Статья: Применение тонкопленочных покрытий в целях энергосбережения

Применение тонкопленочных покрытий в целях энергосбережения

Снижение тепловых потерь является актуальной задачей повышения энергетической эффективности объектов генерации, передачи и потребления тепловой энергии. Для уменьшения потерь тепловой энергии используют различные теплоизоляционные материалы, которые должны обладать рядом качеств - низкой теплопроводностью, малой поглощательной способностью влаги, низкой коррозионной активностью, механической прочностью и др. [1-3]. В настоящее время на рынке теплоизоляционных материалов появился новый теплоизоляционный материал - тонкопленочные теплоизоляционные покрытия (энергосберегающие краски), содержащие в своем составе микросферы. Энергосберегающая краска - это эмульсия, состоящая из связующего компонента и микроскопических керамических или стеклянных пустотелых сфер диаметром

0,03-0,1 мм. Энергосберегающие краски обладают свойствами красок - защищают поверхность от воздействия окружающей среды, и свойствами тепловой изоляции - снижают тепловые потери за счет своей пористой структуры. К достоинствам энергосберегающих красок относят [4]:

- дешевизну компонентов, из которых их изготавливают;

- низкую стоимость покрасочных работ;

- высокую адгезию к любым материалам, кроме полиэтилена;

- механическую прочность;

- антигрибковые и противоплесеневые свойства;

- влаго- и паронепроницаемость покрытия;

- устойчивость к ультрафиолетовому излучению;

- хорошую колеруемость пигментами.

Исследование теплопроводности энергосберегающих красок. Производители тонкопленочных теплоизоляционных покрытий (см., например, [5]) приводят значение коэффициента теплопроводности энергосберегающей краски в интервале 0,001-0,012 Вт/(м·К). Однако ряд ученых в [6-9] утверждают, что коэффициент теплопроводности энергосберегающих красок значительно больше и лежит в интервале 0,02-0,12 Вт/(м·К). Такой широкий диапазон значений коэффициента теплопроводности энергосберегающих красок обусловлен, во-первых, количеством наполнителя и его структурой (количеством микросфер и их строением) и, во-вторых, составом связующего компонента.

Определим коэффициент теплопроводности энергосберегающей краски в зависимости от массового содержания полых стеклянных микросфер марки МС-В2Л производства НПО «Стеклопластик» (Московская обл.). Эксперимент выполнен на образцах энергосберегающей краски, произведенной на одном из предприятий химической промышленности г. Иваново, с массовым содержанием микросфер в связующем покрытии из акрила 8%, 25% и 32,6% и в чисто акриловом покрытии без добавления микросфер. Толщина исследуемых образцов составила: 1,5 мм для связующего акрила с добавлением микросфер и 1 мм для чистого акрила. Заметим, что массовое содержание микросфер в связующем акриле 32,6% является максимально возможным для данного типа связующего, так как увеличение концентрации микросфер приводит к браку продукции из-за образования комков микросфер в объеме акрила.

Экспериментальные значения коэффициента теплопроводности тонкопленочных покрытий получены методом цилиндрического слоя в стационарном режиме теплопроводности на лабораторном стенде, разработанном на кафедре «Теоретические основы теплотехники» ИГЭУ [10]. Установка представляет собой толстостенный стальной цилиндр с наружным диаметром 245 мм, толщиной стенки 10 мм и длиной 630 мм, внутри которого установлены два электрических нагревателя, подключенных к электрической сети через автотрансформатор в целях регулировки потребляемой мощности. Для обеспечения равномерного теплообмена на поверхности рабочего участка и исключения конвективных потоков около электрических нагревателей внутри цилиндра его внутренняя полость засыпана керамзитом. Для исключения тепловых потерь боковая нерабочая и торцевые поверхности цилиндра покрыты тепловой изоляцией. Температура поверхности цилиндра измерена при помощи термопар, равномерно зачеканенных в 8 точках по окружности рабочего участка стенда.

Полоса из тонкой жести шириной 50 мм и толщиной 0,2 мм, на которую нанесена энергосберегающая краска, накладывается на рабочий участок экспериментальной установки. Термическим и контактным сопротивлением полосы из жести пренебрегаем, поэтому температура внутренней поверхности слоя исследуемого образца принималась равной средней температуре поверхности цилиндра и была найдена по показаниям термопар рабочего участка. Температура наружного слоя исследуемого образца определена при помощи 4 контактных термопар, накладываемых на испытуемый образец. Плотность теплового потока, проходящего через слой энергосберегающей краски, определена измерителем плотности тепловых потоков ИТП-МГ4.03/Х(I) «Поток» с относительной погрешностью измерения ±6% и функцией автоматической фиксации показаний. Медь-константановые термопары (тип Т с погрешностью определения температуры ±1^оС), при помощи которых была измерена температура внутренней и наружной поверхности энергосберегающей краски, подключены к накопителю данных ADAM-4000.

Выполнена серия экспериментов с различными значениями теплового потока, который рассчитывался по мощности электронагревателей. Мощность электронагревателей регулировалась напряжением, подаваемым от автотрансформатора в диапазоне от 5 до 65 В с шагом 15 Вольт. Метод цилиндрического слоя определения коэффициента теплопроводности относится к классу стационарных методов. Стационарный режим теплопроводности в лабораторной установке наступал через 24 часа нагрева. Показания измерительных приборов фиксировались с интервалом 1 час в автоматическом режиме накопителем данных ADAM-4000 и ИТП-МГ4.03/Х(I) «Поток».

Статистическая обработка результатов эксперимента выполнена в программе Microsoft Excel. Коэффициент теплопроводности энергосберегающей краски найден решением обратной задачи теории теплопроводности по методу цилиндрического слоя. Экспериментальные значения коэффициента теплопроводности в зависимости от температуры и массового состава графически представлены на рис. 1, 2.

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплопроводности энергосберегающей краски от температуры (цифрами показано массовое содержание микросфер в связующем акриле: 1 - 0%; 2 - 8%; 3 - 25%; 4 - 32,6%)

энергосберегающий трубопровод теплопроводность

Анализ полученных результатов (рис. 1, 2) показывает, что коэффициент теплопроводности практически линейно увеличивается с ростом средней температуры исследуемого образца и уменьшается с увеличением содержания микросфер в связующем из акрила. Среднее значение коэффициента теплопроводности в интервале температур 20-100^оС составило: для связующего акрила - ~0,028 Вт/(м·К); при 8%-ном содержании микросфер в энергосберегающей краске - ~0,025 Вт/(м·К); при 25%-ном содержании микросфер по массе - 0,022 Вт/(м·К); при 32,6%-ном содержании микросфер - 0,019 Вт/(м·К).

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопроводности энергосберегающей краски от массового содержания микросфер в связующем акриле (цифрами показана средняя температура образца: 1 - 23,8^оС; 2 - 30,9 ^оС; 3 - 44,9 ^оС; 4 - 63,9 ^оС; 5 - 89,1 ^оС)

Применение энергосберегающих красок в тепловых пунктах. Уменьшение потерь тепловой энергии при транспорте теплоносителя, в качестве которого, как правило, используют горячую воду, является актуальной задачей повышения энергетической эффективности систем теплоснабжения. Для снижения тепловых потерь используют различные виды тепловой изоляции на минеральной и органической основе. Материал, из которого изготовлена тепловая изоляция трубопроводов горячей воды должен обладать следующими основными качествами: низкой теплопроводностью, малым водопоглощением, низкой коррозионной активностью, высоким электрическим сопротивлением, механической прочностью. При этом, в зависимости от способа и места прокладки трубопроводов, к тепловой изоляции предъявляются разные требования: для трубопроводов котельных и ТЭС - это низкая теплопроводность и высокая температуростойкость; для трубопроводов подземной прокладки - во-первых, низкое влагопоглощение, во-вторых, низкая теплопроводность. Эффективные теплоизоляционные материалы с высокой пористостью, легко впитывающие влагу из окружающей среды, не пригодны для трубопроводов подземной прокладки. Так, например, коэффициент теплопроводности минеральной ваты при объемной влажности 20% в 3 раза выше, чем у сухой ваты с влажностью не более 0,5% [3].

Тепловую изоляцию при подземной прокладке трубопроводов гидроизолируют специальными мастиками. Гидроизоляцией покрывают и наружную поверхность труб для исключения коррозии металла при возможном повреждении изоляционного покрытия.

Для исследования эффективности применения энергосберегающих красок проведена серия экспериментов по измерению температур и тепловых потоков на трубопроводах горячей воды, расположенных в тепловом пункте под проезжей частью дороги на пересечении ул. Калинина и ул. Фурманова г. Иваново.

Тепловой пункт предназначен для размещения запорной арматуры трубопроводов отопления и горячего водоснабжения. В тепловом пункте проходят два трубопровода прямой и обратной сетевой воды диаметром 219 мм и длиной 2300 мм. Тепловой пункт регулярно затапливается водой, проникающей через люки с проезжей части дороги и через каналы трубопроводов при авариях на магистралях. Из-за высокой обводненности грунта теплового пункта обслуживающий персонал, выполняющий оперативные переключения в системе теплоснабжения, использует трубопроводы в качестве трапов для прохода к запорной арматуре и, как следствие, к механическим повреждениям тепловой изоляции и ее гидроизоляционного слоя. Поэтому тепловая изоляция намокает, а повышенная влажность приводит к коррозии металла трубопроводов. Высокая влажность и механические нагрузки от действий обслуживающего персонала приводят к утрате теплоизоляционных свойств пористой изоляции, и поэтому ее применение становится нецелесообразным.

Для снижения коррозии металла и уменьшения тепловых потерь теплоносителя предложено покрыть трубопроводы в тепловом пункте энергосберегающей краской. Перед покраской трубопроводы были очищены от пыли и грязи при помощи металлической щетки. Покраска трубопроводов проводилась малярной кистью в два этапа: 1) нанесение грунтовочного слоя; 2) нанесение основного слоя энергосберегающей краски. Средняя толщина слоя краски, измеренная штангенциркулем, составила _кр = 2,5 ± 0,2 мм.

Эффективность применения энергосберегающей краски определена сравнением температуры наружной стенки трубопроводов и тепловых потоков с их поверхности «до» и «после» покраски. Эксперименты выполнены при помощи измерителя плотности тепловых потоков и температуры ИТП-МГ4.03/Х(I) «Поток» с относительной погрешностью измерения плотности теплового потока ±6% и абсолютной погрешностью измерения температуры ±0,2°С. Датчики измерения температур и тепловых потоков были установлены на предварительно очищенную от ржавчины поверхность трубопроводов при помощи медного провода и клейкой ленты. Измерения температур и тепловых потоков выполнены в два этапа: 1) на неокрашенных трубопроводах; 2) через три недели после покраски. Между измерениями тепловой пункт и покрашенные трубопроводы были затоплены горячей водой из-за аварии на теплотрассе. Затопление трубопроводов не привело к разрушению слоя энергосберегающей краски, что характеризует стойкость данного вида покрытий к действию влаги. Результаты эксперимента приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты измерений до и после нанесения на трубопроводы энергосберегающей краски

Анализ результатов измерений показывает, что при использовании тонкопленочных покрытий происходит уменьшение тепловых потерь и снижение температуры поверхности окрашенных трубопроводов. Нанесение тонкопленочного покрытия уменьшило тепловые потери от прямого трубопровода на 42,5%, а от обратного трубопровода на 63,4%; снизило температуру поверхности прямого трубопровода на 17°С, обратного - на 23,1°С. По температуре и значению теплового потока рассчитано термическое сопротивление теплопередаче до и после нанесения энергосберегающего покрытия. Величина термического сопротивления теплопроводности энергосберегающей краски и измеренная толщина ее слоя позволили сделать оценку коэффициента теплопроводности энергосберегающей краски. Среднее значение коэффициента теплопроводности энергосберегающей краски составило 0,0442 Вт/(м·К). Экспериментально найденный коэффициент теплопроводности энергосберегающей краски приблизительно равен коэффициенту теплопроводности сухой минеральной ваты ( = 0,05 Вт/(м·К)), поэтому значения толщины энергосберегающей краски и минераловатной изоляции должны быть одного порядка, что экономически невыгодно. Однако в условиях повышенной влажности теплоизоляционные свойства минераловатных утеплителей резко уменьшаются и использование энергосберегающей краски становится экономически целесообразным энергосберегающим мероприятием.

Применение энергосберегающих красок для утепления фасадов зданий. Российская Федерация является одним из мировых лидеров по производству тепловой энергии, идущей на отопление зданий и строений. Однако удельные показатели потребления тепловой энергии на отопление, отнесенные к единице площади, в 2-3 раза больше, чем в странах Европы одной климатической зоны с Россией (Швеция, Норвегия, Финляндия). Потери тепла через стены оцениваются в 40-45% от общих тепловых потерь помещения. Для индивидуальных жилищ эти потери в 2,5-4 раза выше, чем в помещениях многоэтажной застройки [2, 11, 12]. Поэтому повышение теплозащитных свойств наружных ограждающих конструкций зданий является актуальной задачей увеличения энергетической эффективности жилищно-коммунального хозяйства страны.