Методика измер. коэф. теплопроводности тонкослойных материалов

Методика измер. коэф. теплопроводности тонкослойных материалов

 

 

О тонкослойной теплоизоляции

 

Равиль Хилалович Фатхутдинов,

канд. хим. наук, генеральный директор

ОАО «Казанский химический научно-исследовательский институт»

 

Владимир Алексеевич Маслов,

начальник лаборатории

ОАО «Казанский химический научно-исследовательский институт»

 

 

В связи с удорожанием и временами возникающим дефицитом традиционных энергоносителей, во всем мире возрос интерес к энергосберегающим технологиям, в частности, к применению теплоизолирующих и теплозащитных покрытий.

Известные недостатки традиционных теплоизолирующих материалов привели к использованию в энергетике и строительной практике жидких теплоизолирующих материалов. В последнее время на рынке предлагается около десятка теплоизолирующих материалов, наполненных вакуумированными керамическими или стеклянными микросферами. Плотность таких материалов в жидком состоянии менее 1 кг/л. Существенным преимуществом жидких теплоизолирующих материалов перед традиционными является возможность нанесения их на любые сложные поверхности с помощью оборудования, применяемого для нанесения лакокрасочных материалов. Высохший теплоизоляционный слой обладает отличной адгезией к различным поверхностям: металлу, бетону, кирпичу, штукатурке и др.

В большинстве рекламных материалов на эти продукты дается множество различных показателей. Наиболее привлекательным для потребителей является один показатель, а именно чрезвычайно низкая расчетная теплопроводность равная 0,001–0,002 Вт/м 0С, благодаря которой по расчетам для обеспечения требуемой теплоизоляции необходим сверхтонкий слой такого материала (во многих рекламных материалах приводится одна и та же величина 0,38мм). При этом ссылаются на то, что наукой ещё не разработаны методы определения теплопроводности сверхтонких теплоизоляционных материалов. Кроме того, считают, что, имея наполнение до 80% вакуумированными микросферами, такие материалы обладают только лучистой теплопроводностью.

Однако это лукавство. Какое бы наполнение вакуумированными микросферами ни было в теплоизолирующем материале, и если этот материал имеет плотность в сухом виде 0,3 кг/дм3 это означает, что по крайней мере около300 г плотного материала в виде связующего и стенок микросфер находится в 1 дм3 материала. Поэтому теплопроводность такого материала не может быть ниже теплопроводности воздуха, которая, как известно, равна около 0,024-0,026 Вт/м 0С.

В некоторых случаях, даже получив заключение сторонних организаций о том, что теплопроводность тонкослойного теплоизоляционного материала равна 0,057 Вт/м 0С, а величина 0,001 Вт/м 0С соответствует лучевой составляющей, в рекламных расчетах эффективности сверхтонкой изоляции продолжают использовать величину 0,001.

Другой рекламный трюк касается утверждения о невозможности измерения теплопроводности сверхтонких теплоизолирующих покрытий.

Во-первых, если невозможно измерить теплопроводность тонкого слоя теплоизолятора, ничто не мешает измерить теплопроводность слоя достаточной для измерительного прибора толщины, поскольку величина теплопроводности не зависит от толщины материала.

Для измерения теплопроводности различных теплоизолирующих материалов, мы использовали отечественный прибор ИТП-МГ4 «100», предназначенный для определения теплопроводности и термического сопротивления строительных материалов, а также материалов, предназначенных для тепловой изоляции промышленного оборудования и трубопроводов при стационарном тепловом режиме по ГОСТ 7076-99.

Прибор обеспечивает определение коэффициента теплопроводности в диапазоне от 0,02 до 1,5 Вт/м 0С и термического сопротивления в диапазоне от 0,01 до 1,5 м2∙С/Вт.

Допускаемая толщина образца размером в плане 100 х 100мм – от 3 до 28мм. Основная относительная погрешность определения коэффициента теплопроводности не более ±5%.

 

ИТП-МГ4 «100» по ГОСТ 7076-99

ИТП            

Мы провели сравнительные испытания энергосберегающего защитного состава ТЗП, разработанного в лаборатории энерго- и ресурсосберегающих технологий Казанского химического НИИ, и некоторых предлагаемых на рынке аналогичных теплоизолирующих составов как отечественного, так и зарубежного производства. Образцы для испытаний получали, высушивая жидкие теплозащитные составы, залитые в формочку размерами (100*100*5) мм. Определение коэффициента теплопроводности образцов толщиной от 4 до   4,5 мм определяли с помощью прибора ИТП-МГ4 «100» после кондиционирования испытуемых образцов при относительной влажности 65% в течение 7 дней. Результаты испытаний некоторых теплоизолирующих материалов приведены в таблице 1.

 

Таблица 1

Наименование показателя

ТЗП

Аналоги

Метод  испытания

Изол-лат

«Термо-Шилд»

«Астротек»

Thermal - Coat

Плотность, г/см3:

-в жидком состоянии

-готового покрытия

 

0,56

0,35

 

-

0,6

 

1,11

1,02

 

0,70

0,40

 

-

0,64

 

 ГОСТ 30307-95

 ГОСТ 17177-94

Теплопроводность, Вт/м К

0,084

0,086

0,100

0,097

0,095

 ГОСТ 7076-99

Водопоглощение за 24 часа, об. %

8,00

12,28

13,87

14,98

11,93

ТУ 2316-089-00209600-2005

 Согласно полученным результатам, все образцы имеют значения коэффициентов теплопроводности на уровне 0,08 – 0,10 Вт/м 0С. Различие коэффициентов теплопроводности образцов, по-видимому, является следствием их различной гидрофильности, поскольку, как известно, увеличение влажности теплоизолирующих материалов существенно снижает их теплозащитные свойства.

 

Нет оснований сомневаться, что специалисты знают и другую возможность определения теплопроводности тонкослойных материалов. Этот принцип основан на законе аддитивности теплового сопротивления пакета теплоизолирующих материалов. Измеряя тепловое сопротивление пакета из стандартного материала и тонкослойного измеряемого, можно определить теплопроводность тонкослойного материала, пользуясь соотношением R = h/λ. (СНиП II-3-79, п.2.4):

  Rп = Rст + Rопр

или                 Rп = Rст + h/λопр,

тогда              λопр = h/(Rп – Rст),

 где                  Rп – тепловое сопротивление пакета, м2∙С/Вт

                       Rст - тепловое сопротивление стандартного образца, м2∙С/Вт

                       Rопр - тепловое сопротивление определяемого образца, м2∙С/Вт

                       h – толщина определяемого образца, м

                       λопр – теплопроводность определяемого образца,  Вт/м 0С.

 Некоторые результаты, полученные по предложенной схеме, приведены в таблице 2.

 Таблица 2

№ п/п

Образец

Измерение по методу "Пакет"

Измерение по ГОСТ 7076-99

Толщина пакета, Нп, мм

Тепловое сопротивление пакета, Rп., м2/Вт оС

Толщина измеряемого материала в пакете, Нопр., мм

Расчетное значение теплопроводности материала,  λопр., Вт/м 0С

Толщина  материала, Нопр., мм

Тепловое сопротивление материала,  Rопр., м2/Вт оС

Теплопроводность материала,λопр., Вт/м 0С

1

Оргстекло

-

-

-

-

14,9

0,079

0,187

2

Вспененный полиэтилен

-

-

-

-

5,2

0,136

0,038

3

Вспененный полиэтилен в пакете с оргстеклом

20,1

0,209

5,2

0,037

-

-

-

4

Покрытие ТЗП

-

-

-

-

6,3

0,096

0,065

5

Покрытие ТЗП в пакете с оргстеклом

15,7

0,091

0,8

0,067

-

-

-

6

Покрытие ТЗП в пакете с оргстеклом

16,2

0,097

1,3

0,072

-

-

-

7

Бумага писчая в один слой в пакете с оргстеклом

15,0

0,080

0,1

0,100

-

-

-

8

Бумага писчая в два слоя в пакете с оргстеклом

15,1

0,081

0,2

0,100

-

-

-

9

"Термо-Шилд"

-

-

-

-

3,1

0,025

0,120

10

"Термо-Шилд" в пакете с оргстеклом

15,4

0,084

0,5

0,100

-

-

-

 Применимость метода доказывается результатами, полученными для известных материалов. Метод позволяет измерить теплопроводность не только тонкослойной теплоизоляции толщиной 0,38 мм, но и более тонких материалов, например, бумаги. Таким образом, как следует из приведенных данных, невозможность измерения величины теплопроводности тонкослойной теплоизоляции не что иное, как рекламный трюк.

 В качестве курьеза можно провести расчет толщины теплоизолирующего материала с коэффициентом теплопроводности 0,001 Вт/м 0С, необходимой для тепловой защиты ограждающей конструкции из гипсокартона толщиной 13 мм, удовлетворяющей 2-му этапу требований СНиП 23-02-2003.

  

РАСЧЕТ по СНиП II-3-79, п 2.6 и 2.7:

 R = 1/8,7 + h/0,001 + 0,013/0,2 + 1/23

3,36 = 0,15 + h/0,001 + 0,065 + 0,043

3,36 – 0,258 = h/0,001

3,102 = h/0,001

h = 0,0031 м

 Получается, что ограждающая конструкция из гипсокартона с нанесенной на него теплоизоляцией c теплопроводностью 0,001 Вт/м 0С и толщиной всего 3,1 мм обеспечивает для Казанского региона теплозащиту, соответствующую требованиям 2-го этапа СНиП 23-02-2003.

Хотелось бы посмотреть, как прожили бы за такой ограждающей конструкцией хотя бы неделю в зимнее время те, кто верит рекламе.

 Выводы

Разработан метод определения теплопроводности тонкослойных теплоизолирующих материалов с использованием отечественного прибора, выпускаемого  промышленностью.

Показано, что имеющиеся на рынке жидкие теплоизолирующие материалы имеют коэффициенты теплопроводности на уровне 0,08 – 0,10 Вт/м 0С.

 

   Фатхутдинов          Маслов               

      Фатхутдинов Равиль Хилалович                               Маслов Владимир Алексеевич

 

 *) Комментарий от владельца сайта.

При необходимости определения коэффициента теплопроводности сверхтонких теплоизоляционных покрытий, корректнее воспользоваться разработкой КГАСУ  УДК 536 «Экспериментальное определение характеристик  сверхтонких теплоизоляционных покрытий»