СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОЙ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ Российский патент 2015 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к стационарным способам определения коэффициента теплопроводности жидких теплоизоляционных материалов. Разработанный способ может применяться в строительстве и теплоэнергетике для исследования в лабораторных условиях теплопроводных качеств сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий.

Известен способ определения коэффициента теплопроводности жидких веществ методом коаксиальных цилиндров. Цилиндрический зазор, образованный двумя коаксиально расположенными цилиндрами, заполняют исследуемым жидким веществом. Слой жидкого вещества ограничивают внутренним цилиндром с известным наружным диаметром и длиной и наружным цилиндром с известным внутренним диаметром. Во внутреннем цилиндре размещают основной нагреватель с известной тепловой мощностью. Для исключения торцевых потерь теплоты с внутреннего цилиндра в системе устройства предусматривают охранные цилиндры с охранными нагревателями. Рабочую разность температур поверхностей цилиндров, граничащих с жидким веществом, измеряют термопарами. Коэффициент теплопроводности исследуемого жидкого вещества определяют по уравнению теплопроводности для однослойной цилиндрической стенки при стационарном тепловом режиме [1].

К недостаткам данного способа можно отнести техническую сложность установки для реализации способа, которая включает два цилиндра, между которыми располагают исследуемое жидкое вещество, охранные цилиндры, предназначенные для устранения торцевых потерь теплоты с внутреннего цилиндра, и термопары, установленные на наружной поверхности внутреннего цилиндра и внутренней поверхности наружного цилиндра.

Известен способ определения коэффициента теплопроводности тонкостенных теплозащитных покрытий, проводимый в два этапа. На первом этапе с помощью нагревателя с постоянной температурой равномерно на дистанции нагревают всю внешнюю поверхность образца без теплозащитного покрытия, одновременно охлаждая обратную сторону образца воздушным потоком, движущимся в теплоизолированном вентиляционном канале. На втором этапе наносят теплозащитное покрытие на внешнюю поверхность образца, повторно проводя те же самые испытания. По результатам бесконтактного измерения термографами температурных полей поверхностей образца до и после нанесения на одну из его сторон теплозащитного покрытия, а также по температуре охлаждающего воздуха вычисляют по специальным расчетным формулам коэффициент теплопроводности теплозащитного покрытия [2].

К недостаткам данного способа можно отнести продолжительность проведения эксперимента (в два этапа) и достаточно сложный порядок выполнения расчета (определение по результатам первого этапа измерений по уравнению теплового баланса коэффициента теплоотдачи, нахождение по результатам второго этапа измерений температуры на границе образца и теплозащитного покрытия, итоговое вычисление локального и среднего значений коэффициента теплопроводности теплозащитного покрытия).

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ определения коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий, проводимый в два этапа. На первом этапе нижнюю поверхность плоскопараллельной стенки, состоящей из двух слоев одинаковой толщины и с равным коэффициентом теплопроводности материала, нагревают с помощью терморегулируемого источника теплоты и измеряют температуру наружной поверхности верхнего слоя. На втором этапе на наружной поверхности плоскопараллельной стенки закрепляют металлическую пластину известной толщины и коэффициентом теплопроводности с нанесенным на ее наружную поверхность сверхтонким жидким теплоизоляционным покрытием и повторно проводят те же самые испытания, измеряя температуру поверхности контакта верхнего слоя плоскопараллельной стенки и металлической пластины со сверхтонким жидким теплоизоляционным покрытием. По специальной расчетной формуле вычисляют коэффициент теплопроводности жидкого теплоизоляционного покрытия [3].

К недостаткам данного способа можно отнести продолжительность проведения эксперимента (в два этапа), использование большого числа элементов (терморегулируемого источника теплоты, двух слоев плоскопараллельной стенки, металлической пластины и сверхтонкого жидкого теплоизоляционного покрытия) и контактных измерителей температуры, искажающих температурное поле стационарного теплового процесса. Исходные уравнения для вывода итоговой расчетной формулы в некоторой степени не соответствуют классическим законам теплообмена.

Целью изобретения является упрощение способа и повышение точности определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции в лабораторных условиях.

Поставленная цель достигается тем, что измерителем теплопроводности определяют эквивалентный коэффициент теплопроводности плоского трехслойного образца квадратного сечения, состоящего из двух одинаковых теплопроводных эталонов известной толщины с известным коэффициентом теплопроводности материала и слоя жидкой тепловой изоляции известной толщины, расположенного между эталонами. По известным значениям коэффициентов теплопроводности плоского трехслойного образца и теплопроводных эталонов, толщинам отдельных слоев плоского трехслойного образца (эталонов и жидкой тепловой изоляции) вычисляют по специальной расчетной формуле коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции.

На фиг. 1 показана принципиальная схема реализации способа определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции.

Плоский трехслойный образец квадратного сечения, состоящий из двух одинаковых теплопроводных эталонов 1 толщиной δ, каждый из них с коэффициентом теплопроводности материала λ, и слоя жидкой тепловой изоляции 2 толщиной δ_из, расположенного между эталонами 1, находится в измерительной ячейке измерителя теплопроводности 3. Ширина и высота отдельных слоев плоского трехслойного образца равны между собой и соответствуют размерам нагревателя 4 и холодильника 5 измерителя теплопроводности 3. Смежные поверхности соседних слоев плоского трехслойного образца плотно прилегают друг к другу. Лицевые поверхности трехслойного образца граничат с лицевыми поверхностями нагревателя 4 и холодильника 5 измерителя теплопроводности 3.

Устройство для реализации предложенного способа работает следующим образом (фиг. 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 жидкой тепловой изоляции 2, т.е. 2δ+δ_из, измеритель теплопроводности 3 вычисляет эквивалентный коэффициент теплопроводности плоского трехслойного образца λ_экв.

Коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции λ_из вычисляют по специальной расчетной формуле:

,

где λ_экв - эквивалентный коэффициент теплопроводности плоского трехслойного образца, определенный измерителем теплопроводности 3;

λ - коэффициент теплопроводности материала теплопроводных эталонов 1;

δ - толщина одного эталона 1;

δ_из - толщина слоя жидкой тепловой изоляции 2.

Достоинством предложенного способа является проведение теплофизических измерений в лабораторных условиях в один этап с использованием плоского трехслойного образца квадратного сечения. Высокая точность результатов достигается за счет использования специализированного измерителя теплопроводности и применения единственной специальной расчетной формулы, выведенной из классического уравнения теплопроводности для плоской трехслойной стенки при стационарном тепловом режиме.

Пример конкретной реализации способа.

Определим коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции в лабораторных условиях на примере теплоизоляционной краски Teplomett Стандарт толщиной δ_из=2·10^-3 м, расположенной между двумя теплопроводными эталонами толщиной δ=6·10^-3 м каждого из них, изготовленными из нержавеющей стали с коэффициентом теплопроводности материала λ=50,2 Вт/(м·К). Ширина и высота плоского трехслойного образца имеют размеры 0,15×0,15 м.

По результатам лабораторных измерений измерителем теплопроводности ИТС-1 «150» эквивалентный коэффициент теплопроводности плоского трехслойного образца составил λ_экв=0,0351 Вт/(м·К). Тогда коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции Teplomett Стандарт по специальной расчетной формуле будет равен:

.

Относительная погрешность всей измерительной системы ±5%.

Значение коэффициента теплопроводности теплоизоляционной краски Teplomett Стандарт, полученное в лабораторных условиях, сопоставимо с заявленным производителем коэффициентом теплопроводности материала, равным λ_из=0,003 Вт/(м·К).

Список литературы

1. Теплоэнергетика и теплотехника. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: справочник / Под общ. ред. А.В. Клименко и В.М. Зорина. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 421 с.

2. Пат. 2426106 Российская федерация, МПК G01N 25/18. Способ определения коэффициента теплопроводности тонкостенных теплозащитных покрытий и устройство для его осуществления / В.Ф. Янишевский, В.Ф. Крастынь, В.А. Калуцких; заявитель и патентообладатель ФГУП "Летно-исследовательский институт имени М.М. Громова". - №2009149671/28; заявл. 31.12.2009; опубл. 10.08.2011. БИ №22, 2011.

3. Пат. 2478936 Российская Федерация, МПК G01N 25/18, G01N 25/20. Способ определения коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий / Ю.И. Правник, Р.А. Садыков, Р.В. Иванова, И.О. Манешев, Д.В. Крайнов, Э.В. Адаев; заявители и патентообладатели ФГОУ ВПО "Казанский государственный архитектурно-строительный университет", Р.А. Садыков. - 2011145173/04; заявл. 07.11.2011; опубл. 10.04.2013. БИ №7, 2013.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности жидких теплоизоляционных материалов. Сущность заявленного способа заключается в определении измерителем теплопроводности эквивалентного коэффициента теплопроводности плоского трехслойного образца квадратного сечения, состоящего из двух одинаковых теплопроводных эталонов известной толщины с известным коэффициентом теплопроводности материала и слоя жидкой тепловой изоляции известной толщины, расположенного между эталонами. По известным значениям коэффициентов теплопроводности плоского трехслойного образца и теплопроводных эталонов, толщинам отдельных слоев плоского трехслойного образца (эталонов и жидкой тепловой изоляции) вычисляют по специальной расчетной формуле коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции. Технический результат - повышение точности определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции в лабораторных условиях. 1 ил.

Способ определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции в лабораторных условиях, включающий использование нагревателя, двух одинаковых теплопроводных эталонов известной толщины с известным коэффициентом теплопроводности материала и проведение испытаний в условиях стационарного теплового режима, отличающийся тем, что слой жидкой тепловой изоляции известной толщины располагают между теплопроводными эталонами, измерителем теплопроводности определяют эквивалентный коэффициент теплопроводности плоского трехслойного образца, коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции вычисляют по формуле:
,
где δ_из - толщина слоя жидкой тепловой изоляции;
δ - толщина одного эталона;
λ_экв - эквивалентный коэффициент теплопроводности плоского трехслойного образца, определенный измерителем теплопроводности;
λ - коэффициент теплопроводности материала теплопроводных эталонов.