снимают показания термопар: температуру t_т источника тепла 3, температуру t между слоями 1 и 2, вычисляют температуру t_н неизолированной наружной поверхности верхнего слоя 2 по равенству t_н = 2t — t _т, что позволяет вычислять теплопроводность по зависимости (6).

Анализ условий применимости существующих методов показал, что нормативный метод [1] разработан для измерения коэффициента теплопроводности в основном сыпучих материалов, что не отвечает начальным требованиям. Метод [3] весьма требователен к точности поддержания температурных условий. Метод [5] разработан для области l = 0,01 ¸ 0,009 Вт/м°C, что не отвечает требованиям к диапазону измерений.

В соответствии с проведенным анализом существующих методик, было принято решение использование для экспериментального определения коэффициента теплопроводности некоторых образцов теплоизолирующих красок нормативного метода [2] с заменой тепломера (рис. 1 б) на слой материала с известной теплопроводностью. Такая замена является корректной и не противоречит теории исследования тепловых процессов [4]. Метод [2] отвечает всем требованиям к проведению эксперимента (стандарт не распространяется на материалы и изделия с теплопроводностью более 1,5 Вт/(м С) и относительная погрешность определения эффективной теплопроводности и термического сопротивления по методу [2] не превышает ±3 %).

Литература:

                  1.                        ГОСТ 30290–94. Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности поверхностным преобразователем. — Введ. 01.01.1996. — М.: Госстрой России, 1996. — 12 с. — (Государственный стандарт Российской Федерации).

                  2.                        ГОСТ 7076–99. Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. — Введ. 01.04.2000. — М.: Госстрой России, 2000. — 20 с. — (Государственный стандарт Российской Федерации).

                  3.                        Головач Ю. Ю., Швецов А. В., Колхир Ю. Ф.. Метод постановки опыта и расчета коэффициента теплопроводности для сверхтонких тепловых изоляционных материалов / Ю. Ю. Головач, А. В. Швецов, Ю. Ф. Колхир и др. — (URL: http://inn-t.com/teploprovodnost/index.html.) [Электронный ресурс], Казань, 2008 г.

                  4.                        Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. — М.: Высш. школа, 1973. — 309 с.

                  5.                        Патент РФ № 2478936, МПК G01N25/18, G01N25/20. Способ определения коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий / Правник Юрий Иосифович, Садыков Ренат Ахатович, Иванова Росица Видовна, Манешев Иван Олегович, Крайнов Дмитрий Владимирович, Адаев Эдуард Вилевич.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»,

                  6.                        Садыков Ренат Ахатович. — № 2478936; заявл. 07.11.2011, опубл. 10.04.2013. — 5 с.: ил.

                  7.                        Логинова Н. А. Определение эффективности тонкопленочных теплоизоляционных покрытий применительно к системам теплоснабжения.: дис. …канд. техн. наук: 05.14.04 — Москва, 2010. — 133 с.