СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОЙ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ НА ПОВЕРХНОСТИ ПЛОСКОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛОТЫ
METHOD FOR DETERMINING FACTOR OF THERMAL CONDUCTIVITY LIQUID THERMAL ISOLATION ON SURFACE OF FLAT HEATING SOURCE

Изобретение относится к стационарным способам определения коэффициента теплопроводности жидких теплоизоляционных материалов. Разработанный способ может применяться в строительстве и теплоэнергетике для исследования теплопроводных качеств сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий на поверхностях плоских источников теплоты.
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 известной толщины на внешнюю поверхность образца и повторно проводят 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 [патент РФ 2426106, кл. G01N 25/18, 2011].
К недостаткам данного способа можно отнести использование большого количества элементов: нагревателя, вентиляционного канала, компрессора, инфракрасного прозрачного стекла, компьютерных термографов, а также достаточно сложный порядок выполнения расчета: определение по результатам первого этапа измерений по уравнению теплового баланса коэффициента теплоотдачи между образцом и холодным циркулирующим воздухом в вентиляционном канале, нахождение по результатам второго этапа измерений температуры на границе образца и теплозащитного покрытия, что является весьма затруднительным с технической точки зрения, итоговое вычисление локальных и среднеинтегрального 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 с равным коэффициентом теплопроводности материала, нагревают с помощью плоского терморегулируемого источника теплоты и измеряют температуру поверхности источника теплоты, а также температуру между слоями. Температуру наружной поверхности верхнего слоя определяют расчетным способом. На втором этапе на наружной поверхности плоскопараллельной стенки закрепляют металлическую пластину известной толщины с известным коэффициентом теплопроводности. Далее на наружную поверхность металлической пластины наносят слой сверхтонкого жидкого теплоизоляционного покрытия известной толщины и измеряют 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 [патент РФ 2478936, кл. G01N 25/18, G01N 25/20, 2013].
К недостаткам данного способа можно отнести использование большого количества элементов: терморегулируемого источника теплоты, двух слоев плоскопараллельной стенки, металлической пластины, а также применение контактных измерителей температуры, расположенных между соседними слоями измерительной системы и искажающих ее стационарное температурное поле. Сложность способа также заключается в необходимости априорного знания значений коэффициентов теплопроводности двухслойной плоскопараллельной стенки и металлической пластины. 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 на поверхности плоского источника теплоты.
Поставленная цель достигается тем, что слой жидкой тепловой изоляции известной толщины локально наносят на поверхность плоского источника теплоты. Производят отдельно измерения температуры поверхности плоского источника теплоты, температуры поверхности теплоизолированного участка и температуры окружающей среды. По известным значениям температуры поверхности плоского источника теплоты, температуры поверхности теплоизолированного участка и температуры окружающей среды, а также по известной толщине слоя тепловой изоляции вычисляют по специальной расчетной формуле в зависимости от расположения в пространстве поверхности плоского источника теплоты коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции.
На фиг. 1 показана принципиальная схема реализации способа определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции на поверхности плоского источника теплоты.
1
c2
в
На фиг. 2 показан график для определения коэффициента теплоотдачи α в зависимости от температуры поверхности теплоизолированного участка t и температуры окружающей среды t при вертикальном расположении в пространстве поверхности плоского источника теплоты.
2
c2
в
На фиг. 3 показан график для определения коэффициента теплоотдачи α в зависимости от температуры поверхности теплоизолированного участка t и температуры окружающей среды t при горизонтальном расположении в пространстве поверхности плоского источника теплоты.
На фиг. 4 показан пример конкретной реализации способа определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции на поверхности плоского источника теплоты (на примере конфорки электрической плитки).
На фиг. 5 показано тепловое изображение (термограмма) поверхности плоского источника теплоты и поверхности теплоизолированного участка при стационарном тепловом режиме (на примере конфорки электрической плитки).
из
c1
c2
в
На поверхности плоского источника теплоты 1 локально расположен слой жидкой тепловой изоляции 2 толщиной δ (фиг. 1). Температура поверхности плоского источника теплоты 1 равна t, температура поверхности теплоизолированного участка - t и температура окружающей среды - t. Тепловой режим поверхности плоского источника теплоты 1 и поверхности теплоизолированного участка 2 стационарный.
Устройство для реализации предложенного способа работает следующим образом (фиг. 1).
c1
c2
в
При стационарном тепловом режиме производят отдельно измерения температуры поверхности плоского источника теплоты 1 t, температуры поверхности теплоизолированного участка 2 t и температуры окружающей среды t.
Коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции 2 в зависимости от расположения в пространстве поверхности плоского источника теплоты 1 вычисляют по специальной расчетной формуле:
- при вертикальном расположении в пространстве поверхности плоского источника теплоты 1:
- при горизонтальном расположении в пространстве плоского источника теплоты 1 с теплоотдающей поверхностью, обращенной вверх:
- при горизонтальном расположении в пространстве плоского источника теплоты 1 с теплоотдающей поверхностью, обращенной вниз:
1
2
из
c1
c2
в
где α и α - коэффициенты теплоотдачи между поверхностью теплоизолированного участка 2 и окружающей средой соответственно при вертикальном и горизонтальном расположениях плоского источника теплоты 1 (соответственно фиг. 2 и фиг. 3); δ - толщина слоя жидкой тепловой изоляции 2; t - температура поверхности плоского источника теплоты 1; t - температура поверхности теплоизолированного участка 2; t - температура окружающей среды.
Достоинствами предложенного способа являются техническая простота проведения теплофизических измерений и математическая простота вычисления коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции на поверхности плоского источника теплоты. Высокая точность результатов расчета достигается за счет применения формул, выведенных из классических уравнений теплопроводности для плоской стенки при стационарном тепловом режиме и конвективного теплообмена, а также графиков, полученных с помощью теории подобия тепловых процессов.
Пример конкретной реализации способа (фиг. 4)
из
c1
c2
в
-3
Определим коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции на примере теплоизоляционной краски Броня 2, нанесенной на половину поверхности конфорки электрической плитки 1, с толщиной слоя жидкой тепловой изоляции δ=2,0⋅10 м. Средние значения температуры поверхности конфорки электрической плитки 1 и поверхности теплоизолированного участка 2 по данным тепловизора DALI-700E (фиг. 5) соответственно составили t=210,9°C и t=133,3°C. Температура окружающей среды по результатам измерений равна t=22,4°C.
1
2
Тогда коэффициент теплоотдачи вертикально расположенной конфорки электрической плитки 1, согласно фиг. 2, равен α=8,1 Вт/(м⋅К).
Коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции Броня 2 по формуле (1) составил:
.
Относительная погрешность измерительной системы равна ±8%.