Результаты исследований зависимости эффекта применения "жидких теплоизолирующих покрытий" на основе полых микросфер от оптических свойств подложки и дополнительного поверхностного слоя

Размещено на http://www.allbest.ru/

22

Результаты исследований зависимости эффекта применения «жидких теплоизолирующих покрытий» на основе полых микросфер от оптических свойств подложки и дополнительного поверхностного слоя

Д.Н. Астахов, научный руководитель пилотного проекта «Технология повышения надежности и снижения энергетических потерь в тепловых камерах», главный специалист, ЗАО ИЦ «Энергетика города», г. Москва

Тематика данной статьи полностью посвящена аспектам исследования теплофизических свойств так называемых «жидких теплоизолирующих» покрытий», содержащих в своем составе полые стеклянные микросферы. Кроме такого словосочетания как «жидкие теплоизолирующие покрытия» применительно к подобным материалам используются и другие словосочетания «субстанция типа полые микросферы-полимерное связующее» или «жидкие керамические теплоизоляционные покрытия». Первоначально следует кратко остановиться на истории вопроса.

В начале 1970-х гг. в США было разработан теплоизолирующий материал марки «Thermal-Coat», в состав которого входили вакуумированные стеклянные микросферы и связующая субстанция в качестве которой выступали латексы бутадиенстирольных и винилакриловых полимеров. В самом начале 21 века производство теплоизолирующих материалов, включающих в свой состав полые стеклянные микросферы, было налажено на территории Российской Федерации. В настоящее время в РФ насчитывается более десятка производителей так называемых «жидких теплоизолирующие покрытий», которые наносятся на изолируемые поверхности по технологиям, аналогичным тем, что применяются по отношению к лакокрасочным материалам. В смысле заявляемой эффективности, как теплоизолирующего материала, одним из основных критериев которой является коэффициент теплопроводности, в случае различных торговых марок имеет место достаточно широкий разброс параметров, предполагающий практически двадцати пяти кратное различие. Наиболее низкий коэффициент теплопроводности заявляется в случае материала, выпускаемого под торговым наименованием «Корунд» - 0.0012 Вт/м*К, наиболее высокий декларируется в случае материала «Теплос-топ» - 0.03-0.01 Вт/м*К.

Согласно информации, размещенной на сайтах целого ряда производителей «жидких теплоизолирующих покрытий», благодаря аномально низкому заявляемому коэффициенту теплопроводности слой материала, содержащего полые микросферы, при толщине порядка 1-2 мм, в смысле возможности снижения тепловых потерь, в состоянии составить полноценную замену слою минеральной ваты 50 и более мм. Подобные заявления о полноценной замене традиционных теплоизолирующих материалов, используемых для теплоизоляции трубопроводов слоем «альтернативной» теплоизоляции толщиной всего 1-2 мм., по вполне понятным причинам, вызывают недоверие среди большинства специалистов в области теплоснабжения.

Автором были проведено более пятидесяти тестов «жидких теплоизолирующих покрытий» различных производителей. В ходе тестов сравнивались эффекты снижения тепловых потерь, которые достигаются при использовании «жидких теплоизолирующих покрытий», наносимых слоем толщиной порядка 0.8 мм, и традиционных теплоизолирующих материалов на поверхности гильз, изготовленных из стальной трубы диаметром 89 мм и высотой 350 мм. При проведении тестирования гильзы располагались вертикально и заполнялись водой при температуре порядка 90⁰С. Верхние сечения гильз закрывались пробками, изготовленными из вспененного пеннополиуретана толщиной 25 мм. Через отверстия в пробке во внутренний объем гильз были введены измерительные зонды (терморезисторы), подключенные к входам двухканального измерителя регулятора температуры ИРТ-4/2.

В ходе проведенной работы был обнаружено и не однократно подтверждено следующее явление: при нанесении «жидких теплоизолирующих покрытий» на поверхность гильзы очищенной до металлического блеска происходит увеличение скорости охлаждения воды залитой в гильзу по сравнению с тем случаем, когда на поверхности гильзы отсутствует какой либо теплоизолирующий материал. Эффект интенсификации теплообмена, к которому приводило нанесение «жидких теплоизолирующих покрытий» на поверхности стальных гильз очищенных до металлического блеска, наблюдался на фоне снижения тепловых потерь в том случае, если перед нанесением «жидких теплоизолирующих покрытий» поверхность грунтовалась материалом темного цвета. Для предварительной грунтовки поверхности первоначально использовалась эмаль ПФ-115, а в последствии черная акриловая краска.

Некоммерческое партнерство по содействию внедрению энергоэффективных технологий «Энергоэффективный город» привлекло ОАО «ВНИПИэнергопром» для проведения исследования образцов жидких теплоизолирующих материалов, включающих в свой состав полые микросферы, для подтверждения их заявляемых свойств.

Автор данной статьи неоднократно принимал непосредственное участие в проведении подобных испытаний. При измерении теплопроводности «жидких теплоизолирующих покрытий» согласно методике, регламентируемой ГОСТ 70-76, по крайней мере, в лаборатории трубопроводов и энергетического оборудования ОАО «ВНИПИэнергопром» признаков наличия у «жидких теплоизолирующих покрытий» аномально низкого коэффициента теплопроводности обнаружено не было. Согласно выводам, сделанным по результатам достаточно большого количества научных работ, в случае «теплоизолирующих покрытий на основе полых микросфер признаков аномально низкого коэффициента теплопроводности не наблюдается. В качестве примера подобных работ можно привести [1] . В то же время представители ряда производителей «жидких теплоизолирующих покрытий» утверждают примерно следующее - в силу специфичности подобных материалов применение стандартных методик не позволяет достоверно оценить их эффективность. Следует отметить, что «жидкие теплоизолирующие покрытия» действительно обладают специфическими свойствами, так, например, при использовании на поверхностях, температура которых превышает 100⁰С, в случае толщины покрытия порядка одного миллиметра измерение температуры поверхности «жидкого теплоизолирующего покрытия» при помощи оптического пирометра или тепловизора показывают, что температура поверхности снизилась незначительно или даже осталась на прежнем уровне - выше ста градусов, в то же время вода (например, в виде капель), находящаяся на поверхности не закипает, одновременно наблюдается такое явление как неожиданно низкая скорость таяния кусков льда при размещение их на поверхности «теплоизолирующего покрытия». Автор предложил изменить подход к анализу эффективности «жидких теплоизолирующих покрытий» в сторону сравнения не расчетных (или декларируемых), а реальных тепловых потерь.

Идеология предложенного автором метода тестирования заключалась в непосредственном натурном сравнении эффектов снижения тепловых потерь, достигаемых при использовании традиционных теплоизолирующих материалов, широко используемых для теплоизоляции трубопроводов в настоящее время, и материалов, включающих в свой состав полые микросферы. В качестве установки для проведения сравнительных тестов был использован стенд для измерения коэффициента теплопроводности методом трубы. Внешний вид установки, на которой проводилось тестирование представлен на рис 1.

Рис. 1. Стенд для измерения коэффициента теплопроводности методом трубы, использовавшийся для тестирования материалов

С точки зрения специалиста в области теплоснабжения суть сравнительного теста является достаточно наглядной. Первоначально на участке трубопровода, входящего в состав стенда для измерения коэффициента теплопроводности, используется традиционная теплоизоляция, например, листовой вспененный каучук или вспененный полиэтилен. Мощность электрического нагревателя расположенного внутри участка трубопровода, входящего в состав стенда, устанавливается такой величины, чтобы ожидаемая температура поверхности трубы по достижению режима стационарного теплообмена не превышала (или превышала незначительно) предельно допустимую температуру эксплуатации используемого традиционного теплоизолирующего материала. По достижению стационарного режима теплообмена при помощи штатного измерительного устройства (термопары), входящего в состав установки фиксируется температура на внутренней поверхности теплоизолированного участка трубопровода. Далее установка выключается и на поверхность участка трубопровода в два или три приема (в зависимости от реологических свойств материала) наносится «жидкое теплоизолирующее покрытие» на основе полых микросфер слоем порядка 1 мм.. После полимеризации связующей субстанции, входящей в состав «жидкого теплоизолирующего покрытия», установка включается при сохранении точно такой же мощности нагревателя, какая имела место при использовании «классической теплоизоляции». Далее по достижению стационарного режима теплообмена фиксируется температура внутренней поверхности участка трубопровода. Предложив к реализации вышеописанный подход, автор руководствовался достаточно наглядным подходом к трактовке получаемых результатов - в том случае, если при использовании на поверхности трубопровода «жидкого теплоизолирующего покрытия» после достижения стационарного режима теплообмена зафиксированная температура внутренней поверхности трубопровода окажется выше, нежели чем в случае использования традиционного теплоизолирующего материала, утверждения целого ряда производителей материалов, включающих в свой состав полые микросферы об аномально низком коэффициенте теплопроводности найдут, по меньшей мере, одно из подтверждений, если ниже, то подобные утверждения будут опровергнуты, по меньшей мере, для случая использования на трубопроводах.

Автором так же было сделано предложение изучения влияния эффекта использования «жидких теплоизолирующих покрытий » от оптических свойств поверхности, на которую они наносятся. Суть предложения сводилась к следующему: перед нанесением слоя покрытия на основе полых микросфер участок трубопровода плотно по спирали обертывается слоем алюминиевой фольги с минимально возможной толщиной, а теплоизолирующее покрытие наносится уже на поверхность фольги. Подобный подход к процессу нанесения теплоизолирующего покрытия аналогичного лако-красочному материалу предполагает отсутствие какой либо адгезии к поверхности участка трубопровода, что предполагает возможность достаточно простого удаления слоя после осуществления очередного цикла тестирования. Как известно подавляющему большинству специалистов в области теплофизики в случае использования традиционных, тех же самых рулонных, теплоизолирующих материалов для целей теплоизоляции трубопроводов оптические свойства поверхности трубопровода не оказывают существенного влияния на величину достигаемого эффекта.

В процессе тестирования рулонного теплоизолирующего материала (вспененного полиэтилена толщиной 15 мм) при мощности нагревателя, установленного внутри участка трубопровода 200 Вт, (при диаметре трубы 108 мм и длине 230 мм - такая мощность соответствует тепловому потоку порядка 300 Вт/м² в пересчете на внешнюю поверхность трубы). После установления стационарного режима теплообмена температура внутренней поверхности трубы составила 132⁰С. Далее теплоизоляция была удалена и тестированию на реальные тепловые потери был подвергнут участок трубы, на поверхности которой присутствовал только слой фольги. Для поддержания температуры внутренней поверхности трубы на уровне 132⁰С потребовалась мощность нагревателя 452 Вт. Далее установка была выключена, и после ее остывания на поверхность фольги в два приема с соблюдением инструкции производителя был нанесен слой «жидкого теплоизолирующего покрытия» «Кронакрил» слоем со средней толщиной порядка 1 мм. При мощности нагревателя 200 Вт по достижению стационарного режима теплообмена температура внутренней поверхности трубопровода установилась на уровне 74⁰ С.

Для получения наиболее объективных данных о теплоизолирующих свойствах тестируемого материала автором было предложено выяснить, какая мощность нагревателя потребуется для того, чтобы при наличии на поверхности трубы «жидкого теплоизолирующего покрытия» температура внутренней поверхности трубы составляла такую же величину, как при использовании вспененного полиэтилена толщиной 10 мм. В ходе эксперимента удалось выяснить, что для поддержания температуры на уровне 132⁰С требуемая мощность нагревателя составляет величину 745 Вт. С точки зрения представлений о свойствах пористых структур подобный результат является достаточно неожиданным - использование на поверхности трубопровода пористой структуры приводит не к снижению, а к увеличению тепловых потерь в 745/452= 1.648 раза. Обращая внимание на подобный результат от использования «жидкого теплоизолирующего покрытия», являющегося аналогом лако-красочного материала, следует отметить, что при нанесении какой либо краски, обладающей высоким коэффициентом излучения на нагретую поверхность с низким коэффициентом излучения (каким обладает алюминиевая фольга) увеличение тепловых потерь является вполне закономерным результатом. В то же время результат от применения на поверхности трубы «жидкого теплоизолирующего покрытия», содержащего микросферы явным образом отличался от того, который следовало бы ожидать при нанесения на поверхность фольги обычного лакокрасочного материала с высоким коэффициентом излучения.

1. Несмотря на то, что температура на внутренней поверхности трубы составляла величину порядка 130⁰С к поверхности трубы можно было на непродолжительное время прикасаться ладонью не получая ожогов.

2. Измерения температуры поверхности «жидкого теплоизолирующего покрытия» при помощи оптического пирометра при установленном коэффициенте излучения 0.95 приводили к получению результата 119⁰С.

3. Несмотря на показания пирометра, наблюдалось явление неожиданно (аномально) медленного таяния кусков льда, размещаемых на поверхности «жидкого теплоизолирующего покрытия».

С точки зрения представлений о пористых теплоизолирующих материалах, вышеописанные явления, когда использование пористой структуры приводит к интенсификации теплообмена (увеличению тепловых потерь) и при этом наблюдается заметное снижение скорости таяния льда на «теплоизолированной поверхности» (по сравнению с «голой» трубой) без всякого преувеличения можно рассматривать как самую настоящую аномалию.

Анализируя возможные причины аномалий, проявляющихся в случае использования «жидких теплоизолирующих покрытий» (подобные аномалии наблюдались в случае материалов сразу нескольких производителей), автор сделал предположение, что неожиданные результаты тестирования материалов, включающих в свой состав полые стеклянные микросферы обязаны присутствию неких оптических эффектов в инфракрасной области, связанных с перераспределением конвективной и радиационной составляющих теплообмена.

При изучении библиографии печатных источников, связанных с освещением результатов научных и экспериментальных работ по изучению оптических свойств субстанций, включающих в свой состав микросферы, автором была обнаружена работа [1], в которой приводились данные о наблюдений свойств, характерных для фотонных кристаллов в случае монослоев полимерных микросфер, имеющих размерность того же порядка (20-50 мкм), что и микросферы, используемые в составе «жидких теплоизолирующих покрытий».

Геометрические размеры микросфер, используемых в «жидких теплоизолирующих покрытиях», предполагают то, что если аномальные явления, о которых рассказывалось выше, связаны именно с наличием свойств фотонного кристалла, то проявление эффектов, характерных для фотонных кристаллов, следует ожидать именно в инфракрасной области.

Фотонные кристаллы, как явление вызывающее сегодня достаточно серьезный интерес среди ученых, имеет на настоящий момент достаточно непродолжительную историю, но как выяснилось, в природе фотонные кристаллы используются уже в течение многих миллионов лет. В частности, цвет чешуек целого ряда видов бабочек связан вовсе не с наличием пигментов, а с проявлением оптических свойств фотонных кристаллов. Яркие световые переливы драгоценного камня опала также, как и в случае крыльев бабочек, являются следствием проявления свойств фотонного кристалла и, в случае опала, дискретными элементами фотонного кристалла являются именно микросферы.

Физики из Стэнфордского университета (США) провели научные исследования по выявлению эффективности фотонных кристаллов для целей снижения радиационной составляющей теплообмена. Результаты проведенной работы позволили ученым заявить о том, что если фотонные кристаллы будут использованы для увеличения эффективности термоса, то горячая вода, залитая в такой инновационный термос, не остынет на протяжении нескольких лет. Результаты исследований физиков из Стэнфордского университета кратко освящены в научно-популярной статье «Фотонные кристаллы запирают тепло на замок», которая неоднократно цитировалась интернете.

По своим пространственно-геометрическим характеристикам фотонные кристаллы подразделяются на одномерные, двухмерные и трехмерные фотонные кристаллы. Как уже отмечалось выше, структура из регулярно расположенных микросфер, например, при плотной гексагональной упаковке является характерным примером трехмерного фотонного кристалла. В качестве примера двухмерного фотонного кристалла можно привести тонкий (но, толщиной более толщины скин слоя) дырчатый щит с регулярно расположенными отверстиями диаметр, которых имеет порядок длины волны, на которую приходится энергетический максимум области излучения кристалла. Картина корректирования излучения нагретой поверхности для случая присутствия двухмерного фотонного кристалла в виде дырчатого щита приведена на рис 2, для наглядного сравнения на том же рисунке пунктирной линией приведена закономерность излучения для идеализированного случая абсолютно черного тела.

Рис. 2. Характеристика излучения двухмерного фотонного кристалла в виде дырчатого щита

Рис. 2 служит наглядной демонстрацией того факта, что в случае присутствия фотонных кристаллов на или вблизи какой либо поверхности кардинальным образом изменяются картина излучения характерная, например, для большинства лакокрасочных материалов, аналогами которых (по технологической, но не физической сути) являются «теплоизолирующие покрытия» на основе полых микросфер».

С точки зрения практика, специализирующегося в области теплоизолирующих материалов и конструкций, при использования пластины толщиной немногим более толщины скин слоя (тысячные доли миллиметра) и, тем более, при наличии в такой пластине многочисленных отверстий совершенно не стоит ожидать какого либо существенного эффекта при использовании подобной пластины для целей снижения тепловых потерь, например, с поверхности того же самого трубопровода.

В то же время следует отметить, что как «вещь в себе» идеальный фотонный кристалл вовсе не является теплоизолирующим материалом. В зависимости от целого ряда факторов использование фотонного кристалла может приводить как к существенному снижению тепловых потерь, так и, напротив, к заметной интенсификации теплообмена.

Одно из характерных свойств фотонных кристаллов (но не всех видов) это заметная (или практически полная) прозрачность для собственного излучения. Вследствие наличия свойства прозрачности для собственного излучения, эффект от использования фотонного кристалла, «работающего» в инфракрасной области на (или вблизи) нагретой поверхности, в существенной мере будет зависеть от оптических свойств поверхности, поскольку в данном случае мы имеем дело не только с «классической» теплопроводностью, но и с оптическими эффектами в инфракрасной области.

Для цели дальнейшего определения влияния оптических свойств подложки на эффект от использования «теплоизолирующих покрытий» с полыми микросферами автором было предложено проведение серии экспериментов, в ходе которых перед нанесением на поверхность фольги «жидких теплоизолирующих покрытий» эта поверхность выкрашивалась черной акриловой краской. После вышеописанной модификации оптических свойств поверхности эффект от применения «жидких теплоизолирующих покрытий» сменился на противоположный - вместо заметной интенсификации теплообмена стало наблюдаться существенное снижение тепловых потерь. Следует отметить, что для теплоизолирующих покрытий различных производителей абсолютные величины наблюдаемых эффектов в плане интенсификации теплообмена или снижения тепловых потерь существенно отличались, но в тоже время общая тенденция соблюдалась для всех испытанных образцов - наблюдение интенсификации теплообмена, когда подложка имела ярко выраженные отражающие свойства в инфракрасной области, и снижение тепловых потерь после нанесения «теплоизолирующих покрытий» на основе микросфер поверх черной краски.

Комментируя результаты экспериментов, когда при использовании подложки с ярко выраженными отражающими свойствами в инфракрасной области, нанесение на поверхность участка трубопровода «жидких теплоизолирующих покрытий» различных производителей приводило к интенсификации теплообмена (увеличению тепловых потерь) следует сделать ряд важных замечаний:

1. Поскольку проявление свойств фотонного кристалла в существенной степени зависит от соблюдения регулярности расположения и точности классификации (по размерам) элементарных дискретных элементов, то в случае «теплоизолирующих покрытий» на основе полых микросфер, по вполне понятным причинам, соблюдения идеальной регулярности и классификации ожидать не приходится.

2. Обстоятельство, связанное с наличием большого количества дислокаций (нарушением упорядоченности и заметных отклонений от приемлемых границ классификации), предполагает, что в случае «теплоизолирующих покрытий» на основе полых микросфер наряду с проявлением свойств фотонного кристалла следует ожидать как проявлений свойств дисперсной среды, так и проявление свойств банальной пористой структуры со всеми вытекающими из этого последствиями.

3. Одним из последствий упомянутых в п.2 является то, что при наличии подложки с выраженными отражающими свойствами, увеличение слоя «теплоизолирующего покрытия» на основе полых микросфер приводит к тому, что эффект интенсификации теплообмена замещается незначительным по величине снижением тепловых потерь, а при наращивании слоя «теплоизолирующего покрытия» до нескольких миллиметров, превалирующий фактор в снижении тепловых потерь связан уже с проявлением свойств банальной пористой структуры.

4. В случае тонких слоев «теплоизолирующих покрытий» на основе полых микросфер существуют признаки наличия если не четкой температурной границы, то, по меньшей мере, переходной области, когда при снижении температуры эффект интенсификации теплообмена либо проявляется незначительно (на уровне погрешности измерений), либо полностью отсутствует.

Дополнительно следует отметить, что к настоящему времени не приходится достоверно говорить о том, что эффект интенсификации теплообмена распространяется абсолютно на все «жидкие теплоизолирующие покрытия» российского производства. Тестированию на интенсификацию теплообмена при наличии отражающей подложки не были подвергнуты материалы следующих торговых марок: «Астратек», «Бутакрил-тепло», «Изоллат», «Корунд» и «Теризол». Среди подобных материалов импортного производства тестированию на интенсификацию теплообмена было подвернуто «жидкое теплоизолирующее покрытие» под торговой маркой «Термошилд», результат теста в плане увеличения тепловых потерь показал положительный результат. Для проведения испытаний у торгового представителя производителя «Термошилд» был запрошен образец материала, предназначенного для теплоизоляции трубопроводов.

После выявления и многократного экспериментального подтверждения зависимости эффекта использования «жидких теплоизолирующих покрытий» от оптических свойств подложки следующим этапом исследований стали опыты по выявлению признаков наличия полупроводникового эффекта, характерного для фотонных кристаллов. Далее следует краткое обоснование выбора схемы эксперимента по выявлению наличия полупроводникового эффекта.

Не смотря на то, что с момента начала активного исследования фотонных кристаллов прошло не так много времени, к настоящему моменту учеными уже найдено достаточно много сфер для практического использования фотонных кристаллов. Кроме существенного увеличения эффективности теплоизолирующих материалов и конструкций, фотонные кристаллы планируется использовать, в частности, для увеличения эффективности фотоэлектрических элементов. Для увеличения эффективности фотоэлектрических элементов планируется использовать фотонные кристаллы, состоящие именно из микросфер. Наличие фотонного кристалла с соответствующими оптическими свойствами на поверхности фотоэлектрического элемента позволяет изменить спектральную картину поступающего на поверхность излучения таким образом, чтобы энергетический максимум излучения кристалла совпадал с областью, в которой фотоэлектрический элемент показывает наибольшую эффективность по преобразованию энергии излучения в электрическую энергию.

В качестве побочного результата увеличения эффективности фотоэлектрического элемента при использовании на его поверхности фотонного кристалла, состоящего из полых микросфер, следует ожидать дополнительного разогрева, вызванного наличием полупроводникового эффекта, характерного для фотонных кристаллов.

С целью выявления эффекта дополнительного нагрева в ходе облучения инфракрасным излучением при использовании на поверхности «теплоизолирующего покрытия», содержащего полые микросферы были изготовлены две идентичные модели в виде полых гильз из участков трубопровода с внешним диаметром 89 мм., и высотой 350 мм. Внешние поверхности гильз были плотно обернуты селективным материалом, изготовленным в НПО «Машиностроения» методом магнетронного напыления.

В ходе проведения серии экспериментов поверх селективного материала, расположенного на одной из гильз, наносились «жидкие теплоизолирующие покрытия» различных производителей. Далее в гильзы наливалась вода и гильзы размещались на одинаковом расстоянии от излучающей поверхности искусственного источника инфракрасного излучения мощностью 750 Вт. Динамика нагрева воды в гильзах фиксировалась при помощи измерительных зондов, подключенных к двухканальному измерителю-регулятору температуры ИРТ4/2. После проведения очередного цикла тестирования селективный материал, на который было нанесено «жидкое теплоизолирующее покрытие, удалялся с поверхности, и гильза снова оборачивалась селективным материалом для тестирования очередного образца.

Рис. 3.

На рис. 3 представлены результаты эксперимента в случае использования поверх селективного материала «жидкого теплоизолирующего покрытия» «TSM-ceramic», нанесенного слоем со средней толщиной 0.5-0.6 мм.

Линия, обозначенная цифрой 1, показывает температуру воды в той гильзе, где поверх селективного материала нанесен слой «жидкого теплоизолирующего покрытия», линия 2 отражает динамику нагрева воды в гильзе, на поверхности которой присутствует только селективный материал.

С точки зрения представлений о свойствах пористых материалов, каковыми являются «жидкие теплоизолирующие покрытия», содержащие полые микросферы, результат эксперимента, представленный на рис. 3 является по истине феноменальным - вместо того, чтобы показывать какое либо сопротивление теплопередаче или, по меньшей мере, оказывать на излучение рассеивающее действие, что должно приводить к снижению скорости нагрева, «теплоизолирующее покрытие» способствует заметному увеличению скорости нагрева воды, залитой в гильзу.

Существуют научные публикации, в которых делаются попытки анализа оптических свойств субстанций типа «полые микросферы-полимерное связующее», каковыми являются «жидкие теплоизолирующие покрытия», с точки представления о дисперсных средах. Среди таких работ следует отметить [4] и [5]. В то же время представление о дисперсных средах как о том, что должно оказывать на излучение рассеивающее воздействие, в смысле результата эксперимента, представленного на рис. 2, должно вызывать вполне оправданное недоумение.

Получив убедительные доказательства того, что в случае «жидких теплоизолирующих покрытий», содержащих полые микросферы, с большой степенью уверенности можно говорить о наличии оптических свойств, характерных для фотонных кристаллов, автор сосредоточил свои усилия на поисках технических решений, применение которых позволило бы использовать «жидкие теплоизолирующие покрытия» с максимально возможной эффективностью именно в качестве теплоизолирующих материалов, а не того, что способствует заметному увеличению тепловых потерь или интенсификации нагрева при наличии источника инфракрасного излучения.

Как уже упоминалось в ходе данной статьи, в случае «жидких теплоизолирующих покрытий» не следует рассчитывать на достаточно регулярную укладку микросфер, что характерно для идеального фотонного кристалла. Дополнительно следует отметить, что физики из Стэнфордского университета использовали фотонные кристаллы для блокирования инфракрасного излучения в вакууме, по этой причине такого феноменального результата, какой был получен при использовании фотонных кристаллов в Стэнфорде от «жидких теплоизолирующих покрытий» при использовании, например, на трубопроводах ожидать не приходится. Несмотря на не слишком благоприятный прогноз в смысле величины ожидаемого эффекта, автором была предпринята попытка увеличения эффективности «жидких теплоизолирующих покрытий» с точки зрения представлений о свойствах фотонных кристаллов.

Поскольку одним из свойств фотонных кристаллов, в частности, на основе микросфер, является достаточно высокая прозрачность для собственного излучения, при необходимости снижения тепловых потерь в случае, например, трубопроводов существенного увеличения эффективности «теплоизолирующих покрытий», включающих в свой состав полые микросферы, при хорошо поглощающей (а еще лучше селективной) подложке следует ожидать, когда на внешней поверхности покрытия будет расположен слой материала с выраженными отражающими свойствами по отношению к инфракрасному излучению.

В первом приближении в качестве отражающего материала была использована алюминиевая фольга, которой плотно, по спирали обматывалась труба после нанесения на нее «жидких теплоизолирующих покрытий» различных производителей. Результаты тестирования на стенде для измерения теплопроводности методом трубы показали, что вышеописанный вариант использования «жидких теплоизолирующих покрытий» при нанесении слоем толщиной 0.7-1мм при температуре на внутренней поверхности трубы в диапазоне 100-130⁰С позволяет снизить тепловые потери, более чем в три раза по сравнению с тем случаем, когда на поверхности трубы отсутствует какой либо теплоизолирующий материал. В случае применения традиционных теплоизолирующих материалов аналогичные показатели снижения тепловых потерь достигаются при использовании слоев толщиной 10 и более мм. В ходе проведения экспериментальных работ используемый внешний слой с выраженными отражающими свойствами по отношению к инфракрасному излучению получил рабочее наименование «отражающее зеркало», к настоящему времени это наименование уже практически утвердилось в качестве технического термина.

При подробном исследовании эффекта снижения тепловых потерь, достигаемого при использовании «отражающего зеркала», была выявлена следующая корреляция: чем выше для того или иного «жидкого теплоизолирующего покрытия» абсолютное значение увеличения тепловых потерь на отражающей подложке, тем более эффективно оно показывает себя в качестве теплоизоляции при совместном использовании с «отражающим зеркалом».

Поскольку применение в качестве «отражающего зеркала» алюминиевой фольги вызывает определенные неудобства при использовании теплоизолирующей системы на поверхностях сложной формы, к настоящему времени в качестве «отражающего зеркала» стал использоваться аналог лакокрасочного материала, обладающего выраженными отражающими свойствами по отношению к инфракрасному излучению.

Исследование четырех образцов «жидких теплоизолирующих покрытий» различных производителей через один год после нанесения на модель участка трубопровода показали, то при выдержке в условиях подвального помещения с воздухом высокой влажности «жидкие теплоизолирующие покрытия» практически полностью сохраняют способность снижать тепловые потери при использовании «отражающего зеркала».

В заключении следует сделать важное замечание, касающееся ряда специфических свойств «жидких теплоизолирующих покрытий». Не смотря на то, что озвученное в данной статье предположение о наличии у «жидких теплоизолирующих покрытий» свойств фотонных кристаллов, в настоящее время достоверно не подтверждено в случае материалов, содержащих полые микросферы, так же, как и в случае фотонных кристаллов, явным образом наблюдается явление отсутствия «адекватной аддитивности», которая закономерна для случая применения традиционных теплоизолирующих материалов. Отсутствие «адекватной аддитивности» выражается в том, что при использовании тонких слоев жидких теплоизолирующих покрытий совместно с отражающим зеркалом при толщине слоя, содержащего микросферы порядка 1 мм, происходит резкое снижение тепловых потерь, которое может быть достигнуто при использовании слоев традиционных теплоизолирующих материалов более 10 мм, но дальнейшее увеличение слоя содержащего микросферы приводит лишь к незначительному (на фоне первоначально достигнутого) увеличению эффекта.

Следует отметить, что подобное явление (отсутствие «адекватной аддитивности») наблюдалось и в случае исследования фотонных кристаллов физиками из Стэнфордского университета.

С точки зрения возможностей существенного снижения тепловых потерь при использовании на нагретой поверхности жидких теплоизолирующих покрытий совместно с «отражающим зеркалом» использование подобных теплоизолирующих систем является актуальным, в частности, для случая запорной арматуры, применяемой в тепловых сетях.

При использовании для целей теплоизоляции запорной арматуры традиционных пористых теплоизолирующих материалов увлажнение этих материалов, вызванное протечками уплотнений или капелью с верхнего перекрытия, приводит к тому, что тепловые потери существенно превышают те, что имеют место в случае использования теплоизолирующей системы, предполагающей наличие «жидкого теплоизолирующего покрытия» и «отражающего зеркала». Подробные сведения о снижении теплоизолирующих свойств минеральной ваты при ее увлажнении приведены в работе [6]. Наилучший результат, достигнутый на сегодняшний день в случае использования «жидких теплоизолирующих покрытий» при наличии «отражающего зеркала», составляет величину тепловых потерь для случая трубопровода с внешним диаметром 108 мм порядка 80 Вт на погонный метр при температуре на внутренней стенки 130⁰С (в случае установления стационарного режима теплообмена), что выше предельно допустимой значения установленной СНИП 41-03-2003, но в то же время ниже нежели чем для случая увлажненной (на уровне 20%) минеральной ваты при таком же диаметре трубопровода и температуре теплоносителя порядка 90⁰С [6].

Систематическое увлажнение теплоизолирующих конструкций на основе минераловатных материалов по причине, например, протечки уплотнения задвижки, приводит к быстрой и безнадежной порче теплоизоляции в смысле практически полной утраты эффекта снижения тепловых потерь. На фоне резкого снижения эффективности увлажненной пористой теплоизоляции присутствие влаги приводит к ускоренному развитию коррозии металлических теплоизолированных поверхностей оборудования. В отличие от традиционных пористых теплоизолирующих материалов теплоизолирующая система на основе полых микросфер обладает практически нулевым значением влагопоглощения и при наличии в своем составе соответствующих компонентов может обладать выраженными антикоррозийными свойствами.

Апробирование использование «жидких теплоизолирующих покрытий» совместно с «отражающим зеркалом» в условиях, характерных для эксплуатации оборудования тепловых сетей было осуществлено в ходе пилотного проекта «Технология повышения надежности и снижения энергетических потерь в подземных сооружениях (камерах) тепловых сетей» осуществленного МУП «Тепло Коломны» при поддержке НП «Энергоэффективный город» и ОАО «ВНИПИэнергопром».

К сожалению, в формате краткой обзорной статьи невозможно рассказать обо всех выявленных к настоящему времени возможных аспектах использования «жидких теплоизолирующих покрытий», тем более что многие из них требуют достаточно тщательных научных исследований, но в тоже время следует отметить, что в целом ряде случаев актуальность использования подобных материалов можно рассматривать в качестве достаточно очевидной.

Для подтверждения (или опровержения) наличия у «жидких теплоизолирующих покрытий свойств фотонного кристалла в настоящее время автором рассматриваются возможности проведения спектрометрических исследований собственного излучения покрытий на нагретых поверхностях.

Пользуясь случаем, автор хочет выразит благодарность зам. главного инженера ОАО «ВНИПИэнергопром» Романову С.В. за конструктивные замечания, сделанные им в ходе изучении материалов данной статьи. Автор так же выражает благодарность всем производителям «теплоизолирующих покрытий», предоставивших образцы своей продукции для проведения исследований.

теплопроводность микросфера теплоизолирующее покрытие

Выводы:

1. Использование «жидких теплоизолирующих покрытий», содержащих полые стеклянные микросферы, на нагретых поверхностях в зависимости от оптических свойств поверхностей может приводить как к снижению тепловых потерь, так и к интенсификации теплообмена.

2. Несмотря на возможности существенного снижения тепловых потерь при совместной использовании «жидких теплоизолирующих покрытий» и «отражающего зеркала», к настоящему времени результатов снижения тепловых потерь до величин регламентированных СНИП 41-03-2003 не отмечалось.

3. Применение «жидких теплоизолирующих покрытий», содержащих полые микросферы, для целей снижения тепловых потерь в целом ряде случаев является актуальным.

4. Предположение о связи специфических явлений, наблюдаемых в случае «жидких теплоизолирующих покрытий», с проявлением свойств, характерных для фотонных кристаллов, к настоящему времени достоверно не подтверждено.

Список цитируемых источников

1. Логинова Н.А. Определение эффективности тонкопленочных теплоизоляционных покрытий применительно к системам теплоснабжения: 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук/ Московский энергетический институт (ТУ) - 2010 . - 133 с.

2. А. Козлов, И. Грицкова, С. Гусев Фотонные кристаллы на основе полимерных микросфер. Москва. Научно-технический журнал «Фотоника», 2009, вып.6, с. 8-11

3. «Фотонные кристаллы запирают тепло на замок» http://www.pravda.ru/science/eureka/inventions/14-12-2009/1003742-thermal-0/.

4. Домбровский Л.А. Моделирование теплового излучения полимерного покрытия содержащего полые микросферы. Москва. Теплофизика высоких температур, 2005, том 43, №1, с. 1-11.

5. Герман М.Л., Гринчук П.С. Математическая модель расчета теплозащитных свойств композиционного покрытия «керамические микросферы-связующее». Минск. Инженерно-физический журнал, 2002, ноябрь-декабрь, том 75, № 6 с. 43-53.

6. Мунябин М.И., Арефьев Н.Н. К вопросу о расчете тепловых потерь при различных вариантах тепловой изоляции. Новости теплоснабжения №4 (апрель) 2003г с. 35-38.

Размещено на Allbest.ru