Определение теплофизических характеристик жидкой теплоизоляции нестационарными методами

Определение теплофизических параметров АСТРАТЕК

ISSN 1994-0351. Интернет-вестник ВолгГАСУ. Политематическая сер. 2010. Вып. 3 (13).

УДК 536.24

В.Ф. Таранов, Е.Н. Воробьёв, А.В. Ковылин, В.М. Фокин

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА «АСТРАТЕК» НЕСТАЦИОНАРНЫМИ МЕТОДАМИ

Жидкая теплоизоляция «Астратек» — микропористый теплоизоляционный материал, полимерный композит, наполненный пористой оксидной керамикой (синтактик). Материал представляет собой многокомпонентную однородную жидкую массу (мастику), которая наносится на поверхности любой формы с помощью кисти или краскопульта.

После высыхания образует эластичное твердое покрытие с высокими теплоизолирующими свойствами.

Данный материал применяется для тепловой изоляции наружных и внутренних поверхностей ограждающих конструкций жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений, трубопроводов, воздуховодов и другого оборудования.

«Астратек» в зависимости от модификации (более подробно ознакомиться с линейкой модификаций можно здесь) можно наносить на поверхность любой формы из металла, пластика, бетона, кирпича и других строительных материалов, а также на оборудование, трубопроводы и воздуховоды, которые эксплуатируются с температурой от –60 до +230 °С.

В соответствии с новыми нормативными требованиями в строительстве в настоящее время предъявляются более высокие требования к теплозащитным характеристикам ограждающих конструкций зданий и сооружений.

Для выполнения условий энергосбережения в строительстве целесообразно применять дополнительную теплоизоляцию ограждающих конструкций. Реализация тепловой защиты требует знания и оперативного определения свойств и параметров применяемых строительных конструкций и материалов.

Для решения этих актуальных задач строительной теплотехники был разработан комплекс новых методов определения теплофизических свойств строительных материалов.

Анализ методов и средств измерения теплофизических свойств (ТФС) строительных конструкций и изделий показал, что наиболее эффективно определение этих параметров осуществляется с использованием нестационарных методов теплопроводности, позволяющих оперативно и с необходимой для строительной теплотехники точностью контролировать искомые ТФС стройматериалов и готовых изделий без нарушения их целостности и эксплуатационных характеристик.

 Результаты исследования

Приведем результаты исследования теплофизических свойств нового теплоизоляционного материала «Астратек» с помощью нестационарных методов измерения: метода упорядоченного теплового режима и метода неразрушающего контроля теплофизических параметров материала с использованием измерителя теплопроводности ИТП-МГ4.

Исследования ТФС теплоизоляции «Астратек» проводились на установках, разработанных на кафедре энергоснабжения и теплотехники ВолгГАСУ, методом упорядоченного теплового режима и методом неразрушающего контроля с использованием измерителя теплопроводности ИТП-МГ4.

Для измерения температур в центре Tц и на поверхности Tп образца устанавливались две термопары хромель-копель (ХК) на расстоянии δ = 0,0068 м.

Образец размещался между нагревателем и холодильником. Принципиальная схема установки приведена на рис. 1.

Рис. 1

Для определения ТФС был изготовлен образец теплоизоляции «Астратек» размерами 250× 250× 6,8 мм. Образец получен путем последовательного нанесения некоторого количества слоев изоляции друг на друга по мере высыхания предыдущего слоя. Плотность образца ρ = 390 кг/м3, площадь поверхности образца F = 0,0625 м2.

На рис. 2 приведены распределения температур на поверхности Tп и в центре Tц в зависимости от времени τ нагрева, а также показан температурный комплекс Ф, рассчитанный по формуле (2).

Рис. 2 Распределения температур на поверхности Tп и в центре Tц в зависимости от времени τ нагрева и температурный комплекс Ф.

При проведении опыта получены следующие значения: удельный тепловой поток в интервале q = 130…220 Вт/м2, коэффициент теплопроводности в пределах λ = 0,024…0,061 Вт/(м·К), время проведения опыта z = 5400 c.

Упорядоченный тепловой режим — это режим, когда при нагреве или охлаждении образца определенный температурный комплекс Ф начинает изменяться во времени по линейному закону. Коэффициент температуропроводности материала определяется методом упорядоченного теплового режима [1] по формуле 

(1)

где R — толщина между термопарами на образце, мм; Ф — температурный комплекс; τ — время упорядоченного теплового режима, с.

Температурный комплекс рассчитывается по формуле [1]

(2)

где ΔТ = Tп – Tц — разность температур между поверхностью и центром теплоизоляции; Tп, Tц — температура поверхности и центра теплоизоляции соответственно, °С.

Температуропроводность а, м²/с, определяется по формуле (1) и численно равна

а_6-12 = [0,0060²(0,147 – (– 0,589))] / [2,47∙(12 –6)·60] = 0,0298∙10^–6.

Объемная теплоемкость теплоизоляции определяется из соотношения

сρ = λ / а. (3)

Тогда, соответственно коэффициенту теплопроводности λ = 0,024…0,061 Вт/(м·К), объемная теплоемкость составит сρ = 805…2281 кДж/(м³К).

Тепловая инерция теплоизоляции рассчитывается в соответствии с [2] по формуле

b = λсρ. (4)

Тогда, соответственно коэффициенту теплопроводности λ = 0,024…0,061 Вт/(м К), коэффициенту объемной теплоемкости сρ = 805…2281 кДж/(м³ К), тепловая инерция b, Дж²/(с м⁴ К²), составит

b = 0,019* 10⁶…0,155* 10⁶.

Определение ТФС теплоизоляции методом неразрушающего контроля сводится к следующей последовательности. Максимальная амплитуда колебаний температурной волны ϑп , ºС, при нагреве образца на наружной поверхности теплоизоляции рассчитывается по формуле [3]

ϑп = 0,5(t₁ − t₂ ) , (5)

где t₁ — максимальная температура поверхности теплоизоляции; t₂ — минимальная температура поверхности теплоизоляции.

Коэффициент теплоусвоения теплоизоляции В, Вт/(м² К), определяется

по формуле [3]

В = qп / ϑп , (6)

где qn — удельный тепловой поток, Вт/м²; ϑп— максимальная амплитуда колебаний температурной волны на наружной поверхности теплоизоляции.

Объемная теплоемкость теплоизоляции, сρ, кДж/(м3 К) определяется из соотношения [3]

сρ = (В²z)/ (λ2π). (7)

Коэффициент температуропроводности теплоизоляции a, м²/с, определяется из соотношения (8):

a = λ / (cρ). (8)

Тепловая инерция теплоизоляции b, Дж²/(с м⁴ К²), рассчитывается в соответствии с [2] по формуле

b = λсρ. (9)

Полученные, в ходе испытаний, с помощью метода упорядоченного теплового режима и метода неразрушающего контроля значения ТФС «Астратек» приведены в табл.

Теплофизические свойства теплоизоляции «Астратек», полученные нестационарными методами измерений

Анализ полученных данных показал:

1) предложенные методики определения ТФС теплоизоляционного материала — метод упорядоченного теплового режима и метод неразрушающего контроля — позволяют достаточно точно, с погрешностью ±10 %, определить следующие параметры:

• коэффициент теплопроводности λ,
• объемную теплоемкость cρ,
• коэффициент температуропроводности а,
• коэффициент теплоусвоения В,
• коэффициент тепловой инерции b;

2) теплоизоляционное полимерное покрытие «Астратек» — это высокоэффективный тонкопленочный изолятор, обладающий низким коэффициентом теплопроводности 0,02 Вт/мК (± 10 %) и достаточно высокой плотностью 390 кг/м³ (± 10 %);
3) микропористая структура покрытия «Астратек» обеспечивает в материале высокое сопротивление тепловому потоку, поэтому материал имеет низкое значение коэффициентов температуропроводности, теплоусвоения и тепловой инерции (табл.);
4) значение коэффициента тепловой инерции жидкой теплоизоляции «Астратек» ниже дерева и согласно ГОСТ Р 51337—99 (для сосны коэффициент тепловой инерции 0,169*10⁶ Дж²/(с м⁴ К²)), позволяет отнести данный теплоизолятор к группе материалов с высоким ожоговым порогом соприкосновения с горячей поверхностью (до 90°С — 10 с).

В.Ф. Таранов, Е.Н. Воробьёв, А.В. Ковылин, В.М. Фокин

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА «АСТРАТЕК» НЕСТАЦИОНАРНЫМИ МЕТОДАМИ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Определение теплофизических свойств строительных материалов: монография / Г.П. Бойков, Ю.В. Видин, В.М. Журавлев, В.В. Колосов. Краснояр. ун-т., 1987. 172 с.
2. ГОСТ Р 51337—99. Безопасность машин. Температуры касаемых поверхностей. Эргономические данные для установления предельных величин горячих поверхностей. Введ. 22.11.1999. М.: Изд-во стандартов, 1999. 15 с.
3. Фокин В.М. Теоретические основы определения теплопроводности, объемной теплоемкости и температуропроводности материалов по тепловым измерениям на поверхности методом неразрушающего контроля / В.М. Фокин, А.В. Ковылин // Вестник. Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. 2009. № 14(33). С. 123—127.
4. СП 23-101—2004. Проектирование тепловой защиты зданий. Введ. 01.06.2004. М.: ФГУП ЦПП, 2004. 188 с.
5. Фокин В.М. Определение теплопроводности и термического сопротивления изоляционного материала АСТРАТЕК / В.М. Фокин, В.Ф. Таранов, А.В. Ковылин, Е.Н. Воробьев // Малоэтажное строительство в рамках национального проекта «Доступное и комфортное жилье — гражданам России»: технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области. 2009.

1. BojkovG.P. Opredelenie teplofizicheskikh cvoystv stroitel’nykh materialov: monografiya / G.P. Bojkov, Yu.V. Vidin, V.M. Zhuravlyov, V.V. Kolosov. Krasnoyar. yn-t, 1987. 172 s.
2. GOST R 51337—99. Bezopasnost’ mashin. Temperatyry kasaemykh poverkhnostey. Ergonomicheskiye dannyye dlya ystanovleniya predel’nykh velichin goryachikh poverkhnostey. Vved. 22.11.1999. M.: Izd-vo standartov, 1999. 15 s.
3. Fokin V.M. Teoreticheskiye osnovy opredeleniya teploprovodnosti, obyomnoy teployomkosti i temperaturoprovodnosti materialov po teplovym izmereniyam na poverkhnosti metodom nerazrushayushchego kontrolya / V.M. Fokin, A.V. Kovylin // Vestnik Volgogr. gos. arhit.-stroit. un-ta. 2009. № 14 (33). S. 123—127.
4. SP 23-101—2004. Proektirovaniye teplovoy zaschity zdaniy. Vved. 01.062004. M. : FGYP CPP, 2004. 188 s.
5. Fokin V.M. Opredeleniye teploprovodnosti i termicheskogo soprotivleniya izolyatsionnogo materiala ASTRATEK / V.M. Fokin, V.F. Taranov, A.V. Kovylin, E.N. Vorob’yov // Moloetazhnoye stroitel’stvo v ramkakh natsional’nogo proekta «Dostupnoye i komfortnoye zhil’yo — grazhdanam Rossii» : tehnologii i materialy, problemy i perspektivy razvitiya v Volgogradskoy oblasti. 2009.

1. © Таранов В.Ф., Воробьёв Е.Н., Ковылин А.В., Фокин В.М., 2010

Поступила в редакцию в сентябре 2010 г.