СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ И КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ПОЛЫХ МИКРОСФЕР МЕТОДОМ ЗАМЕРА ФАКТИЧЕСКИХ ТЕПЛОПОТЕРЬ В СТАЦИОНАРНЫХ УСЛОВИЯХ Российский патент 2021 года по МПК G01N25/18 G01N25/20 

Изобретение относится к области исследования и анализа теплофизических свойств материалов и может быть использовано при определении коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопроводности теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер.

Предложенный способ определения коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопроводности теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер методом замера фактических теплопотерь в стационарных условиях заключается в использовании установки, состоящей из участка трубопровода с нанесенным теплоизоляционным покрытием на основе полых микросфер, подключенного к нагревательному элементу, измерении температуры теплоносителя на входе участка t_вх, на выходе участка t_вых, температуры поверхности участка трубопровода τ, расходе воды через испытуемый участок G_вд, определении фактических тепловых потерь Q, коэффициента теплоотдачи α_теп и коэффициента теплопроводности λ_теп по расчетным формулам:

где

Q - фактические теплопотери участка трубопровода;

с_вд - удельная теплоемкость воды (с_вд = 4,187 Дж/(кг⋅°С));

t_вх - температура теплоносителя на входе участка;

t_вых - температура теплоносителя на выходе участка;

G_вд - расход воды через испытуемый участок трубопровода,

где

- длина испытуемого участка трубопровода;

d - диаметр трубы;

τ - температура поверхности участка поверхности трубопровода;

t_возд - температура окружающей среды в помещении,

где

δ - толщина теплоизоляционного покрытия на основе полых микросфер;

t_в - температура теплоносителя в трубопроводе (среднее значение).

Технический результат - метод позволяет с высокой степенью точности определять коэффициент теплоотдачи и коэффициент теплопроводности теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер в стационарных условиях при проведении исследований теплофизических характеристик материалов, исключая влияние внешних факторов, позволяя производить замеры в широком диапазоне температур нагрева поверхности испытуемого образца от +1°С до +200°С, а также дает возможность определять фактические теплопотери на существующих эксплуатируемых магистральных тепло- и трубопроводах, теплоизолированных покрытиями на основе полых микросфер. Способ является простым, доступным и легко осуществимым.

Известен способ определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер, включающий использование «профессиональных» оптико-электронных приборов - тепловизоров, с предварительно настроенным параметром коэффициента излучения на величину 0,98-1, измеряющий температуру на поверхности теплоизоляционного покрытия на основе полых микросфер, и определения коэффициента теплопроводности по расчетной формуле (патент RU 2731112 С1, опубл. 28.08.2020).

Недостатками данного способа является возможность проведения измерений только в холодный период года при отрицательных температурах наружного воздуха и разнице температур внутри помещения и на наружной поверхности не менее 25-30°С. Кроме этого для применения данного метода необходимо использование «профессиональных» тепловизоров с регулируемым коэффициентом черноты тела, которые менее распространены и значительно дороже.

Известен способ определения коэффициента теплопроводности жидких теплоизоляционных покрытий, включающий использование приборов Elcometr 319 и PosiTektor DPM для измерения температуры на поверхности покрытия, согласно которому на источник тепла устанавливают металлическую пластину с нанесенной жидкой керамической теплоизоляцией, причем пластина закрывает всю площадь нагревательного элемента, чтобы свести к минимуму влияние конвективных потоков от нагретой поверхности пластины, осуществляют ступенчатый нагрев с интервалами времени для релаксации температуры с постепенным повышением температуры, измеряют прибором Elcometer 319 или PosiTektor DPM через 3 часа после включения источника тепла температуру на поверхности жидкой теплоизоляции, измеряют температуру источника тепла и окружающей среды, а расчет коэффициента теплопроводности производят по формуле (патент RU 2594388, опубл. 11.02.2014).

Недостатком данного способа является узкий температурный диапазон исследований данными приборами до +80°С, что ограничивает возможность измерений теплопроводности при высоких температурах, при которых возрастает лучистая составляющая. При этом, при повышении температуры нагрева поверхности выше +40°С, размягчается акриловое связующее теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер и при нажатии прибором на покрытие оно продавливается, тем самым уменьшается толщина, что приводит к погрешности измерений температуры поверхности и ее повышению в несколько раз. Кроме этого, предлагаемые в способе измерительные приборы имеют высокую стоимость, в том числе с поверкой по Российским стандартам.

Изобретение направлено на измерение коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопроводности теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер методом замера фактических теплопотерь в стационарных условиях.

Основной задачей при определении коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопроводности теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер является корректное измерение температуры на поверхности. При этом необходимо учитывать тот факт, что погрешность при измерении температуры на поверхности теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер составляет 30-85%, в зависимости от принципа работы того или иного измерительного прибора. Погрешность контактных измерительных приборов составляет 30-80%, это объясняется тем, что теплоизоляционные покрытия на основе полых микросфер работают по принципу низкой теплоотдачи с поверхности, материалы с высоким тепловосприятием (особенно такие материалы, как металл) радикально увеличивают теплоотдачу с поверхности покрытия. Фактически контактные приборы (с обычной термопарой), имея металлический наконечник, показывают температуру с учетом сильного нагрева металла на поверхности теплоизоляционного покрытия на основе полых микросфер. Проведение измерений бесконтактными способом - тепловизорами и пирометрами может дать погрешность 80-85%. Такая большая погрешность связана с тем, что, к примеру, бесконтактные приборы не работают в диапазоне длины волны менее 7 мкм, которая необходима для замеров на сверхтонких теплоизоляторах. Высокая отражательная способность и низкая степень черноты теплоизоляционного покрытия на основе полых микросфер приводит к существенным ошибкам при использовании пирометров, градуировка которых осуществлена с использованием модельных чернотелых излучателей только для значений излучательной способности, близкой к 0,99, работающих в спектральном диапазоне 7-18 мкм. Ошибки измерений могут составлять десятки градусов.

Результат достигается тем, что коэффициент теплоотдачи и коэффициент теплопроводности теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер определяется методом замера фактических теплопотерь в стационарных условиях с использованием установки, состоящей из участка трубопровода с нанесенным теплоизоляционным покрытием на основе полых микросфер, подключенного к нагревательному элементу, измерении температуры теплоносителя на входе участка t_вх, на выходе участка t_вых, температуры поверхности участка трубопровода τ, расходе воды через испытуемый участок G_вд, определении фактических тепловых потерь Q, коэффициента теплоотдачи α_теп и коэффициента теплопроводности λ_теп по расчетным формулам:

где

Q - фактические теплопотери участка трубопровода;

С_вд - удельная теплоемкость воды (с_вд = 4,187 Дж/(кг⋅°С));

t_вх - температура теплоносителя на входе участка;

t_вых - температура теплоносителя на выходе участка;

G_вд - расход воды через испытуемый участок трубопровода,

где

- длина испытуемого участка трубопровода;

d - диаметр трубы;

τ - температура поверхности участка поверхности трубопровода;

t_возд - температура окружающей среды в помещении,

где

δ - толщина теплоизоляционного покрытия на основе полых микросфер;

t_в - температура теплоносителя в трубопроводе (среднее значение).

Сущность предполагаемого решения поясняется чертежом.

На фиг. 1 обозначено: 1 - испытуемый участок трубопровода с нанесенным теплоизоляционным покрытием на основе полых микросфер, 2 - теплонагреватель (водонагреватель); 3 - циркуляционный насос; 4 - расходомер горячей воды; 5 - вентиль регулировочный; 6 - хромель-копелевые термопары.

На фиг. 2 представлено фото действующей установки.

Способ определения коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопроводности теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер методом замера фактических теплопотерь в стационарных условиях осуществляется следующим образом.

Пример

1. На участок трубопровода наносится теплоизоляционное покрытие на основе полых микросфер. Нанесение осуществляется при помощи малярной кисти слоями по 0,5 мм с межслойной сушкой 24 часа. Общая толщина слоя составляет - 1,5 мм.

После полимеризации теплоизоляционного покрытия и высушивания в течение 24 часов, приступают к измерениям.

2. Вся система заполняется водопроводной водой с помощью насоса и начинается циркуляция носителя.

3. Происходит нагрев теплоносителя с помощью нагревательного котла, работающего от электросети.

4. Определяются температуры теплоносителя на входе участка t_вх и выходе участка t_вых теплоизолированного участка с помощью хромель-копелевых термопар при установившемся стационарном температурном режиме теплоносителя и расходе воды.

5. Определяются значения расходов воды G_вд через испытуемый участок трубопровода при помощи расходомера горячей воды.

6. Производится отчет времени, за которое происходит определение фактических теплопотерь теплоизолированного участка.

7. По истечении определенного времени снимаются показания расходов воды G_вд через теплоизолированный участок трубопровода.

8. Определяются показания средней температуры теплоносителя на входе участка t_вх и выходе участка t_вых теплоизолированного участка, а также на поверхности участка поверхности трубопровода τ с нанесенным теплоизоляционным покрытием на основе полых микросфер, температура теплоносителя в трубопроводе t_в, температура окружающей среды в помещении t_возд.

9. По расчетной формуле определяются фактические тепловые потери Q:

10. По расчетным формулам определяются коэффициент теплоотдачи α_теп и коэффициент теплопроводности λ_теп:

Предлагаемый способ обладает высокой степенью точности, и в то же время простой и удобный, который позволяет при стационарных условиях определять тепловые потери и рассчитывать коэффициент теплоотдачи и коэффициент теплопроводности.

Изобретение относится к области исследования и анализа теплофизических свойств материалов и может быть использовано при определении коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопроводности теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер. Предложенный способ определения коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопроводности теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер методом замера фактических теплопотерь в стационарных условиях заключается в использовании установки, состоящей из участка трубопровода с нанесенным теплоизоляционным покрытием на основе полых микросфер, подключенного к нагревательному элементу, измерении температуры теплоносителя на входе участка t_вх, на выходе участка t_вых, температуры поверхности участка трубопровода τ, расходе воды через испытуемый участок G_вд, определении фактических тепловых потерь Q, коэффициента теплоотдачи α_теп и коэффициента теплопроводности λ_теп по расчетным формулам. Технический результат - метод позволяет с высокой степенью точности определять коэффициент теплоотдачи и коэффициент теплопроводности теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер в стационарных условиях при проведении исследований теплофизических характеристик материалов, исключая влияние внешних факторов, позволяя производить замеры в широком диапазоне температур нагрева поверхности испытуемого образца от +1°С до +200°С, а также дает возможность определять фактические теплопотери на существующих эксплуатируемых магистральных тепло- и трубопроводах, теплоизолированных покрытиями на основе полых микросфер. 2 ил.

Способ определения коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопроводности теплоизоляционных покрытий на основе полых микросфер методом замера фактических теплопотерь в стационарных условиях заключается в использовании установки, состоящей из участка трубопровода с нанесенным теплоизоляционным покрытием на основе полых микросфер, подключенного к нагревательному элементу, измерении температуры теплоносителя на входе участка t_вх, на выходе участка t_вых, температуры поверхности участка трубопровода τ, расходе воды через испытуемый участок G_вд, определении фактических тепловых потерь Q, коэффициента теплоотдачи α_теп и коэффициента теплопроводности λ_теп по расчетным формулам:

где

Q - фактические теплопотери участка трубопровода;

с_вд - удельная теплоемкость воды (с_вд = 4,187 Дж/(кг⋅°С));

t_вх - температура теплоносителя на входе участка;

t_вых - температура теплоносителя на выходе участка;

G_вд - расход воды через испытуемый участок трубопровода,

где

- длина испытуемого участка трубопровода;

d - диаметр трубы;

τ - температура поверхности участка поверхности трубопровода;

t_возд - температура окружающей среды в помещении,

где

δ - толщина теплоизоляционного покрытия на основе полых микросфер;

t_в - температура теплоносителя в трубопроводе (среднее значение).