Кондуктивный теплоперенос в слое тонкопленочной тепловой изоляции

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки новых энергосберегающих технологий для тепловой защиты элементов систем теплоснабжения и иного энергетического оборудования различного назначения. Высокий уровень тепловых потерь в системах теплоснабжения (например, тепловые сети, ТЭС, котельные) и энергетическом оборудовании различного назначения (химические производства, пищевая промышленность и т. д.) и неудовлетворительное состояние их тепловой изоляции обосновывают необходимость разработки новых технологий снижения уровня тепловых потерь в рассматриваемых системах. Уникальные теплофизические характеристики тонкопленочных теплоизоляционных покрытий позволяют использовать их в различных энергетических системах и оборудовании. Несмотря на это, технологии применения тонкопленочных теплоизоляционных покрытий к настоящему моменту времени не получили развития. Это обусловлено рядом причин, основными из которых являются: недостаток знаний о физических свойствах и механизмах процессов тепломассопереноса в тонкопленочных теплоизоляционных покрытиях. Цель: исследование кондуктивного теплопереноса в слое тонкопленочной тепловой изоляции с учетом разнородности свойств микросфер и связующих веществ. Объекты: цилиндрические слои тонкопленочного теплоизоляционного покрытия. На внутренней и внешней поверхностях теплоизоляционного покрытия поддерживаются постоянные температуры. Рассматривались два варианта геометрии тонкопленочного теплоизоляционного покрытия: «связующее вещество и полнотелые микросферы» и «связующее вещество и полые микросферы». Исследования проводились для слоя теплоизоляции толщиной 0,33 мм. Температуры на внутренней и внешней поверхностях изоляции принималась в соответствии с экспериментальными данными. Предполагалось, что слой тонкопленочной теплоизоляции на 62 % состоит из микросфер диаметром 50 мкм и на 38 % из связующего вещества. Рассматривались два типа полых микросфер с толщинами стенок: 5 и 2 мкм. Методы. Экспериментальные исследования проводились с использованием оригинального лабораторного стенда. Решение поставленных задач получено методом конечных элементов. Использовалась аппроксимация Галеркина, неравномерная конечно-элементная сетка. Параметры элементов сетки выбирались из условий сходимости решения. Увеличение числа элементов расчетной сетки проводилось с использованием метода Делоне. Результаты. Установлено, что средний коэффициент теплопроводности тонкопленочного теплоизоляционного покрытия в диапазоне температур 50–90 °С составляет 0,0574 Вт/(м·К), что существенно отличается от заявленных фирмой-производителем значений. Выявлено влияние на тепловые потери вида связующего вещества и характеристик микросфер (полые или полнотелые), толщины стенки микросферы и газовой фазы, содержащейся в полости микросферы. Для рассматриваемого случая отклонение от экспериментальных данных составило от 9,36 до 91,12 % в зависимости от состава тонкопленочного теплоизоляционного покрытия. Такие отклонения обусловлены резким изменением эффективных теплофизических свойств тепловой изоляции при различных характеристиках компонентов тонкопленочной тепловой изоляции. Анализ результатов численного моделирования позволяет сделать вывод о том, что наиболее вероятный состав тонкопленочной теплоизоляции включает в себя полые микросферы и многокомпонентное связующее вещество.

The relevance of the study is caused by the need to create new energy-saving technologies for thermal protection of elements of heat supply systems and other energy equipment for various purposes. The high level of heat losses in heat supply systems (for example, heat networks, thermal power plants, boiler) and power equipment for various purposes (chemical production, food industry, etc.) and the unsatisfactory condition of their thermal insulation justify the need to develop new technologies to reduce heat losses in the systems in question. The unique thermophysical characteristics of thin-film thermal insulation coatings allow their use in various energy systems and equipment. Despite this, the technology of using thin-film heat-insulating coatings has not been developed. This is due to several reasons, the main of which are: lack of knowledge about the physical properties and mechanisms of heat and mass transfer processes in thin-film heat-insulating coatings. The main aim of the research is a study of conductive heat transfer in the layer of thin-film thermal insulation taking into account the heterogeneity of the properties of microspheres and binders. Objects of the research are cylindrical layers of thin-film thermal insulation. It is assumed that constant temperatures are maintained on the inner and outer surfaces. Two variants of the geometry of the thin-film heat-insulating coating were considered: «binder and fullbodied microspheres» and «binder and hollow microspheres». The studies were conducted for 0,33 mm insulation layer. The temperatures on the inner and outer surfaces of the insulation were taken in accordance with the experimental data. It was assumed that 62 % of the thin-film thermal insulation layer consists of microspheres with a diameter of 50 micrometers and 38 % of a binder. Two types of hollow microspheres with wall thicknesses were considered: 5 and 2 micrometers. Methods. The solution of the problems posed is obtained by the finite element method. Galerkin approximation, non-uniform finite element mesh were used. The parameters of the grid elements were chosen from the conditions of convergence of the solution. An increase in the number of elements of the computational grid was carried out using the Delaunay method. Experimental studies were carried out with the original laboratory stand. Results. It was established that the average thermal conductivity coefficient of a thin-film heat-insulating coating in the temperature range of 50-90 °C is 0,0574 W-(m*K), which differs significantly from the value stated by the manufacturer. The effect on the thermal losses of the type of binder and the characteristics of the microspheres (hollow or full-bodied), the wall thickness of the microsphere and the gas phase contained in the cavity of the microsphere is revealed. For the case under consideration, the deviation from the experimental data ranged from 9,36 to 91,12 %, depending on the composition of the thin-film thermal insulation coating. This is due to a sharp change in the effective thermophysical properties of thermal insulation with different characteristics of the components of thinfilm thermal insulation. Analysis of the results of numerical simulation allows us to conclude that the most likely composition of thin-film thermal insulation includes hollow microspheres and a multicomponent binder.