1. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЯ
Жидкое керамическое теплоизоляционное покрытие торговой марки "Броня” представляет собой жидкую композицию на водной основе. Оно состоит из микроскопических керамических вакуумированных сфер, пигментирующих, ингибирующих и антипереновых добавок. Основным компонентом является полимерная латексная композиция. В композиции диспергированы полые микросферы (керамические). Размеры микросфер составляют 0,01...0,5 мм.
Данное теплоизоляционное покрытие применяется для защиты от коррозии, теп-лоизоляции, защиты от ультрафиолетового излучения, а также обладает диэлектрически-ми свойствами. Толщина одного слоя покрытия составляет 0,4...0,5 мм. В материалах рекламно-разъяснительного характера сообщается, что полые микросферы являются раз-реженными.
При применении в системах теплоснабжения наиболее важными теплотехнически-ми свойствами теплоизоляционных материалов являются технологичность применения, долговечность, низкий коэффициент теплопроводности, экологическая безопасность.
Технология нанесения «Броня» на трубопроводы и другие поверхности проста и доступна. Ее особенностью является возможность покрытия поверхностей сложных конфигураций, при этом наличие изоляции не создает неудобств при обслуживании и ремонте. При использовании обычных теплоизоляционных материалов в тепловых сетях остаются неизолированными или частично изолированными участки, наличие которых приводит к дополнительным потерям теплоты. Покрытие "Броня” может обеспечить существенное уменьшение дополнительных потерь теплоты. Если бы удалось уменьшить эти потери теплоты хотя бы вдвое, то это дало бы экономию топлива 8,3 % (с учетом КПД котельной 0,9).
Взяв во внимание совокупность положительных свойств покрытия, целесообразно также его применение для теплоизоляции теплопроводов и других элементов в закрытых помещениях (котельные, насосные подстанции, ТРС и др.). При этом кроме теплоизоля-ции покрытие позволит уменьшить габариты теплоизолированных элементов, обеспечит удобство в обслуживании, улучшит экологию и дизайн помещений.
Долговечность покрытия «Броня» равна как минимум 10 годам. Ускоренные кли-матические испытания покрытия на бетонных и металлических поверхностях позволили заключить, что сохранность защитных и декоративных свойств покрытия соответствует не менее 10 годам в умеренных и умеренно-холодных климатических районах.
Долговечность широко применяющейся в тепловых сетях минераловатной изоляции оценивается в 5-6 лет. Однако эта изоляция быстро теряет свои потенциальные теплоизоляционные свойства из-за увлажнения. Под действием влаги слой изоляции теряет свою первоначальную конфигурацию (особенно при надземной прокладке теплопроводов), существенно увеличивается эффективный коэффициент теплопроводности, в результате чего увеличиваются потери теплоты в окружающую среду. В отличие от этого, покрытие "Броня” не увлажняется, сохраняет первоначальную форму, размеры, тепло-изоляционные свойства. По этим причинам в течение всего срока службы покрытие должно обеспечивать первоначальные потери теплоты. В этой связи будет целесообразным использование покрытия для теплоизоляции надземных теплопроводов.
Важнейшим показателем теплоизоляционного материала является коэффициент теплопроводности, равный 0,0012 Вт/м С. То есть, покрытие "Броня” намного превосходит известные теплоизоляционные материалы.
2. ВОЗМОЖНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОКРЫТИЯ
В системах теплоснабжения применение теплоизоляции позволяет решить две основные задачи:обеспечение безопасной температуры на наружной поверхности тепло-провода для человека, а также снизить потерю теплоты до приемлемого уровня. Устранить полностью тепловые потери в окружающую среду невозможно, но есть возможность уменьшить ее за счет применения более эффективной изоляции, или за счет увеличения толщины изоляции. И то, и другое требует дополнительных затрат. Для теплопроводов увеличение толщины изоляции приводит к снижению тепловых потерь только до определенного предела, после которого тепловые потери с увеличением толщины изоляции увеличиваются. Поэтому с точки зрения тепловых потерь надо выбирать "золотую середину”, сопоставляя затраты на изоляцию с возможными потерями теплоты.
В отношении температуры наружной поверхности теплопроводов и другого оборудования тепловых сетей современные требования достаточно определенны. Эти требования заключаются в том, что при контакте с поверхностью кожного покрова человек не дол-жен получить ожога. Считается, что при контакте кожи человека в течение 5 секунд с поверхностью, температура которой составляет 60 °С, человек получит ожог первой степени (без повреждения внутренних тканей). При расчете тепловой изоляции предельные температуры поверхностей в рабочих зонах должны составлять 45 °С (в помещениях) и 55 °С (на открытом воздухе).
Известно также, что температурное воздействие на кожный покров человека зависит не только от температуры, но и от свойств среды или поверхности, с которыми кожа контактирует. По этому поводу можно вспомнить разницу от контакта на хорошем морозе с металлом и деревом. Любители попариться поднимают температуру в парной до 60 °С и выше и ожогов не получают. Еще убедительней будет прихватить с собой в парную монету и почувствовать разницу от прикосновения к ней и к деревянной полке. В приведенных примерах не нужны измерительные приборы для подтверждения того, что температуры разных поверхностей одинаковы. Указанная выше температура 55 °С установлена для металлического покровного слоя, а для других поверхностей температура 60 °С. Покрытие "Броня” обладает уникальными свойствами. Уникальность относится и к воздействию на кожу человека. Проведены простые эксперименты по проверке этого. Так, в ходе исследований было установлено, что безопасной для человека (не менее 5 с контакта) является температура поверхности покрытия 100 °С, а при температуре поверхности покрытия 175 °С находящаяся на нем вода начинает закипать .
Также были произведены аналогичные эксперименты. Использовалась электропечь, на плоскую поверхность нагревательного элемента которой было нанесено покрытие "Броня”. Температура поверхности покрытия измерялась с помощью термопары в комплекте с DT-838 (характеристика прибора приведена ниже). При разной температуре определялось время контакта ладони с поверхностью, в течение которого не возникало неприятных ощущений
С помощью той же электропечи было установлено, что вода на поверхности покрытия начинает закипать при температуре 170...175 °С. Чтобы установить эту температуру точнее, надо более четко определиться с признаками, по которым надо определять начало кипения. В данном случае такая задача не ставилась, а за начало кипения был принят момент интенсивного образования паровых пузырьков в воде, которые хорошо просматривались через лупу.
Специалисты Волгоградского Инновационного Ресурсного Центра для оценки безопасной температуры на поверхности покрытия использовали график, на одной оси которого откладывается температура металлической поверхности, а на другой – температура на поверхности покрытия. По этому графику, например, безопасной для человека является температура на поверхности покрытия 80 °С (что соответствует температуре 55 °С на металлической поверхности).
Независимо от результатов проведенных исследований показатели эффективности теплоизоляционных покрытий на практике следует определять путем измерений. Представим, на теплопроводе имеется обычная теплоизоляция с покровным слоем из рубероида или пластика. Чем измерить температуру наружной поверхности? Контактные методы измерения по теории не применимы, поскольку нельзя обеспечить надежного контакта поверхности с термодатчиком. С металлическим покровным слоем толщиной порядка 0,5...1 мм ситуация не лучше. То, что можно предложить в этом случае для обеспечения контакта, вряд ли подходит для использования в производственных условиях. Остаются бесконтактные методы и средства измерений.
Специалисты Волгоградского Инновационного Ресурсного Центра провели серию измерений на натурном объекте с помощью имеющихся в их распоряжении приборов.
Объект представляет собой водяной теплопровод с dУ = 600 мм (наружный диаметр равен 630 мм, внутренний - 612 мм), находящийся в помещении насосной подстанции. Трубопровод изолирован минеральной ватой, обвернутой стальной сеткой, снаружи которой на холстяное полотно наложен слой теплоизолирующей штукатурки толщиной 2...3 мм. Суммарная толщина слоя изоляции составляет 55 мм. Между слоями имеются воз-душные зазоры переменной высоты. Два участка теплопровода длиной около 0,8 м освобождены от изоляции, один из них зачищен и оставлен без изоляции, на второй участок нанесено покрытие "Броня” толщиной 1,6 мм. Измерения проводились на участке не изолированного трубопровода, на участке с имеющейся изоляцией и на участке с покрытием "Броня”.
Температура воды измерялась установленным в трубопроводе стандартным термопреобразователем сопротивления, подключенным к автоматическому мосту КСМ-2 с записью показаний на диаграммной ленте. На каждом из участков были установлены теплоизолированные емкости с водой, температура воды в каждой емкости записывалась на КСМ-2. Данные таких измерений можно использовать для приблизительной сравнительной оценки эффективности разных теплоизоляций.
Для измерений использовались различные приборы:
- измеритель плотности теплового потока ИПП-2 в комплекте с зондом плотности теплового потока ПТП-9.9П (производитель – ЗАО "Эксис”, Москва; пределы измерения 10...9999 Вт/м2, допускаемая приведенная погрешность измерения ±5 %, коэффициент преобразования 73,3 Вт/(м2 ∙мВ));
- термометр SUR-25 (производства США, пределы измерения -20...+120 °С, допускаемая приведенная погрешность измерения ±2 %, чувствительный элемент - калиброванная биметаллическая пластина);
- цифровой многофункциональный измеритель (Digital Multimeter) DT-838 в комплекте с термопарой типа К (пределы измерений -20...1370 °С, погрешность измерения температур до 150 0С составляет ±3 0С);
- инфракрасный термометр "Fluke 561” (производитель - "Fluke Corporacion”, Китай; пределы измерения -40...+550 °С; погрешность измерения составляет ±1 % от измеряемой величины или ±1 °С; спектральный диапазон – 8...14 мкм).
Температуры поверхностей оценивались также на ощупь. Кожный покров человека является хорошим термодатчиком. Достаточно точно на ощупь определяется температура 36 °С. Менее точно, но достоверно определяется температура 55 °С. Эту температуру кожа переносит длительное время без неприятных ощущений, но чувствуется, что это предел, выше которого время контакта придется ограничивать. На этих двух надежных реперных точках можно построить температурную шкалу и после некоторой тренировки более или менее точно определять температуру (не выше 60 °С).
Наиболее показательные результаты (усредненные данные) проведенных измерений, когда использовалось наибольшее число приборов, а температура воды была наибольшей за отопительный период, приведены в таблице 2.
Для анализа и оценки результатов измерений были также проведены расчеты по известным зависимостям для теплопередачи через цилиндрическую стенку.
Плотность теплового потока Qf определялась по формуле:
где tвн , tн - температуры соответственно воды в трубопроводе и наружного воздуха; d -диаметр, для которого определяется величина Qf ; Rиз , Rн - термические сопротивления соответственно тепловой изоляции и теплоотдачи в окружающий воздух.
Таблица 2 – Усредненные результаты измерений на различных участках теплопровода (температура воды в трубопроводе 92 °С, температура воздуха в помещении 18 °С)
В формуле (1) не учтены термические сопротивления теплоотдачи от воды к внутренней поверхности трубопровода и стенки трубопровода. Эти величины малы по сравнению с Rиз и Rн , поэтому при расчете теплопроводов ими в большинстве случаев пренебрегают.
Значения термических сопротивлений рассчитывались по формулам
где λиз - коэффициент теплопроводности теплоизоляции; Dтрн,Dизн - наружные диаметры соответственно трубопровода и изоляции; н - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции в окружающий воздух.
Линейная плотность теплового потока определялась по формуле
Температуры наружной поверхности изоляции определялись по формуле
Для расчетов были приняты следующие значения величин:
- Dтрн = 630 мм;
- для описанной выше существующей изоляции коэффициент теплопроводности трудно определим. Для минеральной ваты значения λ составляют 0,04...0,05 Вт/(м ∙К), для асбоцементных и известковых штукатурок λ = 0,4...0,7 Вт/(м ∙К). Металлическая сетка в составе слоя изоляции увеличивает результирующее λ, а имеющиеся воздушные зазоры – уменьшают. Оценить степень контакта слоев весьма затруднительно. Для такой изоляции величину λ можно оценить на уровне 0,15...0,25 Вт/(м ∙К). Для расчетов принято λиз = 0,2; δиз =55 мм; dизн =740 мм. Ясно, что приблизительная оценка λиз даст и приблизительные результаты расчетов;
- для покрытия "Броня” принято: δиз = 1,6 мм; dизн = 633,2 мм; λиз = 0,001 Вт/(м ∙К);
- для поверхностей с малым коэффициентом излучения следует принимать αн = 6, с высоким коэффициентом излучения - αн = 11 Вт/(м²∙К) (для помещений). Для рассматриваемых поверхностей трудно оценить значения коэффициентов излучения, но все-таки покрытие "Броня” следует отнести к поверхностям с малым коэффициентом излучения, а поверхности не изолированного трубопровода и существующей изоляции в явном виде являются серыми. Кроме того, для неизолированного трубопровода конвективная составляющая должна быть значительно выше, чем для двух других поверхностей из-за более высокой температуры поверхности. То есть, значение αн для не изолированного трубопровода должно быть больше 11 Вт/(м²∙К), но не такое большое как на открытом воздухе (29 Вт/(м²∙К). С учетом изложенного принято: для покрытия "Броня” αн = 6 Вт/(м²∙К); для существующей изоляции αн = 8 Вт/(м²∙К); для не изолированного трубопровода αн = 20 Вт/(м²∙К).
Результаты расчетов приведены в таблице 3.
Анализ результатов измерений и расчетов показывает следующее. Нет никаких оснований сомневаться в результатах измерения температур tвн и tн (92 °С и 18 °С соответственно). Измерения температур с помощью DT-838 также оцени-ваются как достоверные с некоторыми пояснениями. Эти температуры не являются тем-пературами поверхностей, поскольку не обеспечивался надежный тепловой контакт рабо-чего спая с поверхностями. Диаметр рабочего спая составлял около 0,5 мм. Поэтому из-меренная температура должна представлять собой нечто среднее между температурой поверхности и температурой в пограничном слое толщиной около 0,5 мм
В итоге на не изолированном трубопроводе DT- 838 показывает на 3,3 % меньшую температуру, чем "Fluke 561”, а на существующей изоляции – меньшую на 4,3 %. Однако на покрытии "Броня” расхождения между показаниями DT- 838 и "Fluke 561” столь существенны, что одно из них нужно признать неверным. С учетом определения температуры на ощупь, а также данных по ИПП-2 (линейная плотность теплового потока отличается не настолько, чтобы привести к такому отличию в температурах поверхностей) следует признать показания "Fluke 561” (60,7 °С) неверными. Это можно объяснить следующим.
Прибор "Fluke 561” представляет собой пирометр частичного излучения, работающий в диапазоне длин волн 8...14 мкм. Такие пирометры по своим метрологическим свойствам приближаются к свойствам квазимонохроматических пирометров, для которых методическая погрешность измерения определена и может составлять (при температурах до 500 °С) от 5 до 55 °С в зависимости от коэффициента излучательной способности объекта измерения. Поэтому близкую к действительной температуру можно измерить прибором только в случаях, когда излучательная способность заранее известна и является высокой (коэффициент больше 0,9). В приборе предусмотрено изменение настройки на излучательную способность (0,3; 0,7; 0,9), но в документации на прибор подчеркивается, что это не гарантирует повышения точности измерения. Поэтому рекомендуется для каждого объекта измерить температуру поверхности с помощью термопары (термопара типа К может подключаться к прибору), а потом подбором настройки добиться наилучшего совпадения результатов. То есть, пирометр "Fluke 561” по принципу действия может давать значительную погрешность измерения температуры. Поэтому его основное назначение – не для измерения температуры, а для удобного и быстрого обнаружения локальных мест притоков или оттоков теплоты путем сканирования поверхности. Для этого действительная температура поверхности в принципе не нужна, достаточно, чтобы была одинаковой ее излучательная способность.
Показания SUR-25 значительно отличаются от действительной температуры поверхности. Это легко объяснимо, поскольку датчик температуры не имеет контакта с поверхностью и фиксирует температуру пограничного слоя на удалении 1,5 мм от поверхности. Биметаллическая пластина направлена торцом к поверхности и имеет ширину около 3 мм, поэтому общая толщина пограничного слоя увеличивается до 4,5 мм. Кроме того, биметаллическая пластина – ненадежный для измерения температурный датчик.
Данные ИПП-2 для не изолированного трубопровода являются вполне возможными, расчетами (табл. 3) это подтверждается. Этого нельзя сказать о показаниях ИПП-2 на поверхностях с тепловой изоляцией. Как показывают расчеты, значения тепловых потоков 306 и 409 Вт/м2 не коррелируются с температурами 38 и 40 °С (табл. 2). Например, для существующей изоляции при qF = 306 Вт/м2 и соответствующем ему значении qi = 711 Вт/м температура на поверхности должна быть значительно выше, чем 38 °С. А если принять за основу одновременно и qi= 711 Вт/м2 , и tизн= 38 °С, то при реальных значениях Rн это может быть, если λиз будет составлять 2...3 Вт/(м ∙К), что на порядок больше реальных величин λиз. При температуре поверхности 39,7 °С (табл. 2), которая оценена выше как близкая к достоверной, и реальных значениях Rн и λиз (значения величин оце-нены выше) тепловой поток qF должен составлять около 175 Вт/м2 (табл. 3) (или qi = 406,8 Вт/м ). То есть, для существующей изоляции показания ИПП-2 завышены примерно в 1,7 раза.
