Поскольку одним из свойств фотонных кристаллов, в частности, на основе микросфер, является достаточно высокая прозрачность для собственного излучения, при необходимости снижения тепловых потерь в случае, например, трубопроводов существенного увеличения эффективности «теплоизолирующих покрытий», включающих в свой состав полые микросферы, при хорошо поглощающей (а еще лучше селективной) подложке следует ожидать, когда на внешней поверхности покрытия будет расположен слой материала с выраженными отражающими свойствами по отношению к инфракрасному излучению.
В первом приближении в качестве отражающего материала была использована алюминиевая фольга, которой плотно, по спирали обматывалась труба после нанесения на нее «жидких теплоизолирующих покрытий» различных производителей. Результаты тестирования на стенде для измерения теплопроводности методом трубы показали, что вышеописанный вариант использования «жидких теплоизолирующих покрытий» при нанесении слоем толщиной 0.7-1мм при температуре на внутренней поверхности трубы в диапазоне 100-1300С позволяет снизить тепловые потери, более чем в три раза по сравнению с тем случаем, когда на поверхности трубы отсутствует какой либо теплоизолирующий материал. В случае применения традиционных теплоизолирующих материалов аналогичные показатели снижения тепловых потерь достигаются при использовании слоев толщиной 10 и более мм. В ходе проведения экспериментальных работ используемый внешний слой с выраженными отражающими свойствами по отношению к инфракрасному излучению получил рабочее наименование «отражающее зеркало», к настоящему времени это наименование уже практически утвердилось в качестве технического термина.
При подробном исследовании эффекта снижения тепловых потерь, достигаемого при использовании «отражающего зеркала», была выявлена следующая корреляция: чем выше для того или иного «жидкого теплоизолирующего покрытия» абсолютное значение увеличения тепловых потерь на отражающей подложке, тем более эффективно оно показывает себя в качестве теплоизоляции при совместном использовании с «отражающим зеркалом».
Поскольку применение в качестве «отражающего зеркала» алюминиевой фольги вызывает определенные неудобства при использовании теплоизолирующей системы на поверхностях сложной формы, к настоящему времени в качестве «отражающего зеркала» стал использоваться аналог лакокрасочного материала, обладающего выраженными отражающими свойствами по отношению к инфракрасному излучению.
Исследование четырех образцов «жидких теплоизолирующих покрытий» различных производителей через один год после нанесения на модель участка трубопровода показали, то при выдержке в условиях подвального помещения с воздухом высокой влажности «жидкие теплоизолирующие покрытия» практически полностью сохраняют способность снижать тепловые потери при использовании «отражающего зеркала».
В заключении следует сделать важное замечание, касающееся ряда специфических свойств «жидких теплоизолирующих покрытий». Не смотря на то, что озвученное в данной статье предположение о наличии у «жидких теплоизолирующих покрытий» свойств фотонных кристаллов, в настоящее время достоверно не подтверждено в случае материалов, содержащих полые микросферы, так же, как и в случае фотонных кристаллов, явным образом наблюдается явление отсутствия «адекватной аддитивности», которая закономерна для случая применения традиционных теплоизолирующих материалов. Отсутствие «адекватной аддитивности» выражается в том, что при использовании тонких слоев жидких теплоизолирующих покрытий совместно с отражающим зеркалом при толщине слоя, содержащего микросферы порядка 1 мм, происходит резкое снижение тепловых потерь, которое может быть достигнуто при использовании слоев традиционных теплоизолирующих материалов более 10 мм, но дальнейшее увеличение слоя содержащего микросферы приводит лишь к незначительному (на фоне первоначально достигнутого) увеличению эффекта.
Следует отметить, что подобное явление (отсутствие «адекватной аддитивности») наблюдалось и в случае исследования фотонных кристаллов физиками из Стэнфордского университета.
С точки зрения возможностей существенного снижения тепловых потерь при использовании на нагретой поверхности жидких теплоизолирующих покрытий совместно с «отражающим зеркалом» использование подобных теплоизолирующих систем является актуальным, в частности, для случая запорной арматуры, применяемой в тепловых сетях.
При использовании для целей теплоизоляции запорной арматуры традиционных пористых теплоизолирующих материалов увлажнение этих материалов, вызванное протечками уплотнений или капелью с верхнего перекрытия, приводит к тому, что тепловые потери существенно превышают те, что имеют место в случае использования теплоизолирующей системы, предполагающей наличие «жидкого теплоизолирующего покрытия» и «отражающего зеркала». Подробные сведения о снижении теплоизолирующих свойств минеральной ваты при ее увлажнении приведены в работе [6]. Наилучший результат, достигнутый на сегодняшний день в случае использования «жидких теплоизолирующих покрытий» при наличии «отражающего зеркала», составляет величину тепловых потерь для случая трубопровода с внешним диаметром 108 мм порядка 80 Вт на погонный метр при температуре на внутренней стенки 1300С (в случае установления стационарного режима теплообмена), что выше предельно допустимой значения установленной СНИП 41-03-2003, но в то же время ниже нежели чем для случая увлажненной (на уровне 20%) минеральной ваты при таком же диаметре трубопровода и температуре теплоносителя порядка 900С [6].
Систематическое увлажнение теплоизолирующих конструкций на основе минераловатных материалов по причине, например, протечки уплотнения задвижки, приводит к быстрой и безнадежной порче теплоизоляции в смысле практически полной утраты эффекта снижения тепловых потерь. На фоне резкого снижения эффективности увлажненной пористой теплоизоляции присутствие влаги приводит к ускоренному развитию коррозии металлических теплоизолированных поверхностей оборудования. В отличие от традиционных пористых теплоизолирующих материалов теплоизолирующая система на основе полых микросфер обладает практически нулевым значением влагопоглощения и при наличии в своем составе соответствующих компонентов может обладать выраженными антикоррозийными свойствами.
Апробирование использование «жидких теплоизолирующих покрытий» совместно с «отражающим зеркалом» в условиях, характерных для эксплуатации оборудования тепловых сетей было осуществлено в ходе пилотного проекта «Технология повышения надежности и снижения энергетических потерь в подземных сооружениях (камерах) тепловых сетей» осуществленного МУП «Тепло Коломны» при поддержке НП «Энергоэффективный город» и ОАО «ВНИПИэнергопром».
К сожалению, в формате краткой обзорной статьи невозможно рассказать обо всех выявленных к настоящему времени возможных аспектах использования «жидких теплоизолирующих покрытий», тем более что многие из них требуют достаточно тщательных научных исследований, но в тоже время следует отметить, что в целом ряде случаев актуальность использования подобных материалов можно рассматривать в качестве достаточно очевидной.
Для подтверждения (или опровержения) наличия у «жидких теплоизолирующих покрытий свойств фотонного кристалла в настоящее время автором рассматриваются возможности проведения спектрометрических исследований собственного излучения покрытий на нагретых поверхностях.
Пользуясь случаем, автор хочет выразит благодарность зам. главного инженера ОАО «ВНИПИэнергопром» Романову С.В. за конструктивные замечания, сделанные им в ходе изучении материалов данной статьи. Автор так же выражает благодарность всем производителям «теплоизолирующих покрытий», предоставивших образцы своей продукции для проведения исследований.
теплопроводность микросфера теплоизолирующее покрытие
Выводы:
1. Использование «жидких теплоизолирующих покрытий», содержащих полые стеклянные микросферы, на нагретых поверхностях в зависимости от оптических свойств поверхностей может приводить как к снижению тепловых потерь, так и к интенсификации теплообмена.
2. Несмотря на возможности существенного снижения тепловых потерь при совместной использовании «жидких теплоизолирующих покрытий» и «отражающего зеркала», к настоящему времени результатов снижения тепловых потерь до величин регламентированных СНИП 41-03-2003 не отмечалось.
3. Применение «жидких теплоизолирующих покрытий», содержащих полые микросферы, для целей снижения тепловых потерь в целом ряде случаев является актуальным.
4. Предположение о связи специфических явлений, наблюдаемых в случае «жидких теплоизолирующих покрытий», с проявлением свойств, характерных для фотонных кристаллов, к настоящему времени достоверно не подтверждено.
Список цитируемых источников
1. Логинова Н.А. Определение эффективности тонкопленочных теплоизоляционных покрытий применительно к системам теплоснабжения: 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук/ Московский энергетический институт (ТУ) - 2010 . - 133 с.
2. А. Козлов, И. Грицкова, С. Гусев Фотонные кристаллы на основе полимерных микросфер. Москва. Научно-технический журнал «Фотоника», 2009, вып.6, с. 8-11
3. «Фотонные кристаллы запирают тепло на замок» http://www.pravda.ru/science/eureka/inventions/14-12-2009/1003742-thermal-0/.
4. Домбровский Л.А. Моделирование теплового излучения полимерного покрытия содержащего полые микросферы. Москва. Теплофизика высоких температур, 2005, том 43, №1, с. 1-11.
5. Герман М.Л., Гринчук П.С. Математическая модель расчета теплозащитных свойств композиционного покрытия «керамические микросферы-связующее». Минск. Инженерно-физический журнал, 2002, ноябрь-декабрь, том 75, № 6 с. 43-53.
6. Мунябин М.И., Арефьев Н.Н. К вопросу о расчете тепловых потерь при различных вариантах тепловой изоляции. Новости теплоснабжения №4 (апрель) 2003г с. 35-38.