Исследование тепловой изоляции на основе вспененного полиэтилена в форме трубок. Часть 3. Теплопроводность. 12/2019. Фото 1

Введение

Коэффициент теплопроводности (далее «теплопроводность») — это один из важнейших показателей эффективности теплоизоляционных материалов (ТИМ), определяемый физической величиной, равной количеству тепла, которое переносится через единичную поверхность за одну секунду при единичном градиенте температур. Теплопроводность ТИМ зависит в первую очередь от плотности материала, от размера ячейки материала, пористости, а для материалов с низкой плотностью теплопроводность зависит ещё и от коэффициента излучения (степени черноты или «прозрачности»).

Теплопроводность как процесс в чистом виде не характерен для ТИМ, для подобных материалов передача тепловой энергии является результатом комплекса сложных процессов теплообмена, включая конвекцию, теплопроводность и лучистый теплообмен. В научной терминологии используется термин «эквивалентный коэффициент теплопроводности», в технической терминологии — термин «коэффициент теплопроводности», а в общем, популяризированном лексиконе — «теплопроводность».

Функция тепловой изоляции в конструкции заключается в формировании основного термического сопротивления тепловому потоку. Теплопроводность обратно пропорциональна тепловому сопротивлению материала, следовательно, можно считать, что теплопроводность является основной характеристикой теплоизоляционного материала. При выполнении теплотехнических расчётов инженеры отталкиваются от декларируемых производителями, ГОСТ и иной нормативно-технической документацией (НТД) значений теплопроводности ТИМ. Недостоверные величины данного параметра приводят к невыполнению основной функции изделия, а именно к снижению теплового взаимодействия и к неработоспособности или неэффективности конструкции.

Насколько параметры закупаемых изделий, декларируемые производителями, соответствуют стандартам, и какие проблемы могут возникнуть с определением достоверного значения теплопроводности согласно ГОСТ Р 56729–2015 (EN 14313:2009) «Изделия из пенополиэтилена теплоизоляционные заводского изготовления, применяемые для инженерного оборудования зданий и промышленных установок. Общие технические условия», — подобные вопросы и будут рассмотрены в данной статье.

Основная часть

Объём выборки испытываемых изделий приведён в табл. 1.

Исследование тепловой изоляции на основе вспененного полиэтилена в форме трубок. Часть 3. Теплопроводность. 12/2019. Фото 2

Выдержки из ГОСТ Р 56729–2015:

«…Теплопроводность плоских образцов определяют по ГОСТ 7076 [3], теплопроводность плоских образцов изделий большой толщины — по ГОСТ 31924 [4], теплопроводность образцов цилиндрической формы — по ГОСТ 32025 [5]. Теплопроводность определяют с учётом требований, приведённых в 5.3.2.

5.3.2. Теплопроводность

Теплопроводность плоских изделий определяют по ГОСТ 7076, плоских изделий большой толщины — по ГОСТ 31924, изделий цилиндрической формы — по ГОСТ 32025. Испытания по ГОСТ 32025 допускается заменять испытаниями по ГОСТ 31924 или ГОСТ 7076 при условии, если эти испытания дают большую надёжность значений (значения выше).

Теплопроводность определяют для всего диапазона температур эксплуатации изделия…»

Согласно ГОСТ Р 56729–2015 теплопроводность трубчатой ТИМ должна испытываться в соответствии с ГОСТ 32025. ЛТИ выявила следующие ключевые моменты в данном стандарте, принимая во внимание сложившуюся ситуацию в России в области производства испытательного оборудования по измерению теплопроводности:

1. По данным ЛТИ, в России на данный момент нет ни одной установки, на которой возможно было бы проводить измерения согласно ГОСТ 32025 даже при одной фиксированной температуре, не говоря уже о выполнении требований стандарта в отношении определения теплопроводности в диапазоне температур от −40 до +150°C. Отечественное оборудование, основанное на ГОСТ 7076, в подавляющем большинстве позволяет проводить измерения теплопроводности только в температурном интервале от +20 до +50°C, при нормируемом ГОСТ 7076 диапазоне от −40 до +200°C.

2. В ГОСТ Р 56729–2015 допускается измерять теплопроводность трубчатых ТИМ по ГОСТ 7076 при условии, если эти испытания дают бóльшую надёжность значений (значения выше).

Рассмотрим ситуацию с «надёжностью получаемых значений» по ГОСТ 7076 в разрезе российской действительности.

ГОСТ 7076 был введён в 2000 году и до сих пор не актуализирован, что уже по определению указывает, что отрасль приборостроения в сегменте измерения теплопроводности находится в глубоком кризисе. Подробнее тему состояния отечественного производства установок по измерению теплопроводности в рамках данной статьи ЛТИ не раскрывает, ограничившись лишь несколькими тезисами.

Приборный парк в России в основном представлен тремя отечественными производителями:

  • компания ООО «ИзТех» с серией приборов «ПИТ»;
  • Научно-производственное предприятие «Интерприбор» с серией «ИТС-1″;
  • компания ООО «СКБ Стройприбор» с серией приборов ИТП-МГ4 [6],

и двумя иностранными компаниями:

  • LaserComp, Inc. (США) — серия приборов FOX 200;
  • Netzsch-Gerätebau (Германия) — серия приборов HFM 446 Lambda.

По удобству пользования, техническим возможностям, клиентоориентированности и точности измерения российские установки существенно проигрывают зарубежным. Исключением является серия приборов «ПИТ», которая обладает минимальной погрешностью измерений не только среди отечественных приборов, но и зарубежных, однако по всем остальным параметрам они также несопоставимо хуже иностранной продукци. Значительных изменений и улучшений в отечественной отрасли приборостроения не ожидается, поэтому можно сделать прогноз, что через десять лет все испытательные центры будут работать на иностранном оборудовании.

Научно-исследовательский институт по строительству трубопроводов провёл на базе ЛТИ испытания по определению теплопроводности исследуемых образцов на приборе ИТП-МГ4/100 «Поток» (рис. 1). По мнению Лаборатории тепловой изоляции, этот прибор является самым распространённым на российском рынке, соответственно, он и был выбран для проведения независимого исследования. Погрешность измерения «Потока» достигает ≈ 10% при максимально требуемой по ГОСТ 7076–3%.

Исследование тепловой изоляции на основе вспененного полиэтилена в форме трубок. Часть 3. Теплопроводность. 12/2019. Фото 3

Хотя точность получаемых результатов недостаточна высока, ЛТИ ставила цель не столько проверить на соответствие декларируемых производителями значений теплопроводности истинным показателям производимых изделий, а сравнить теплопроводность материалов различных производителей в единых условиях. Образцы испытывались на одном и том же приборе, в связи с чем результаты исследований можно считать достоверными и сопоставимыми.

Дополнительно стоит добавить, что ЛТИ закупила прибор HFM 446 Lambda немецкой марки Netzsch, как наиболее прогрессивный из доступных в России по определению теплопроводности.

Особенности испытаний трубчатой изоляции по ГОСТ 7076

ГОСТ Р 56729–2015 разрешает проводить измерение теплопроводности ТИМ в форме трубок по методике ГОСТ 7076. Однако в ссылочном стандарте не учитываются особенности испытаний теплоизоляционных изделий цилиндрической формы, поскольку ГОСТ 7076 предназначен для проведения измерений плоских образцов, и, как отмечалось выше, стандарт технически значительно устарел.

Первой и основной особенностью испытаний ТИМ в форме трубок по ГОСТ 7076 является тот факт, что регламентируемый в стандарте метод не учитывает особенности трубчатых ТИМ, он предназначен для испытаний плоских образцов.

В ходе проведения испытаний трубчатых изделий ТИМ по методике пластин согласно ГОСТ 7076 следует выделить ряд практических особенностей в данном стандарте:

1. Не из каждого ТИМ цилиндрической формы можно подготовить образец в виде плоской пластины. Приборы для определения теплопроводности имеют измерительную зону, сортамент доступных размеров которой у производителей начинается с диаметра ≈ 26 мм круглой формы рабочей зоны и ≈ 50×75 мм для квадрата. Отсюда следует, чтобы испытывать в таких установках образец из трубчатого изделия необходимо вырезать минимально возможный участок размерами ≈ 50 мм для измерений на приборах с круглой рабочей зоной и ≈ 50×50 или ≈ 100×100 мм для квадрата.

2. В отечественных приборах для обеспечения плотного контакта образца с рабочими зонами установки прилагается механическое усилие «вручную» в 2,5 кПа. Плотное прилегание необходимо для снижения размеров воздушной прослойки между поверхностью образца к измерительным зонам прибора, которая искажает истинные значения теплопроводности материала за счёт дополнительного термического сопротивления воздуха. Усилие в 2,5 кПа достаточно для плотного прилегания изначально плоского образца, однако для вырезанного образца из трубного изделия необходимо учитывать дополнительное усилие для выпрямления его изогнутых кромок. В противном случае образуется воздушная прослойка, которая приводит к занижению или «улучшению» выходных значений теплопроводности. Дополнительно размеры вырезаемого образца из изделия цилиндрической формы следует предусматривать меньше на ≈ 10%, чем размеры рабочей зоны с целью компенсации расширения образца в рабочей зоне.

3. В ГОСТ 7076 не указаны требования, как необходимо располагать образец трубчатой ТИМ в приборе. Образец необходимо помещать так, чтобы тепловой поток входил со стороны внутренней поверхности образца. При этом в отечественных установках тепловой поток направлен сверху вниз (нагревательная зона расположена в верхней части прибора), следовательно, образец необходимо помещать внешней образующей. Данное обстоятельство является критичным, поскольку, в зависимости от расположения образца, можно получить различные значения для одного и того же материала с заданными характеристиками (эта особенность применима для ряда производителей). Правильное расположение должно быть — внутренней поверхностью образца к направлению теплового потока.

АО «НИИСТ», принимая во внимание сложившуюся ситуацию в НТД, начала разрабатывать стандарт организации для обеспечения единства измерений трубчатых теплоизоляционных материалов по методике ГОСТ 7076.

ЛТИ проводила испытания теплопроводности теплоизоляционных материалов из вспененного полиэтилена в форме трубок методом пластин согласно ГОСТ 7076 на оборудовании ИТП-МГ4 «Поток» (как указывалось выше). Для проведения испытания были подготовлены образцы в виде прямоугольного параллелепипеда (рис. 2–6). Теплопроводность определялась при средней температуре 27,5°C, поскольку данный режим является оптимальным в соответствии с рекомендациями к прибору [6] для обеспечения максимальной точности измерений.

Исследование тепловой изоляции на основе вспененного полиэтилена в форме трубок. Часть 3. Теплопроводность. 12/2019. Фото 4

Исследование тепловой изоляции на основе вспененного полиэтилена в форме трубок. Часть 3. Теплопроводность. 12/2019. Фото 5

В табл. 2 приведены результаты проведённых испытаний теплопроводности.

Исследование тепловой изоляции на основе вспененного полиэтилена в форме трубок. Часть 3. Теплопроводность. 12/2019. Фото 6

Общие выводы

1. На территории России большинство испытательных лабораторий оснащены отечественным оборудованием, которое не позволяет проводить качественные (с высокой точностью) измерения теплопроводности трубчатых теплоизоляционных материалов в диапазоне эксплуатационных, рабочих температур, в отличие от установок зарубежного производства.

2. Основной ГОСТ Р 56729–2015 не содержит необходимых минимальных требований к испытаниям теплопроводности теплоизоляционных материалов, выполненных в форме трубок. А ГОСТ 7076 не соответствует достаточному уровню качества и требований для определения теплопроводности трубчатых ТИМ из вспененного полиэтилена.

3. В ГОСТ Р 56729–2015 следует внести дополнительное требование, заключающееся в унификации температуры, при которой определяются значения теплопроводности производимых теплоизоляционных материалов.

В настоящий момент производители декларируют коэффициент теплопроводности своих изделий при разных температурах, что приводит к сложностям или даже практической невозможности (из-за отсутствия единой формулы температурной зависимости теплопроводности вспененного полиэтилена) сравнить теплопроводность производимых изделий и провести качественное их соответствие истинным показателям.

4. Исходя из пп. 1 и 2, теплопроводность является самым «фальсифицируемым» показателем среди производителей рассмотриваемой продукции. Заводы-изготовители указывают недостоверные значения теплопроводности своих материалов, зная, что истинные показатели данной характеристики невозможно проконтролировать (а также доказать их несоответствие декларируемым) в связи с несовершенством нормативной регуляторной базы и отсутствием точных измерительных приборов в России.

5. В ходе проведённых испытаний выявлено, что из 11-ти исследуемых образцов только два (П7 и П8) соответствуют заявленным значениям теплопроводности, а значит, их производители выдерживают на высоком уровне качество своей продукции и не фальсифицируют её показатели. Все остальные материалы показали значения теплопроводности существенно более низкие (≥ 10%), чем декларируемые производителями.