Сохраняя тепло

Что же такое теплопроводность?

Теплопроводность — процесс передачи теплоты при непосредственном соприкосновении различных тел или отдельных частиц тела, имеющих разные температуры [1].

Теплопроводность представляет собой процесс передачи теплоты соприкасающимися, беспорядочно движущимися структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами и др.). Структурные частицы более нагретой части тела, обладающей большей энергией, соприкасаясь с окружающими частицами, передают им часть своей энергии. Как правило, теплопроводность в чистом виде возможна только в сплошных по структуре твердых телах.

Этот вид теплообмена наблюдается в любых термически неравновесных телах или системах тел. Механизм переноса энергии зависит от физического состояния тел.

В металлах перенос теплоты осуществляется путем движения (диффузии) свободных электронов; передача теплоты за счет упругих колебаний кристаллической решетки второстепенна.

В жидкостях, в твердых телах-диэлектриках перенос теплоты осуществляется путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним частицам вещества.

В газах перенос теплоты теплопроводностью происходит вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих различную скорость теплового движения (путем диффузии молекул и атомов) [1].

Основной характеристикой процесса передачи тепла за счет теплопроводности является коэффициент теплопроводности — λ (Вт/м·К). Коэффициент теплопроводности (КТ) показывает какое количество тепла переносится через единичную поверхность за 1 секунду если градиент температур (ΔТ) равен единице (1°С или 1 К) [2] и определяется по формуле (1):

где: λ — теплопроводность; Q — количество передаваемой теплоты; d — расстояние между двумя изотермическими плоскостями; ΔТ — разность температур между нагретой и холодной поверхностями.

Кроме того практически значимой характеристикой объектов может также служить температуропроводность — коэффициент температуропроводности а (м²/с), который характеризует скорость распространения температуры в материале и определяется по формуле (2) [3]:

где: λ — коэффициент теплопроводности (Вт/м·К); С — теплоемкость (Дж/кг·К); ρ — плотность вещества (кг/м³).

На кафедре наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов (НВКМ) им А.И. Меоса Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна (СПбГУПТД) был проведен огромный объем исследования, который характеризует теплопроводность различных материалов и устройств. Нами разработаны пористые, электропроводящие материалы с очень низкой теплопроводностью и температуропроводностью (λ = 0,054–0,068 Вт/м·К).

Основной объем исследований и внедренческих работ был проведен с 2012 по 2017 гг. Внедрение технологий состоялось на ОАО «СветлогорскХимволокно» (Республика Беларусь), где и сейчас работает опытная установка, выпускающая по заказу разработанные материалы.

Что же это за материалы?

В первую очередь это пористые теплозащитные материалы на основе углеродных волокон, способные работать при температурах 2000–3000°С.

Образцы теплозащитных углерод-углеродных композитных материалов, разработанных на кафедре НВКМ

В рамках программы Союзного государства Россия-Белоруссия специалистами кафедры НВКМ совместно с ОАО «СветлогорскХимволокно» были разработаны и внедрены на опытном производстве пористые электропроводящие и теплоизоляционные углеродные, в том числе углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ).

Имеющийся задел и накопленный на кафедре НВКМ опыт позволяет внедрить данные технологии и на территории Российской Федерации.

Сопло из углерод-углеродного композита

Разработанные теплоизоляционные материалы способны работать при температурах вплоть до 3000°С в среде инертных газов или вакууме. Такие материалы предназначены для создания высокотемпературного оборудования или защиты от теплового воздействия в среде инертных газов или вакууме. Например, их применяют в аппаратах спекания различных металлов или получения суперпрочных углеродных волокнистых материалов как из полиакрилонитрила (ПАН), так и из других прекурсоров, а также получать углерод-углеродные и углерод-полимерные материалы, способные работать в условиях сверхвысоких температур. В частности использоваться в качестве абляционной защиты и защиты от высокотемпературного огневого воздействия.

Демонстрация тепло- и огнезащитных свойств углеродных композитов

Из полученных материалов также могут быть изготовлены теплоизоляционные электронагреваемые панели, способные работать и при низких температурах (вплоть до «минус» 60 °С и ниже) и эффективно защищать от низкотемпературного воздействия как постройки и сооружения, так и технику. Образцы таких панелей обладают низкой плотностью, достаточной прочностью, не накапливают конденсат, и могут рассматриваться в качестве перспективных материалов для разработки новых видов теплозащиты в интервале температур от −60 до +150°С, например, для решения задач термоизоляции оборудования, зданий и сооружений в условиях низких температур Арктики, Крайнего Севера и Антарктики.

Перспективными теплозащитными материалами могут являться углеродные аэрогели на основе аэрографитов и углеродные пены. Что касается углеродных аэрогелей и пен, то следует уточнить, что термины «аэрографиты», «аэрогели» и «пены» — во многих случаях тождественны, и эти материалы имеют одинаковые свойства. Вместе с тем, углеродные пены — субстанции с более грубой структурой, но более дёшевы в изготовлении, чем аэрографиты или графены, что делает их привлекательными в области получения, исследования свойств и практического применения приборов, устройств и оборудования, работающих при температурах от 1000 до 3000°С. Основными недостатками углеродных пен и аэрогелей являются не только высокая стоимость. В настоящее время не разработаны промышленные технологии изготовления из них изделий с длиной 2000 мм, шириной 1000 мм и толщиной 200–500 мм.

Углеродная теплоизоляция высокотемпературной печи

Наиболее простыми, но в то же время наиболее удобными для исследований, являются многослойные структуры, состоящие из комбинаций пористых углеродных и углеволокнистых слоев, обладающих низкой теплопроводностью. В результате проведенных экспериментов на кафедре НВКМ были получены также образцы углерод-углеродных композиционных материалов, содержащие внутренний вспененный слой (λ ≈ 0,07 Вт/м·К; плотностью ≈ 0,29 г/см³).

Сравнение коэффициентов теплопроводности разработанных образцов УУКМ с коэффициентами теплопроводности промышленно выпускаемой в настоящее время теплоизоляции из УУКМ, например торговой марки Sigratherm (Германия, 0,170 Вт/м·К), или используемой российской компанией — производителем высокотемпературных печей ООО «НПК «ГКМП» (0,05–0,10 Вт/м·К), а также выпускаемых углеродных пен, показывает перспективность применения разработанных УУКМ в качестве импортозамещающего теплоизоляционного материала.

Список литературы

1. Жедяевский, Д.Н. Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов. Учебно-методические указания к лабораторной работе по курсу «Расчет и конструирование оборудования нефтегазопереработки» / Д.Н. Жедяевский, В.А. Лукьянов, А.А. Мотовилин, Д.Н. Чикичев – М.: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2013. – 26 с
   
2. Харламов, А.Г. Теплопроводность высокотемпературных теплоизоляторов. — М: Атомизат, 1980. — 100 с.
   
3. Теплофизические измерения и приборы / Е.С. Платунов, СЕ Буравой, В.В. Куперин, Г.С. Петров; под общ ред. Е.С. Платунова. — Ленинград: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986. — 256 с.
   
4. Лукичева, Н.С. Многослойные материалы для теплозащиты / Н.С. Лукичева, В.В. Марценюк, А.А. Лысенко, А.С. Беспалов, Д.Я. Баринов // Композиты и наноструктуры. — 2020. — Том 12. — № 1 (45). — С. 14-20.