Вологодская область, Россия
ББК 3893 Санитарное благоустройство населенных мест
Обозначена роль и значимость тепловой изоляции в решении вопросов энерго- и ресурсосбережения за счет сокращения тепловых потерь. Особое внимание уделено современной теплоизоляции – термокраске (теплоизоляционной краске) и ее основному теплофизическому свойству – коэффициенту теплопроводности. Знание точного значения коэффициента теплопроводности термокраски позволяет определять объективный расход материала и, соответственно, денежные затраты, необходимые для тепловой изоляции объектов. Предложены авторские запатентованные методы и средства теплового контроля коэффициента теплопроводности термокраски. На примере известных марок отечественных производителей теплоизоляционной краски представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований в натурных и лабораторных условиях фактического эксплуатационного коэффициента теплопроводности данного материала. Выполнено сравнение полученных результатов с данными заводов-изготовителей (производителей) термокраски.
тепловая изоляция, теплоизоляционный материал, теплоизоляционная краска.
Введение. Тепловая изоляция (теплоизоляция) играет важную роль в современном строительном производстве и различных отраслях промышленности. Применение теплоизоляции позволяет решать вопросы экономии энергоресурсов, рациональной организации технологических процессов, жизнеобеспечения объектов различного назначения [1]. Теплоизоляционные конструкции являются неотъемлемой частью защитных элементов промышленного оборудования, трубопроводов, частей жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений. Наличие тепловой изоляции позволяет значительно повысить надежность, долговечность и эффективность эксплуатации зданий, сооружений, инженерного оборудования [2].
Теплоизоляция выполняет следующие функции: создает комфортные условия для проживания людей в жилых домах; снижает тепловые потери в окружающую среду от объектов (зданий, сооружений, оборудования, трубопроводов и др.); обеспечивает нормальный технологический процесс в аппаратах; поддерживает заданные температуры компонентов в технологических процессах; создает нормальные температурные условия (тепловой режим) для обслуживающего персонала; уменьшает температурные напряжения в металлических конструкциях, огнеупорной футеровке и т. п.; защищает от огня (противопожарная изоляция) строительные конструкции в технологических помещениях; сохраняет заданный температурный режим в холодильниках и хладо-проводящих системах; защищает от испарения сжиженные газы и легкие нефтепродукты при их хранении в изотермических резервуарах [3].
Теплоизоляционные материалы обычно классифицируют по признакам, подробно представленным в [4].
Краткая характеристика и особенности термокраски. Одним из методов решения задач энергоресурсосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве и промышленности является применение тепловой изоляции – для теплоизоляции жилых и промышленных объектов, отдельных инженерных систем и их элементов, оборудования и т.д.). Это в свою очередь привело к разработке совершенно новых материалов, механизм действия которых в корне отличается от работы классических тепллоизоляторов. Одно из последних достижений научно-технического прогресса – термокраска. Во всем многообразии современной литературы можно встретить различные названия термокраски: жидкокерамическое теплоизоляционное покрытие, жидкое керамическое покрытие, керамическая изоляция, керамическая теплоизоляция, теплоизоляционная краска, жидкая тепловая изоляция, жидкая термоизоляция, жидкая теплоизоляция, теплокраска и др. На сегодняшний день материалы этого типа являются, пожалуй, наилучшим решением множества вопросов, связанных с тепловой изоляцией зданий, сооружений, инженерных систем. Более того, с их помощью можно разрешать проблемы, которые невозможно было разрешить, используя традиционные теплоизоляционные материалы [5].
Термокраска используется для того, чтобы покрыть поверхность практически любой формы. Этот вид изоляции отличается высокими теплоизоляционными свойствами, а также достаточно высокой степенью шумоизоляции, гидроизоляции и устойчивостью к образованию коррозии. Данные свойства теплоизоляционной краски обусловлены наличием в ней микросфер с разряженным воздухом. Микросферы не соприкасаются между собой, а подвергнуты дисперсии в акриловом полимере. Это делает возможным их нанесение на любой рельеф, в результате чего полученный сплошной слой обладает высокими эксплуатационными свойствами [6].
Термокраску наносят на поверхность по подобию традиционной краски кистями, валиками или способом безвоздушного распыления. После полимеризации образуется гибкая матовая поверхность с уникальными теплофизическими параметрами. Также за счет применения сверхлегкой теплоизоляции происходит достижение следующих значимых результатов: снижение расходов энергетических ресурсов в отопительный сезон путем уменьшения тепловых потерь (за счет утепления наружных ограждающих строительных конструкций); снижение расходов в летний период на кондиционирование воздуха внутри помещений путем тепловой изоляции крыши и стен здания; снижение прямых расходов при строительстве зданий и сооружений за счет возможности уменьшения толщины стен и габаритов фундамента в результате применения жидкой тепловой изоляции; возможность замены громоздких систем утепления фасадов зданий и сооружений, технологически сложных систем утепления инженерных систем и оборудования тонким слоем теплоизоляции; снижение трудозатрат и времени в строительстве; снижение расходов на ремонт старой тепловой изоляции за счет отсутствия необходимости ее демонтажа; длительный срок службы инновационного покрытия.
В состав теплоизоляционной краски входят следующие обязательные компоненты: наполнитель, представляющий собой пустотелые микросферы – керамические, стеклянные, полимерные шарики микроскопических размеров, заполняемые разреженным воздухом. Наполнители могут различаться не только по своему составу, но и по однородности фракций, их размерам, соотношению различных композитных компонентов; связующее, изготовленное из полимеров, например, акрила или латекса.
Принцип работы системы жидкой теплоизоляции строится на основе таких принципов физики как теплоотдача, теплопроводность, отражение и тепловосприятие. Принцип работы жидких утеплителей заключается в создании ими теплового барьера, обладающего способностями рассеивать до 95 % инфракрасного излучения и отражать до 75 % падающих световых лучей. Эти свойства позволяют жидким утеплителям высокоэффективно справляться с теплоизоляцией помещений, защите их от солнечной радиации и перегрева в летнее время.
Рассмотрим основные теплотехнические характеристики термокраски на примере наиболее известных компаний по производству тепловой изоляции [7–10]: «Теплометт», «Магнитерм», «Броня» и «Корунд» (табл. 1).
Таблица 1
Основные теплотехнические характеристики термокраски различных производителей
|
Теплотехнические характеристики |
«Теплометт» |
«Магнитерм» |
«Броня» |
«Корунд» |
|
Коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м·К) |
0,0012 |
0,0012 |
0,0012 |
0,0012 |
|
Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К) |
3,9 |
4,0 |
4,0 |
4,0 |
|
Коэффициент паропроницаемости материала, мг/(м·ч·Па) |
0,001 |
0,03 |
0,03 |
0,001 |
|
Температура поверхности при нанесении материала, °С |
от -20 до +150 |
от +7 до +150 |
от +7 до +150 |
от +5 до +150 |
|
Температура эксплуатации, °С |
от -60 до +400 |
от -60 до +260 |
от -60 до +260 |
от -60 до +260 |
|
Время высыхания при температуре (20±2) °С, не менее ч |
24 |
24 |
24 |
24 |
|
Стойкость покрытия к воздействию температуры (200±5) °С |
без изменений |
|||
Тепловые методы и средства контроля теплопроводности термокраски. Методы и средства теплового контроля и технической диагностики, благодаря своей точности, оперативности, надежности и безопасности, позволяют максимально эффективно определять качество исследуемых материалов и изделий по их теплофизическим свойствам [11–15]. Ключевым теплофизическим свойством термокраски является коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К) [6, 16].
Рассмотрим авторские методы и средства контроля коэффициента теплопроводности термокраски (производство «Теплометт» и «Броня»).
Метод № 1 (патент РФ на изобретение № 2551663). Метод стационарный (рис. 1), реализуется в натурных условиях для термокраски Теплометт Стандарт по следующему алгоритму:
1. Коэффициент теплопроводности λ2 термокраски 3 цилиндрической формы определяют по уравнению теплопередачи, Вт/(м·К):
,(1)
где d1 – внутренний диаметр трубопровода 1; d2 – наружный диаметр трубопровода 1 и внутренний диаметр термокраски 3 на трубопроводе 1; d3 – наружный диаметр термокраски 3 на трубопроводе 1; tж1 – температура теплоносителя 2; tж2 – температура окружающей среды; tс1 – температура на наружной поверхности термокраски 3 на трубопроводе 1; α1 и α2 – коэффициент теплоотдачи соответственно между теплоносителем 2 и внутренней поверхностью трубопровода 1 и наружной поверхностью термокраски 3 и окружающей средой; λ1 – коэффициент теплопроводности трубопровода 1.
2. Коэффициенты теплоотдачи α1 и α2 из уравнения теплопередачи (1) определяют по эмпирическим уравнениям с применением теории подобия. Аналитическая форма записи уравнений для определения коэффициентов теплоотдачи α1 и α2 выглядит так, Вт/(м2·К):
, (2)
, (3)
где t'с1 – ориентировочная температура внутренней поверхности трубопровода 1; w – скорость движения теплоносителя 2; l – геометрическая длина участка трубопровода 1.
3. Скорость движения теплоносителя 2 в трубопроводе 1 определяют по уравнению неразрывности, м/с:
, (4)
где G – массовый расход теплоносителя 2 в трубопроводе 1; ρ – плотность теплоносителя 2 при температуре теплоносителя tж1.
Рис. 1. Схема реализации метода № 1 (слева): 1 – трубопровод; 2 – теплоноситель; 3 – термокраска.
Блок-схема для вычисления коэффициента теплопроводности термокраски (справа)
Метод № 2 (патент РФ на изобретение № 2602595). Метод стационарный (рис. 2), реализуется в натурных условиях в два этапа для термокраски Теплометт Стандарт по следующему алгоритму:
1. На первом этапе, перед нанесением термокраски 2 на одну из поверхностей плоской наружной стены 1, производят замеры температуры внутренней tс11 и наружной tс12 поверхностей плоской наружной стены 1, а также плотности теплового потока q1, проходящего из отапливаемого помещения через исследуемую плоскую наружную стену 1 в окружающую среду.
2. На втором этапе, после нанесения термокраски 2 толщиной δиз на одну из поверхностей плоской наружной стены 1, производят аналогичные замеры температуры внутренней tс21 и наружной tс22 поверхностей плоской наружной стены 1 (с учетом толщины слоя термокраски 2), а также плотности теплового потока q2.
3. Коэффициент теплопроводности λиз термокраски 2 вычисляют по специальной расчетной формуле, Вт/(м·К):
, (5)
где δиз – толщина слоя термокраски 2; tс11 и tс12 – температура соответственно на внутренней и наружной поверхностях плоской наружной стены 1 до нанесения слоя термокраски 2; tс21 и
tс22 – температура соответственно на внутренней и наружной поверхностях плоской наружной стены 1 после нанесения слоя термокраски 2
(с учетом слоя термокраски 2); q1 и q2 – плотность теплового потока, проходящего из отапливаемого помещения через исследуемую плоскую наружную стену 1 в окружающую среду, соответственно до и после нанесения слоя термокраски 2.
Рис. 2. Схема реализации метода № 2: 1 – плоская наружная стена; 2 – термокраска
Метод № 3 (патент РФ на изобретение № 2568983). Метод стационарный, реализуется на устройстве (рис. 3) в лабораторных условиях для термокраски Теплометт Фасад по следующему алгоритму:
1. Измеритель теплопроводности 3 с помощью нагревателя 4 и холодильника 5 создает стационарный тепловой поток, проходящий через плоский трехслойный образец. По величине плотности теплового потока, температуре противоположных лицевых граней плоского трехслойного образца и его толщине, которая равна сумме толщин двух теплопроводных эталонов 1 и слоя термокраски 2, т. е. 2δ + δиз, измеритель теплопроводности 3 вычисляет эквивалентный коэффициент теплопроводности λэкв плоского трехслойного образца.
2. Коэффициент теплопроводности λиз термокраски 2 вычисляют по специальной формуле:
, (6)
где λэкв – эквивалентный коэффициент теплопроводности плоского трехслойного образца, определенный измерителем теплопроводности 3; λ – коэффициент теплопроводности материала теплопроводных эталонов 1; δ – толщина одного эталона 1; δиз – толщина слоя термокраски 2.
Рис. 3. Устройство (слева) и схема (справа) для реализации метода № 3 (слева): 1 – стальные теплопроводные эталоны (пластины); 2 – слой термокраски на стальной эталонной пластине;
3 – измеритель теплопроводности ИТС-1 «150»; 4 – нагреватель; 5 – холодильник
Метод № 4 (патент РФ на изобретение
№ 2610348). Метод стационарный, реализуется в натурных или лабораторных условиях (рис. 4) для термокраски Броня Классик по следующему алгоритму:
1. На поверхности плоского источника теплоты 1 локально расположена термокраска 2 толщиной δиз. Температура поверхности плоского источника теплоты 1 tс1 равна температуре поверхности термокраски 2 tс2 и температуре окружающей среды tв. Тепловой режим поверхности плоского источника теплоты 1 и поверхности термокраски 2 стационарный.
2. При стационарном тепловом режиме производят отдельно измерения температуры поверхности плоского источника теплоты 1 tс1, температуры поверхности термокраски 2 tс2 и температуры окружающей среды tв.
Рис. 4. Схема реализации метода № 4: 1 – плоский горизонтальный источник теплоты; 2 – термокраска
3. Коэффициент теплопроводности λиз термокраски 2 в зависимости от расположения в пространстве поверхности плоского источника теплоты 1 вычисляют по специальной формуле:
- при вертикальном расположении в пространстве поверхности плоского источника теплоты 1:
, (7)
- при горизонтальном расположении в пространстве плоского источника теплоты 1 с теплоотдающей поверхностью, обращенной вверх:
, (8)
- при горизонтальном расположении в пространстве плоского источника теплоты 1 с теплоотдающей поверхностью, обращенной вниз:
, (9)
где α1 и α2 – коэффициенты теплоотдачи между поверхностью термокраски 2 и окружающей средой соответственно при вертикальном и горизонтальном расположениях плоского источника теплоты 1 (соответственно на рис. 5 график слева и на рис. 5 график справа); δиз – толщина слоя термокраски 2; tс1 – температура поверхности плоского источника теплоты 1; tс2 – температура поверхности термокраски 2; tв – температура окружающей среды.
Рис. 5. График для определения: коэффициента теплоотдачи α1 в зависимости от температуры поверхности
термокраски 2 tс2 и температуры окружающей среды tв при вертикальном расположении в пространстве
поверхности плоского источника теплоты 1 (график слева); коэффициента теплоотдачи α2 в зависимости от температуры поверхности термокраски 2 tс2 и температуры окружающей среды tв при горизонтальном
расположении в пространстве поверхности плоского источника теплоты 1 (график справа)
Метод № 5 (патент РФ на изобретение № 2646437). Метод нестационарный, реализуется в натурных или лабораторных условиях (рис. 6) для термокраски Броня Классик по следующему алгоритму:
1. На поверхности плоского источника теплоты 1 расположен локально слой термокраски 2 толщиной δиз. В режиме охлаждения поверхности плоского источника теплоты 1 в произвольный момент времени τ температура поверхности плоского источника теплоты 1 равна tс1, температура поверхности термокраски 2 tс2 и температура окружающей среды tв.
2. В режиме охлаждения поверхности плоского источника теплоты 1 в произвольный момент времени τ проводят отдельно измерения температуры поверхности плоского источника теплоты 1 tс1, температуры поверхности термокраски 2 tс2 и температуры окружающей среды tв.
3. Коэффициент теплопроводности λиз термокраски 2 вычисляют по специальной расчетной формуле:
, (10)
где k – коэффициент пропорциональности; α – коэффициент теплоотдачи между поверхностью термокраски 2 и окружающей средой; δиз – толщина слоя термокраски 2.
Рис. 6. Схема реализации метода № 5:
1 – плоский вертикальный источник теплоты;
2 – термокраска
4. Коэффициент пропорциональности вычисляют по эмпирической формуле:
, (11)
где а = -0,64828604, b = 3,1176277 – параметры уравнения; μ – первый корень характеристического уравнения.
5. Первый корень характеристического уравнения вычисляют по формуле:
, (12)
где tс1 – температура поверхности плоского источника теплоты 1; tс2 – температура поверхности термокраски 2; tв – температура окружающей среды.
6. Коэффициент теплоотдачи α между поверхностью термокраски 2 и окружающей средой при вертикальном или горизонтальном расположениях плоского источника теплоты 1 находят соответственно по графикам на рис. 5.
Результаты расчетно-экспериментальных натурных и лабораторных исследований коэффициента теплопроводности термокраски. Информация о точном значении коэффициента теплопроводности термокраски позволяет проанализировать следующую последовательность зависимых параметров: «коэффициент теплопроводности термокраски – расход термокраски – стоимость термокраски – стоимость работ по теплоизоляции объекта». «Высокий» коэффициент теплопроводности термокраски «повысит» и остальные параметры в предложенной выше последовательности.
В предыдущем пункте работы представлены авторские запатентованные методы и средства теплового контроля теплопроводности термокраски. Данные методы и средства реализованы в натурных и лабораторных условиях. Определен фактический коэффициент теплопроводности термокраски производства «Теплометт» и «Броня» и выполнено сравнение с данными заводов-изготовителей (производителей) (табл. 2).
Таблица 2
Результаты сравнения расчетно-экспериментальных коэффициентов теплопроводности
термокраски с данными заводов-изготовителей (производителей)
|
Коэффициент теплопроводности термокраски, Вт/(м·К) |
|||||||||
|
Teplomett Стандарт, г. Коломна, г. Челябинск |
Teplomett Стандарт, г. Коломна, г. Челябинск |
Teplomett Фасад, г. Коломна, г. Челябинск |
Броня Классик, г.Москва, г. Волгоград |
Броня Классик, г.Москва, г. Волгоград |
|||||
|
Метод № 1 |
Завод |
Метод № 2 |
Завод |
Метод № 3 |
Завод |
Метод № 4 |
Завод |
Метод № 5 |
Завод |
|
0,005 |
0,0012 |
0,005 |
0,0012 |
0,0043 |
0,0012 |
0,023 |
0,0012 |
0,0045 |
0,0012 |
Вывод. По результатам проведенных исследований можно заключить: расчетно-экспериментальные значения коэффициента теплопроводности термокраски превышают данные заводов-изготовителей (производителей), как правило, в разы, что несомненно способствует увеличению расхода материала и повышает стоимость работ по теплоизоляции объектов.
1. Mahdavi A., Doppelbauer E.M. A performance comparison of passive and low-energy buildings // Energy and buildings. 2010. Volume 42.No. 8. Pp. 1314-1319.
2. Бобров Ю.Л., Овчаренко Е.Г., Шойхет Б.М. и др. Теплоизоляционные материалы и конструкции: учебник. М.: Инфра-М, 2003. 268 с.
3. Хуторной А.Н., Цветков Н.А., Кузин А.Я. Теплозащитные свойства неоднородных наружных стен зданий: монография. Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун.-та, 2006. 287 с.
4. ГОСТ 16381-77*. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Классификация и общие технические требования. Введ. 01.07.1977. Переизд. март, 1992. М.: Издательство стандартов, 1992. 7 с.
5. Особенности применения жидкой теплоизоляции [Электронный ресурс]: статья. Режим доступа: http://izolyar.com.
6. Березина В.П. К исследованию теплопроводных качеств сверхтонких теплоизоляционных покрытий. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2018. С. 72.
7. Жидкая тепловая изоляция «Теплометт» [Электронный ресурс]: официальный сайт. Режим доступа: http://teplo-effect.ru.
8. Инновационный жидкий утеплитель от производителя «Magniterm» [Электронный ресурс]: официальный сайт. Режим доступа: http://magniterm.com.
9. Сверхтонкая теплоизоляция «Броня» [Электронный ресурс]: официальный сайт. Режим доступа: http://www.nano34.ru.
10. Сверхтонкая жидкая теплоизоляция и гидроизоляция «Корунд» [Электронный ресурс]: официальный сайт. Режим доступа: http://www.korund34.ru.
11. Клюев В.В., Будадин О.Н., Абрамова Е.В. и др. Тепловой контроль композитных конструкций в условиях силового и ударного нагружения. Изд. 1-е. М.: Издательский дом «СПЕКТР», 2017. 200 с.
12. Будадин О.Н., Потапов А.И., Колганов В.И., Троицкий-Марков Т.Е., Абрамова Е.В. Тепловой неразрушающий контроль изделий. М.: Издательство «Наука», 2002. 473 с.
13. Будадин О.Н., Вавилов В.П., Абрамова Е.В. Тепловой контроль: учеб. пособие. Изд. 2-е. М.: Издательский дом «Спектр», 2013. 176 с.
14. George S., Goravar S., Mishra etс. al. Stress monitoring and analysis using lock-in thermography // Insight. 2010. Vol. 52. No. 9. Pp. 470-474.
15. Vijayraghavan G.K., Majumder M.C., Ramachandran K.P. NDTE using flash thermography: numerical modelilling and analysis of delaminations in GRP pipes // Insight. 2010. Vol. 52. No. 9. Pp. 481-487.
16. Березина В.П., Карпов Ф.Д. К исследованию коэффициента теплопроводности сверхтонких теплоизоляционных покрытий. М.: МИЭЭ, 2018. С. 96-98.
