СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СВЕРХТОНКИХ ЖИДКИХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ

Изобретение относится к области исследования и анализа теплофизических свойств материалов и может быть использовано при определении коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий - λ_u.

Известен способ определения коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий λ_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: λ_u=δ_u/[((t₂-t₄)/q₁)-(1/α_в+2δ_к/λ_к+1/α_н)]. (Метод разработан: www.re-therm.ru/docs/teploprovodnost.xls, в разработке «Методических рекомендаций» принимали участие: Ю.Ю.Головач (ФГУП НИИ «Сантехники»), А.В.Швецов (Capstone Manufacturing), Ю.Ф.Колхир (ЗАО «Предприятие Итиль»)).

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

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

,

где δ₁ и λ₁ - 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, δ₂ - толщина слоя, коэффициент теплопроводности которого определяется. Этот слой может быть теплоизоляцией (Михеев М.А., Михеева И.М. Краткий курс теплопередачи, М.-Л., Госэнергоиздат, 1961, 208 с.).

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 в силу их специфических свойств затруднительно.

Изобретение направлено на определение коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий λ_u доступным способом.

Результат достигается тем, 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 λ_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 λ_u по формуле:

,

где λ_u - коэффициент теплопроводности сверхтонкого теплоизоляционного покрытия,

δ_u - толщина сверхтонкого теплоизоляционного покрытия,

δ - толщина слоя материала,

λ - 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 λ_u представлено на фиг.1.

Устройство представляет собой установку (фиг.1а), являющуюся многослойной плоскопараллельной стенкой, включающую установленные друг на друга два слоя одного и того же материала одинаковой толщины δ и с равными коэффициентами теплопроводности λ: 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) (фиг.1б). Толщина δ 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 (формула получена из условия равенства удельных тепловых потоков в слоях (фиг.1а) q₁=q₂ или , где ).

После установки металлической пластины с теплоизоляцией 4 на верхний слой 2 измеряют температуру t_u в контактной поверхности верхнего слоя материала 2 и металлической пластины с теплоизоляцией 4 при том же режиме работы источника тепла (значения температур снимают с монитора персонального компьютера, куда передаются от термопар через измеритель-регулятор ТРМ138 и его преобразователь интерфейса АС3-М-220 с помощью программы SCADA-система (контроллер процессов). В качестве материала для слоев использовалось оконное стекло с δ=0,0059 м и λ=0,74 Вт/м°C).

Затем определяют количество тепла на наружной поверхности верхнего слоя 2 без изоляции по температуре t_н наружной поверхности верхнего слоя 2 (фиг.1а)

и количество тепла на этой же поверхности по температуре t_u в контактной поверхности верхнего слоя материала 2 и металлической пластины с теплоизоляцией 4 (фиг.1б)

где F - площадь поверхности слоя (одинаковая для всех слоев).

Вычисляют количество тепла на контактной поверхности теплоизоляции 4 по температуре t_u в контактной поверхности верхнего слоя материала 2 и металлической пластины с теплоизоляцией 4 (фиг.1б)

Согласно закону сохранения энергии (сумма количества тепла на наружной поверхности θ слоя 2 и количество тепла θ_u на контактной поверхности изоляции 4 равна количеству тепла , приобретенного наружной поверхностью слоя 2 благодаря действию теплоизоляции) или . Отсюда определяют коэффициент теплопроводности сверхтонкого жидкого теплоизоляционного покрытия λ_u по формуле:

Предлагаемый способ определения коэффициента теплопроводности сверхтонкого жидкого теплоизоляционного покрытия λ_u достаточно простой и доступный. Теплоизоляция работает как реальный производственный объект. Нет необходимости измерять температуру на ее поверхности, которую из-за теплофизических свойств теплоизоляции практически трудно измерить. Умение определять величину коэффициента теплопроводности λ_u позволит уверенно использовать сверхтонкие жидкие теплоизоляционные покрытия в производстве, используя их положительные качества, и, может быть, создавать новые еще более качественные материалы.

Метод позволяет измерять λ_u в диапазоне от 0,01 до 0,009 Вт/м°C.