СПОСОБ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
PROCEDURE FOR RE-DISTRIBUTION OF CONSTITUENTS OF HEAT FLOW

Изобретение относится к области теплофизики, в частности к возможности перераспределения конвективной и радиационной составляющей потоков тепловой энергии или использования эффекта перераспределения составляющих теплового потока для изменения количества энергии, передаваемой, по меньшей мере, одной средой, по меньшей мере, одной другой среде как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения количества передаваемой энергии. В данном случае под понятием среды подразумеваются жидкие, газообразные твердотельные образования или их комбинации, например дисперсные среды. В качестве среды, которой передается и/или из которой поступает (тепловая) энергия, также может являться вакуум.
Изобретение может быть использовано при строительстве и эксплуатации трубопроводов и тепловых сетей, теплоизоляции зданий и сооружений снижения или увеличения тепловых потоков через различные элементы конструкций, например стенки металлических емкостей, поверхностей теплообмена, внешней поверхности приборов отопления и тому подобное.
В настоящее время так называемые «теплоизолирующие покрытия», содержащие полые микросферы, изготавливаются целым рядом отечественных и зарубежных производителей. Авторами были проведены более двадцати серий экспериментов, целью которых являлось выявление покрытия, содержащего полые микросферы, обладающего наилучшими теплоизолирующими свойствами. В ходе проведения экспериментов был выявлен следующий факт: в ряде случаев использование покрытий, содержащих микросферы, может приводить не к снижению тепловых потерь, а, напротив, к их увеличению.
Эффект увеличения тепловых потерь наблюдался, например, при нанесении покрытий, содержащих стеклянные микросферы на емкости, изготовленные из алюминия. Сравнительные измерения производились двухканальным измерителем-регулятором температуры. Сущность методики проведенных экспериментов заключалась в одновременном (параллельном) сравнении (мониторинге) скоростей охлаждения двух аналогичных по типоразмеру образцов, на один из которых было нанесено покрытие, содержащее полые микросферы при отсутствии покрытия на втором образце.
С так называемой «обыденной точки зрения» эффект увеличения скорости охлаждения воды в алюминиевой емкости после нанесения на нее покрытия с микросферами выглядит аномальным явлением. «Аномальность» явления заключается в том, что после наполнения двух емкостей водой, имеющей температуру порядка 90°С, емкость, на которую предварительно было нанесено покрытие, содержащее полые микросферы, тактильно («на ощупь») ощущается «более холодной», чем поверхность емкости, на которой покрытие отсутствует. Явление увеличения тепловых потерь в случае наличия на алюминиевой емкости слоя покрытия, содержащего полые микросферы, выглядит «аномально» еще и на том фоне, что сразу несколько производителей покрытий, содержащих микросферы, заявляют коэффициент теплопроводности подобных покрытий на уровне 0.001-0.005 Вт/м·К. С точки зрения возможностей снижения тепловых потерь подобные (0.001-0.005 Вт/м·К) значения коэффициента теплопроводности в десять и более раз ниже (более низкое значение коэффициента теплопроводности означает более высокую эффективность материала как теплоизолятора), чем, например, аналогичный показатель для пенополиуретана, который в настоящее время широко используется для целей теплоизоляции трубопроводных коммуникаций.
В качестве наглядной демонстрации «аномально низкого» коэффициента теплопроводности покрытий, содержащих микросферы, отдельные представители производителей или поставщиков покрытий, содержащих микросферы, достаточно часто ссылаются на результаты следующего «физического опыта»: на металлическую поверхность нагревательного элемента электрической плиты, предназначенной, например, для приготовления пищи, разогретую до температуры порядка 170°С, помешается, например, прямоугольная пластина «теплоизолирующего материала» толщиной порядка одного миллиметра (или немногим более того). Если на разогретую до температуры выше температуры кипения поверхность нагревательного элемента электроплиты поместить каплю воды, то вода практически сразу закипает и быстро испаряется, в то же время капля воды, помещенная на поверхность «теплоизолирующего материала с микросферами», не закипает.
Интерпретация результатов вышеописанного эксперимента с применением так называемого «классического подхода» должна приводить к выводу о том, что температура поверхности «теплоизолирующего материала» заведомо ниже температуры кипения воды и применение подобных материалов должно способствовать существенному снижению тепловых потерь. В то же время результаты измерения скорости охлаждения образцов с нанесенными покрытиями, содержащими микросферы, показывают, что в целом ряде случаев наблюдаемое снижение тепловых потерь являемся заметно менее значительным, чем, например, при использовании слоя пенополиуретана толщиной всего в 3 мм, а в отдельных случаях происходит не снижение, а увеличение величины тепловых потерь.
Поскольку структура содержащихся в покрытиях микросфер одновременно напоминает модель абсолютно черного тела и разрез многослойного оптического волновода, авторами было сделано предположение о том, что в покрытиях, содержащих микросферы, могут происходить процессы, приводящие к изменению структуры теплового потока с уменьшением конвективной и увеличением радиационной составляющих переноса энергии.
Для проверки гипотезы о перераспределении конвективной и радиационной составляющих авторами был поставлен опыт, сходный с вышеописанной схемой размещения прямоугольного образца покрытия на металлической поверхности нагревательного элемента электрической плиты. Поверхность нагревательного элемента плиты была разогрета до температуры порядка 170°С, кипения капли воды на поверхности покрытия с микросферами, размещенного на нагревательном элементе, не происходило до того момента, пока капля не была накрыта алюминиевой фольгой. После «накрытия» капли куском фольги вода закипела и испарилась. Как известно из уровня техники, тонкий слой воды является достаточно прозрачным для инфракрасного излучения, а алюминиевая фольга - это хороший отражатель инфракрасного излучения. Измерение температуры «разлитой» на поверхности покрытия воды контактным способом (с помощью термопары) показало значение температуры 64°С (без наличия алюминиевой фольги). В том случае, если при расчетах коэффициента теплопроводности тонкого слоя покрытия, содержащего микросферы (толщиной порядка 1 мм), принять значение телоперепада 106°С (170-64), то расчетный коэффициент теплопроводности действительно будет иметь аномально низкое значение, близкое к тем величинам, которые заявляют отдельные производители и поставщики покрытий, содержащих микросферы, но в то же время вследствие специфичности процессов теплопереноса в покрытиях, содержащих микросферы, этот «расчетный коэффициент» не может являться однозначным ориентиром для оценки снижения тепловых потерь, тем более, как уже упоминалось ранее, в некоторых случаях применение подобных покрытий приводит не к снижению, а, напротив, к увеличению тепловых потерь.
Достоверное и исчерпывающее объяснение явления перераспределения конвективной и радиационной составляющей процесса теплопереноса в покрытиях, содержащих микросферы, по мнению авторов, возможно только с привлечением альтернативной модели такого понятия, как «температура», значение которой согласно общепринятым представлениям является «мерой внутренней энергии вещества».
Поскольку представления авторов о природе внутренней энергии того, что общепринято называть «веществом», существенно отличается от бытующих и общепризнанных, подробное изложение этих представлений в рамках данного реферата, с точки зрения авторов, не будет являться полностью корректным подходом к аргументации претензии на техническую новизну.
В данном случае (опять же по мнению авторов) вполне достаточна констатация того факта, что применение полых микросфер, распределенных в неком связующем их (микросферы) субстрате, по меньшей мере, в ряде случаев способно приводить к существенному перераспределению весовых долей конвективной и радиационной составляющих процесса переноса энергии.
Наличие процессов перераспределения весовых долей конвективной и радиационной (волновой) составляющих (в пользу последней) переноса энергии в случае покрытий, содержащих полые микросферы, в состоянии объяснить тот факт, что при нанесении покрытия на некую «горячую поверхность» даже при увеличении суммарного потока энергии через эту поверхность тактильно («на ощупь») поверхность «кажется более холодной» - конвективная составляющая процесса теплопереноса действительно заметно снижается, в то же время для радиационной (волновой) составляющей человеческое тело является проницаемым на некоторую глубину - выделение тепла происходит во внутреннем объеме человеческого тела, например, в прислоненной к поверхности кисти руки. Из уровня техники известно, что объемное выделение тепла является менее энергонапряженным процессом, чем выделение точно такого же количества тепла на поверхности, ограничивающей всю часть соответствующего объема (подобное следует и из геометрических соображений).
Меньшая энергонапряженность процесса тепловыделения предполагает, что «локальная температура» в единичном объеме ниже, чем в случае, когда точно такое же количество тепла выделяется на тонком слое поверхности, «локальная температура» воспринимается рецепторами нервных окончаний, расположенных, например, в кисти руки человека.
Таким образом, в некоторых случаях, когда покрытия с микросферами снижают суммарный поток тепловой энергии незначительно или даже способствуют увеличению тепловых потерь тактильно («на ощупь»), поверхность «ощущается менее горячей». Последнее обстоятельство вводит «тактильного наблюдателя» в заблуждение о том, что покрытия с микросферами являются весьма эффективным теплоизолирующим материалом. В то же время инструментальные измерения показывают: покрытия, содержащие полые микросферы, далеко не во всех случаях могут выступать в качестве «теплоизолирующих материалов», несмотря на то, что после нанесения подобных покрытий «тактильно» поверхности «ощущаются менее горячими».
В ходе проведения экспериментов с покрытиями, содержащими микросферы, авторами были отмечены признаки корреляции эффекта снижения тепловых потерь с излучающей способностью поверхностей, на которые наносились покрытия. Так, например, при сравнительном мониторинге охлаждения бетонных блоков в морозильной камере отмечалось заметное снижение скорости охлаждения бетонных блоков с нанесенным покрытием по сравнению с теми блоками, на которых покрытие отсутствовало. График мониторинга охлаждения бетонных блоков с нанесенным покрытием и без покрытия представлен на фиг.1, линия обозначенная цифрой 1, - образец с покрытием, линия, обозначенная цифрой 2, - образец без покрытия (во время проведения опыта средняя температура воздуха в морозильной камере бытового холодильника составляла -16,5°С). В то же время при нанесении покрытия на поверхности образцов из алюминия скорость охлаждения образцов не снижалась, а увеличивалась. Один из графиков мониторинга охлаждения образцов с поверхностью, выполненной из алюминия, представлен на фиг.2, линия, обозначенная цифрой 1, - образец с покрытием, линия, обозначенная цифрой 2, - образец без покрытия). Как известно из уровня техники, алюминий обладает гораздо более низкой излучающей способностью, чем бетон или кирпич.
Несмотря на тот факт, что в том виде, в котором покрытия на основе микросфер используются в настоящее время, эти покрытия в целом ряде случаев не могут выступать в качестве достаточно эффективных теплоизолирующих материалов, явление изменения соотношения конвективной и радиационной составляющих процесса теплопереноса, в целом ряде случаев, возможно использовать, например, с целью снижения себестоимости теплоизоляции трубопроводов.
Из уровня техники известно, что теплоизоляционные материалы обладают ограниченной термостойкостью. Так, например, вспененный полиэтилен, который как теплоизолятор имеет весьма привлекательное соотношение себестоимости и долговечности, начинает размягчаться при температуре, близкой к 95°С, а во вспененном пенополиуретане термодеструктивные процессы (изменение химического состава) имеют место при температуре порядка 150°С. С дальнейшим повышением температуры поверхности для ее надежной и, что немаловажно, долговечной теплоизоляции требуются все более дорогостоящие теплоизоляционные материалы.
Одной из возможностей снижения себестоимости теплоизоляции трубопроводов является применение так называемого «защитного слоя», состоящего из материала, который способен длительное время сохранять (без разрушения или изменения химического состава) свои теплоизолирующие свойства при более высокой температуре, чем теплоизоляционные материалы, накладываемые поверх «защитного слоя». При использовании комбинированной теплоизоляции, например, на горячем трубопроводе толщину «защитного слоя» выбирают исходя из условия того, чтобы температура на границе раздела защитного слоя и менее стойкого теплоизоляционного материала, накладываемого поверх «защитного слоя», не превышала максимального значения «рабочей температуры» теплоизолирующего материала, накладываемого поверх защитного слоя.
Применение более дорогостоящего (по удельной стоимости расходных материалов) «защитного слоя» в целом ряде случаев позволяет существенно удешевить расходы на теплоизоляцию, поскольку накладываемый поверх «защитного слоя» менее стойкий к температурному воздействию материал, как правило, имеет заметно более низкую удельную стоимость при сравнимых или даже более высоких теплоизолирующих свойствах.
Опыты, проведенные авторами, в которых измерения скорости изменения температуры осуществлялись на охлаждаемых или нагреваемых моделях, изготовленных из различных материалов с нанесением на поверхности моделей нескольких (двух и более) слоев, состоящих из покрытий с микросферами, и слоев алюминиевой фольги или акрилового лака, содержащего алюминиевую пудру, показали, что в целом ряде случаев применение подобных технических решений в состоянии заметно увеличить эффективность покрытий, содержащих микросферы как теплоизолирующего или, по меньшей мере, защитного материала («защитного слоя»).
Так, например, использование трех слоев покрытия с микросферами, нанесенных по схеме: слой покрытия, слой акрилового лака, содержащего алюминиевую пудру, слой покрытия, слой лака с алюминиевой пудрой, затем слой покрытия и финишный слой акрилового лака с алюминиевой пудрой, позволило снизить температуру между полученным «защитным слоем» и слоем вспененного полиэтилена толщиной 5 мм на величину порядка 17°С по сравнению с тем случаем, когда между поверхностью металлической гильзы, в которой осуществлялось кипячение воды, и теплоизолирующего материала (вспененного полиэтилена), нанесенного на поверхность гильзы, отсутствовал какой-либо защитный слой. В процессе кипячения воды температура на поверхности гильзы с размещенным на этой гильзе слоем вспененного полиэтилена (в отсутствие защитного слоя) превышала допустимую долговременную температуру эксплуатации теплоизолирующего материала.
Привлекательность покрытий с микросферами в качестве одного из компонентов защитного слоя заключается в том, что, например, стеклянные микросферы имеют термическую стойкость порядка 600°С, применение в качестве связующей композиции кремнийорганических соединений, имеющих примерно такую же, как и стеклянные микросферы, термическую стойкость, позволит получать защитные покрытия с относительно высокой температурой эксплуатации.
Для подтверждения возможности увеличения эффективности (как теплоизоляционного и защитного материала) покрытий, содержащих микросферы, авторами был проведен эксперимент с мониторингом параллельного охлаждения одновременно двух образцов при одинаковых условиях (в одной камере охлаждения): образец №1 являлся бетонным блоком (120×120×110 мм) с размещенных в его геометрическом центре измерительным терморезистором, на поверхность блока было нанесено покрытие, содержащее микросферы, образец №2 отличался от образца №1 тем, что поверх нанесенного покрытия с микросферами дополнительно был нанесен слой акрилового лака, содержащего алюминиевую пудру (тонко измельченный алюминий).
Результаты мониторинга показали, что скорость охлаждения блока, имеющего дополнительный слой из акрилового лака с алюминиевой пудрой, более чем в 1.9 раза ниже, чем скорость охлаждения блока, не имеющего финишного покрытия, состоящего из акрилового лака с внесенной в него алюминиевой пудрой. Графики изменения температуры в геометрических центрах бетонных блоков с комбинированным покрытием (линия 2) и блока только с покрытием, содержащим микросферы (линия 1), приведен на фиг.3, перед охлаждением блоки были подвергнуты нагреву в электрической печи. Из графика, представленного на фиг.3, видно, что блок, на котором имелось только покрытие, содержащее микросферы (при прочих равных условиях), нагрелся до более высокой температуры, чем блок с комбинированным покрытием, - этот факт служит дополнительной наглядным подтверждением, что теплоизолирующие свойства комбинированного покрытия заведомо выше.
Мониторинг осуществлялся при помощи измерителя-регулятора температуры ИРТ-4/2 (версия 1.3), класс точности прибора 0.1, прибор имеет сертификат об утверждении типа средства измерения, выданный «Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии» (RU. C.32.083.A №25890), к моменту проведения эксперимента свидетельство о поверке прибора было действительно (выдано 11.07.2009 г. действительно до 11.07.2010 г.). Свидетельство о поверке прибора ИРТ-4/2 (№03-154831128) выдано ФГУ «Менделеевский ЦМС».
Представленные на фиг.1, 2, 3 графики построены в автоматическом режиме: данные передавались на персональный компьютер и обрабатывались при помощи программного обеспечения, поставленного в комплекте с прибором ИРТ-4/2. Периодически (непосредственно после проведения измерений или между проведением измерений) прибор ИРТ-4/2 дополнительно поверялся методом погружения подключенных к нему терморезисторов (по одному на каждый канал измерения) в лабораторный термостат - разница между показаниями термометра термостата и прибора (для каждого из двух зондов с терморезисторами) не составила более 0.5°С.
После осуществления сравнительного мониторинга нескольких циклов нагрева - охлаждения бетонных блоков с обычным и комбинированным покрытием - авторами были проведены шесть серий измерений, которые подтвердили возможность заметного снижения тепловых потерь при использовании комбинированного варианта покрытия (покрытие с микросферами и дополнительный слой, состоящий из лака с алюминиевой пудрой или алюминиевой фольги).
Так, например, при нанесении комбинированного покрытия на поверхность образцов из алюминия скорость их охлаждения снижается, а не увеличивается, как это происходит в случае отсутствия отражающего слоя, названного в изложении сущности изобретения «дополнительным слоем».
Такое наименование как «дополнительный слой», а, например, не «теплоотражающий слой» (или экран) выбрано по той причине, что заявленный в описании сущности изобретения технический результат может быть достигнут не только применением теплоотражающих, но и теплопоглощающих слоев, а также слоев, изготовленных из материалов с низкой излучающей и/или поглощающей способностью. Дополнительный слой может являться и одновременно несущим, например, в случае нанесения покрытий, содержащих микросферы на поверхности приборов отопления. Как уже упоминалось ранее, при нанесении покрытий, содержащих микросферы, на поверхность из алюминия, наряду с перераспределением потока тепловой энергии в сторону существенного увеличения инфракрасной составляющей теплопереноса, происходит заметное повышение суммарного количества энергии, передаваемой через единицу площади теплообменной поверхности. Подобный эффект может быть использован для увеличения площади комфортной зоной в отапливаемых помещениях с одновременным снижением количества тепловой энергии, расходуемой на цели теплоснабжения. В случае радиатора отопления, поверхность которого изготовлена из алюминия, применение покрытия с микросферами позволяет частично компенсировать низкую степень излучения алюминия (радиаторную способность), одновременно высокая отражательная способность алюминия способствует тому, что «сгенерированное» покрытием инфракрасное излучение (предположительно) отражается на границе раздела сред покрытие - алюминиевая поверхность. Таким образом, вероятно, что в случае радиатора отопления, изготовленного из алюминия в качестве «дополнительного рабочего слоя», выступает поверхность с высокой отражающей способностью. В случае, например, стальных или чугунных радиаторов отопления для воссоздания вышеописанного эффекта возможно использование в качестве «дополнительного рабочего слоя» алюминиевой фольги или, что более технологично, слоя связующей композиции, содержащей порошок металла, обладающего высокой степенью отражения инфракрасного излучения, например алюминиевой пудры. Аналогичный подход может быть использован и в случае необходимости избежания процесса интенсивного образования конденсата на поверхности труб, по которым транспортируются жидкости с относительно низкой температурой.
Одна из возможностей применения дополнительного поглощающего слоя совместно со слоем, содержащим полые микросферы, может быть использована, например, в случае теплообменника «труба в трубе». Существуют технологические процессы, в которых, наряду с необходимостью интенсивного теплообмена, необходимо соблюдать требование к тому, чтобы локальная температура, например, на стенке теплопередающей поверхности не превышала некоторую заданную величину, например, перегрев жидкости в неком объеме может привести к началу термодеструктивных процессов, коагуляции, нежелательной полимеризации и т.п. Для снижения вероятности перегрева жидкости, к которой подводится тепло в теплообменном аппарате типа «труба в трубе», возможно использовать, например, следующее техническое решение: нанесение на внешнюю сторону внутренней трубы (по которой движется обогревающий теплоноситель) покрытия, содержащего полые микросферы, а на внутреннюю поверхность внешней трубы нанесение «дополнительного рабочего слоя», способного интенсивно поглощать излучение покрытия. В том случае, если обогреваемая среда будет обладать значительной проницаемостью для излучаемой покрытием волновой составляющей энергии, тепловыделение (подвод тепловой энергии) будет происходить не только на поверхности внутренней (греющей) трубы, но и на поверхности «дополнительного слоя», располагаемого на внутренней поверхности внешней трубы. Такое техническое решение позволит существенно увеличить поверхность теплообмена при одновременном снижении максимальной «локальной температуры» в объеме нагреваемого сырья (например, жидкости), что приведет к устранению или, по меньшей мере, к снижению вероятности локального перегрева. В том случае, когда нагреваемая среда обладает выраженной способностью к поглощению излучения покрытия, эта среда может выступать в качестве дополнительного слоя. Для регулирования степени поглощения в нагреваемую среду возможно введение, например, дисперсных частиц, обладающих высокой степенью поглощения излучения, испускаемого покрытием, содержащим микросферы. Согласно сущности изобретения вышеупомянутые частицы будут выступать в качестве дополнительного слоя.
Согласно представлениям авторов о сущности явления существенного снижения потока тепловой энергии через слой покрытия, содержащего полые микросферы при использовании дополнительного слоя алюминиевой фольги или акрилового лака, содержащего алюминиевую пудру, в таком снижении теплового потока заметную роль играет процесс отражения «генерируемой» покрытием инфракрасной составляющей тепловой энергии на фоне достаточно высокой проницаемости тонких слоев покрытий, содержащих микросферы для «генерируемого» этими покрытиями инфракрасного излучения. В соответствии с подобными представлениями вполне логично предположение о том, что степень излучения/отражения поверхности, на которое наносится покрытие, должна оказывать заметное влияние на эффекты изменения суммарного количества энергии, передаваемой через «сандвич», состоящий из покрытия с микросферами и теплоотражающего слоя, изготовленного, например, из алюминиевой фольги. Как уже отмечалось ранее, авторами была отмечена корреляция эффекта изменения суммарного теплового потока в зависимости от излучающей или отражающей способности поверхностей, на которые наносились покрытия.
Таким образом, можно говорить о том, что в ходе проведения экспериментов авторами была выявлена возможность регулирования суммарного потока тепловой энергии методом изменения степени черноты или отражающей способности поверхности, на которую наносится покрытие с микросферами совместно с теплоотражающим слоем. В процессе проведения опытов с покрытиями, содержащими полые стеклянные микросферы, авторами была выявлена возможность улучшения теплоизолирующих свойств покрытий при использовании многослойных «сэндвичей», состоящих из покрытий, содержащих микросферы отражающих экранов и слоев, например, акрилового лака, в состав которого дополнительно вводятся пигменты с высокой степенью поглощения инфракрасного излучения. В опытах по изучению последствий совместного использования покрытий, содержащих микросферы отражающих и поглощающих экранов, в качестве материала для поглощающих экранов была использована смесь акрилового лака с пигментами, обладающими высокой поглощающей способностью (в частности, с сажей).
Достаточно заметное позитивное влияние на увеличения эффекта использования покрытий с микросферами и дополнительных теплоотражающих/теплопоглощающих слоев оказывает применение дополнительных слоев, состоящих из стеклоткани. Учитывая тот факт, что по своим оптическим (стекло) и геометрическим (тонкие нити) характеристикам стеклянные микросферы и тонкие нити стекловолокна достаточно близки, существует возможность того, что в случае использования в качестве дополнительного слоя материалов, состоящих из стеклянных волокон, имеет место, по меньшей мере, один синергетический эффект. Учитывая возможность синергетического влияния и зависимости величины эффекта снижения теплового потока от соотношения степени преломления между нитями стекловолокон и воздухом, а также материалом микросфер и материалом связующей субстанции, следует полагать, что аппретирование и/или нанесение на внешнюю и/или внутреннюю поверхности микросфер слоев материалов с отличным коэффициентом преломления (нежели чем материал микросфер и материал, например, связующей субстанции), по меньшей мере, в ограниченной части инфракрасного спектра в состоянии приводить к заметным, по меньшей мере, на фоне погрешностей измерений эффектам изменения теплового потока. Из уровня техники известно, что целый ряд материалов обладает свойствами прозрачности для инфракрасного излучения только в ограниченном диапазоне инфракрасного диапазона. Не стоит исключать возможности, что изменение оптических свойств поверхности микросфер и связующей их субстанции, например, в плане соотношения коэффициентов преломления имеет не только теоретическое, но и прикладное значение.
Поскольку существует вероятность того факта, что проницаемость слоев, содержащих микросферы (для инфракрасного излучения), а также частотные характеристики генерируемого этими слоями инфракрасного излучения в значительной степени связаны с геометрическими (характеристическими) размерами микросфер, не стоит исключать возможности существенной зависимости наблюдаемых эффектов от степени классификации микросфер. Под степенью классификации в данном случае понимаются степень отклонения от определенного фиксированного размера, возможно, связанного с частотным спектром (пере) излучения. В данном случае имеется прямая аналогия с эффектом просветления оптики, когда на поверхность линз наносится тонкий слой материала с отличным от материала линз коэффициентом преломления, аналогичную роль может играть фактор классификации толщины стенок микросфер, когда толщина этих стенок кратна частоте «генерируемого» инфракрасного излучения. Не исключена также вероятность того, что в случае совместного использования слоев, содержащих, например, стеклянные микросферы, и слоев из материалов, включающих в свой состав стеклянные волокна, например, стеклоткани, степень классификации волокон стеклоткани также оказывает заметное влияние на изменение суммарного количества энергии или перераспределение составляющих потока тепловой энергии.
Известно антикоррозионное и теплоизоляционное покрытие на основе полых микросфер (патент РФ №2251563, опубликовано 10.05.1996).
3
Согласно патенту №2251563 антикоррозионное и теплоизоляционное покрытие на основе полых микросфер содержит 10-90 об.% (со)полимера, выбранного из группы: гомополимер акрилата, стиролакрилатный сополимер, бутадиенстирольный сополимер, полистирол, бутадиеновый полимер, полихлорвиниловый полимер, полиуретановый полимер, полимер или сополимер винилацетата или их смеси. Связующее содержит также 10-90об.% смеси воды и поверхностно-активного вещества. Полые микросферы имеют размер 10-500 мкм и насыпную плотность 50-650 кг/м. Выбраны из группы: стеклянные, керамические, полимерные, зольные или их смеси. Технический результат состоит в повышении степени антикоррозионной и теплоизоляционной защиты покрываемой поверхности, в повышении адгезии.
Антикоррозионное и теплоизоляционное покрытие, изготовленное согласно рецепту, приведенному в патенте РФ №2251563, при применении такого покрытия без, по меньшей мере, одного вспомогательного, например, теплоотражающего слоя не в состоянии обеспечить при нанесении слоем в несколько миллиметров эффективной тепловой защиты и не может выступать в качестве эффективного защитного слоя при использовании совместно с традиционными теплоизолирующими материалами. Дополнительно не указана возможность перераспределения конвективной и радиационной составляющих теплового потока при увеличении или незначительном снижении суммарного количества энергии, передаваемой через поверхность теплообмена.
Известны связующая композиция, содержащая аэрогель и полые частицы, изоляционный композитный материал, и способ их приготовления (патент РФ №2315071, опубликовано 20.01.2008).
Изобретение относится к связующей композиции, содержащей водное связующее, гидрофобные частицы аэрогеля и полые непористые частицы. Раскрыты также изоляционный композитный материал, содержащий нижний слой, содержащий связующую композицию с гидрофобным аэрогелем и полыми частицами и защитный слой; основа, содержащая связующую композицию с аэрогелем и полыми частицами; способы получения связующей композиции с аэрогелем и полыми частицами. Изоляционный композитный материал и связующая композиция с аэрогелем и полыми частицами могут использоваться для изоляции, например, деталей моторизованных транспортных средств или приборов с обеспечением термостойкости, механической прочности и/или гибкости в способе нанесения.
Изоляционный материал, изготовленный на основе связующей композиции, содержащей аэрогель с размещаемыми в этой композиции полымии микросферами и частицами аэрогеля, описанный в патент РФ 2315071, при применении без, по меньшей мере, одного вспомогательного, например, теплоотражающего слоя не в состоянии обеспечить при нанесении слоем в несколько миллиметров эффективной тепловой защиты и не может выступать в качестве эффективного защитного слоя при использовании совместно с традиционными теплоизолирующими материалами. Не указана возможность перераспределения конвективной и радиационной составляющих теплового потока при увеличении или незначительном снижении суммарного количества энергии, передаваемой через поверхность теплообмена.
Известно покрытие жидкокерамическое изоляционное (патент РФ 2342415, опубликовано 27.12.2008).
Покрытие жидкокерамическое изоляционное относится к покрытиям, имеющим способность к образованию защитной пленки на поверхностях любых форм и материалов, в частности, для покрытия трубопроводов, а также строительных конструкций зданий и сооружений. Жидкое керамическое изоляционное покрытие представляет собой водно-суспензионную композицию, включающую смесь заполненных воздухом полых керамических и кремниевых микросфер, полимерное связующее - акриловый латекс, пеногаситель Sotro-145, представляющий собой безводную композицию неионогенных поверхностно-активных веществ, кремнийорганической жидкости и активных добавок, консервант - бактерицидный препарат, представляющий собой продукт взаимодействия моноэтаноламина и параформа, пигмент - двуокись титана, антикоррозионный пигмент - фосфат цинка, в качестве диспергатора полимерную добавку Verowett 8004, акриловую сополимерную эмульсию в воде в качестве загустителя, воду, при этом дополнительно содержит фрактальные агрегаты - сильно разрыхленные пористые структуры в виде аэрогеля, вермикулита вспученного и перлита вспученного, гидрофобизатор и наполнитель - сажу белую. Согласно заявленному техническому результату жидкое керамическое изоляционное покрытие обладает улучшенными эксплуатационными функциями теплоизоляции, шумопоглощения и износостойкости.
Покрытие жидкокерамическое изоляционное состав которого приведен в патенте РФ 2342415, в случае его применения для целей теплоизоляции без дополнительного использования, по меньшей мере, одного вспомогательного, например, теплоотражающего слоя не в состоянии обеспечить при нанесении слоем в несколько миллиметров эффективной тепловой защиты и не может выступать в качестве эффективного защитного слоя при использовании совместно с традиционными теплоизолирующими материалами. Не указана возможность перераспределения конвективной и радиационной составляющих теплового потока при увеличении или незначительном снижении суммарного количества энергии, передаваемой через поверхность теплообмена.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявляемому изобретению выбраны комбинированное антикоррозионное покрытие для защиты трубных коммуникаций и арматуры в камерах теплопроводов и способ его нанесения. Комбинированное антикоррозионное покрытие описано в патенте РФ №2067718 (опубликовано 10.10.1996). Изобретение предлагается использовать в области строительства и эксплуатации трубопроводов и тепловых сетей. Сущность изобретения: в комбинированном антикоррозионном покрытии трубных коммуникаций и арматуры в камерах теплопроводов неметаллический слой выполнен из кремнийорганической смолы, а металлический - из алюминиевой фольги.
Причина того, что в качестве наиболее близкого аналога изобретения авторами были выбраны комбинированное антикоррозионное покрытие для защиты трубных коммуникаций и арматуры в камерах теплопроводов и способ его нанесения, состоит в том, что в случае патента РФ №2067718 полным аналогом «дополнительного слоя», заявленного в описании сущности изобретения, является алюминиевая фольга, нанесенная поверх слоя кремнийорганической смолы. Как упоминалось ранее, применение кремнийорганических связующих композиций, наряду со стеклянными полыми микросферами, позволяет получать защитные материалы с относительно высокой термической стойкостью.
Задачей изобретения является возможность обеспечения регулирования суммарного потока тепловой энергии.
Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что способ перераспределения составляющих теплового потока, при котором осуществляется изменение весовых долей конвективной и радиационной составляющих потока энергии, передаваемого через поверхность, разделяющую среды, включает применение в области границы раздела сред, по меньшей мере, одного слоя материала, включающего в свой состав полые микросферы.
А также тем, что, по меньшей мере, в одном слое, содержащем полые микросферы, они классифицированы с фиксированной точностью в диапазоне 0.000001-500 мкм по величине внешнего диаметра и/или классифицированы по толщине стенок микросфер с фиксированной точностью в диапазоне 0.000001-250 мкм.
Кроме того, дополнительно применяется, по меньшей мере, один слой теплоизолирующего материала, не содержащего микросферы.
Совместно с использованием, по меньшей мере, одного слоя материала, содержащего полые микросферы, используется, по меньшей мере, один слой материала, обладающий высокой степенью отражения инфракрасного излучения, по меньшей мере, в ограниченной части инфракрасного спектра,
Помимо использования, по меньшей мере, одного слоя материала, содержащего микросферы, применяется, по меньшей мере, один слой материала, обладающего высокой степенью поглощения инфракрасного излучения, по меньшей мере, в ограниченной части инфракрасного спектра.
Помимо, по меньшей мере, одного слоя материала, содержащего полые микросферы, применяется, по меньшей мере, один слой материала, обладающий высокой степенью отражения инфракрасного излучения, по меньшей мере, в ограниченной части инфракрасного спектра и, по меньшей мере, один слой материала, обладающий высокой степенью поглощения инфракрасного излучения, по меньшей мере, в ограниченной части инфракрасного спектра.
По меньшей мере, один слой, содержащий микросферы, является композитным материалом, состоящим из микросфер и связующей композиции.
При наличии, по меньшей мере, одного слоя композитного материала с микросферами материал подвергается, по меньшей мере, частичному вспениванию.
Связывание микросфер, по меньшей мере, в одном слое осуществляется посредством, по меньшей мере, частичного спекания.
В состав, по меньшей мере, одного из применяемых слоев вводятся антикоррозионные компоненты.
По меньшей мере, один из применяемых слоев является паро- и/или водонепроницаемым.
По меньшей мере, один из применяемых слоев обладает ограниченной паро- и/или водонепроницаемым.
Материалы всех применяемых слоев обладают паропроницаемостью.
При использовании двух и более слоев, содержащих микросферы, и при наличии, по меньшей мере, одного теплопотражающего и/или теплопоглощающего слоя, по меньшей мере, между двумя слоями материалов, содержащих микросферы, используется, по меньшей мере, один слой материала, содержащего волокна из материала прозрачного, по меньшей мере, в ограниченной части спектра инфракрасного излучения.
Микросферы перед включением в состав, по меньшей мере, одного используемого слоя предварительно подвергаются процессу аппретирования.
Микросферы перед включением в состав, по меньшей мере, одного из используемых слоев подвергаются процедуре нанесения слоя материала, обладающего отличным от материала микросфер коэффициентом преломления, по меньшей мере, в ограниченной области спектра инфракрасного диапазона.
По меньшей мере, в один из используемых слоев вводятся фрагменты, состоящие из теплоизолирующих материалов.
По меньшей мере, в один из используемых слоев вводятся компоненты, увеличивающие износостойкость
По меньшей мере, в один из используемых слоев вводятся компоненты, изменяющие фрикционные свойства.
По меньшей мере, в один из используемых слоев вводятся окрашивающие материалы.
В состав, по меньшей мере, одного из используемых слоев вводятся компоненты, увеличивающие стойкость к загрязнению.
В состав, по меньшей мере, одного из используемых слоев вводятся компоненты, изменяющие электростатические свойства.
В случае применения двух и более слоев материалов, по меньшей мере, в два слоя вводятся или антикоррозионные компоненты и/или компоненты, увеличивающие износостойкость, и/или компоненты, изменяющие фрикционные свойства, и/или компоненты, увеличивающие стойкость к загрязнению, и/или окрашивающие материалы, и/или фрагменты теплоизолирующих материалов, и/или компоненты, изменяющие электростатические свойства.
Проведение контрольных замеров позволило выявить тот факт, что нанесение кремнийорганического лака (без микросфер) на поверхность металлической гильзы с последующим финишным покрытием отвердевшего слоя лака тонким слоем точно такого же лака, содержащего алюминиевую пудру, снижает температуру на поверхности на несколько десятых долей градуса. Добавление в кремнийорганический лак стеклянных микросфер с последующим нанесением слоя лака, содержащего алюминиевую пудру, существенно увеличивает теплоизолирующий эффект.
В случае применения комбинированных покрытий, состоящих из слоев с микросферами и дополнительных слоев в качестве теплоизолирующего или защитного слоя на трубопроводах, целесообразно, по меньшей мере, в ближайший к поверхности теплоизолируемой трубы слой покрытия вводить антикоррозионные компоненты.
Для предотвращения попадания влаги на поверхность трубопровода также целесообразно, по меньшей мере, один из слоев комбинированного покрытия выполнять паро- и водонепроницаемым.
При использовании комбинированных покрытий на фасадах зданий желательно использовать связующие компоненты, обеспечивающие паропроницаемость, сравнимую с аналогичным показателем для фасадных красок (соблюдение требований по паропроницаемости).
При использовании на фасадах зданий желательно, чтобы внешний слой комбинированных покрытий мог быть подвергнут изменению цвета до желательного оттенка. Для возможности изменения цвета внешнего слоя до желательного оттенка поверх, например, теплоотражающего слоя может быть нанесен, например, дополнительный слой, состоящий из материала, сходного по своим физико-химическим свойствам с фасадными красками.
В качестве «дополнительного технологического слоя» может выступать также антикоррозионное покрытие, применение которого оказывает, например, нейтральное воздействие по отношению к эффектам увеличения или снижения теплового потока.
Для увеличения теплоизолирующего эффекта при комбинировании слоев на фасаде зданий в дополнительный технологический слой, подвергаемый изменению цвета, могут быть, например, «фрактально» введены фрагменты теплоизолирующих материалов, например вермикулита, аэрогеля или перлита, в этом случае технологический слой одновременно приобретет теплоизолирующие свойства.
Применение слоев с теплоизолирующими свойствами, но не содержащих микросферы, способно привести к увеличению теплоизолирующего эффекта не только при использовании в качестве финишного слоя, но и между слоями, содержащими микросферы, и теплоотражающими/поглощающими слоями. Одним из подобных материалов может являться, например, воздух, расположенный, например, в герметичном зазоре.
Существует также возможность применения микросфер без связующих компонентов, например, в насыпном виде между ограничивающими слой поверхностями. В ряде случаев применение микросфер в насыпном виде может являться неприемлемым или трудноприменимым, например, для целей снижения потерь тепла через ограждающие конструкции зданий, в подобных случаях слои, содержащие микросферы, целесообразно выполнять в виде композитных материалов: микросферы и связующая их субстанция, например акриловый лак.
Одной из возможностей связывания микросфер, по меньшей мере, в одном слое может быть, например, по меньшей мере, частичное спекание.
В качестве одной из возможностей снижения себестоимости расходных материалов для получения, по меньшей мере, одного слоя, содержащего микросферы, может быть использовано, по меньшей мере, частичное вспенивание композитного материала с микросферами.
При использовании различных комбинаций слоев, содержащих микросферы с теплоотражающими и/или теплопоглощающими слоями, а также материалами, обладающими теплоизолирующими свойствами в условиях частого соприкосновения, например, со случайными предметами, целесообразно вводить, по меньшей мере, в финишный слой компоненты, увеличивающие стойкость к истиранию или изменяющие фрикционные свойства внешнего слоя.
При использовании различных комбинаций слоев, содержащих микросферы с теплоотражающими и/или теплопоглощающими слоями, а также материалами, обладающими теплоизолирующими свойствами, на фасадах зданий или, например, в условиях повышенной запыленности возможно добавление, по меньшей мере, в финишный слой компонентов, снижающих или предотвращающих налипание пылевидных частиц или иных загрязнителей. При необходимости, например, избегания нежелательных электростатических разрядов в, по меньшей мере, один из применяемых слоев могут быть введены компоненты, изменяющие электростатические свойства применяемых материалов.
Применение теплоизоляционного материала совместно только с одним слоем, содержащим полые микросферы, позволяет, например, регулировать необходимое значение величины волновой составляющей теплового потока.
Техническим результатом является изменение соотношения конвективной и радиационной составляющей на фоне суммарного количества тепловой энергии, передаваемой через поверхность теплообмена, либо использование эффекта перераспределения конвективной и радиационной составляющих теплового потока для заметного снижения суммарного количества энергии, передаваемой через поверхность.