В настоящее время для теплоизоляции тепловых агрегатов все чаще используются волокнистые теплоизоляционные материалы (ТИМ), выгодно отличающиеся низкой теплопроводностью, высокими температурами эксплуатации, химической инертностью и низкой плотностью [1, 2]. Известно, что футеровка тепловых агрегатов волокнистыми материалами позволяет в 2–2,5 раза снизить массу печи, в 2 раза снизить инерционность, на 25–50% уменьшить затраты энергии [3–9].

В промышленности широко представлены различные виды волокнистых теплоизоляционных материалов, различающихся видом исходных минеральных волокон. Основными характеристиками теплоизоляционных материалов являются их максимальная рабочая температура и коэффициент теплопроводности.

По уровню температур высокотемпературные изоляционные материалы можно разделить на четыре группы:

– с максимальной рабочей температурой до 700°С. К ним относятся многие строительные и теплотехнические изоляции общего назначения, органические и неорганические: минеральная вата, стекловата, ячеистые бетоны, пеностекло, асбестовые, каолиновые и другие теплоизоляционные изделия;

– огнеупорные, волокнистые и засыпные изоляции с максимальной рабочей температурой до 1750°С, главным образом на основе оксидной керамики из SiО₂, Аl₂O₃, MgO, ZrO₂, ZrSiO₄, шамотные и динасовые легковесные изделия;

– высокоогнеупорные пористые изоляции с предельной рабочей температурой до 2300–2500°С – из корунда, магнезита, хромомагнезита и диоксида циркония, а также из высокоогнеупорных оксидов бериллия, иттрия, скандия и др.;

– особо высокотемпературные изоляции с предельной рабочей температурой ˃2500°С. Изоляции этой группы изготовляют из углеграфитовых материалов, на основе тугоплавких металлов и их соединений и сплавов, а также из некоторых оксидов: ThO₂, HfO₂ [10–18].

Следствием наличия большого ассортимента волокон и волокнистых материалов стало использование в качестве футеровки для высокотемпературных печей многослойной волокнистой теплоизоляции. При этом при выборе количества и состава слоев теплоизоляции учитывались только температура эксплуатации материала и технико-экономические показатели установки. Так, в зону с высокой температурой устанавливается более дорогой и жаростойкий материал, в зону с более низкой температурой – более дешевый материал.

Исследования теплофизических свойств ряда волокнистых материалов показали, что можно оптимизировать подбор материалов по слоям, основываясь не только на составе материала, но и на его плотности как характеристики, напрямую влияющей на теплопроводность. Подобрав материал на основе одного вида волокон, но разной плотности, можно оптимизировать свойства теплоизоляции сразу по нескольким параметрам. Из зависимости коэффициента теплопроводности от плотности волокнистого теплоизоляционного материала на основе волокон оксида алюминия следует, что более плотный материал имеет более низкие значения коэффициента теплопроводности в области температур выше 1000–1200°С, а низкоплотные материалы имеют минимум значений теплопроводности при температурах ниже 800–900°С [19]. Таким образом, первым шагом к оптимизации структуры теплоизоляции высокотемпературной энергетической установки является применение двухслойного материала, более плотной стороной обращенного к горячей зоне.

Особенности поведения многослойных и двухслойных теплоизоляционных материалов можно выявить, изучая процесс изменения температуры в многослойном материале при одностороннем нагреве.

Экспериментальная установка

Эксперименты проводили на нестандартном испытательном стенде с односторонним расположением силитовых нагревателей. Схема рабочей части стенда приведена на рис. 1. Источником теплового потока являются силитовые нагреватели, расположенные в нижней части рабочего пространства над подом и изолированные со всех сторон, кроме верхней части. Над нагревателями устанавливается защитная маска, в которой вырезано окно для образца размером 100×100 мм. На это окно сверху накладывается образец гибкого ТИМ, размеры которого превышают размеры окна, причем для максимального приближения к условиям одностороннего нагрева вся боковая поверхность ТИМ также изолируется. На верхнюю поверхность образца помещается алюминиевая пластина.

 Рисунок 1. Схема рабочей зоны испытательного стенда:

1 – металлическая (алюминиевая) пластина; 2 – образец испытываемого материала; 3 – термопара «холодной» стороны; 4 – теплоизоляция стенда; 5 – защитная маска; 6 – термопара «горячей» стороны; 7 – силитовые нагреватели

Расстояние между силитовыми нагревателями и «горячей» поверхностью образца составляет 50 мм. Измерение и регулирование температуры производится с помощью термоэлектрических датчиков, расположенных на горячей поверхности ТИМ (у нагревателей), на металлической пластине и внутри образца ТИМ. Показания всех датчиков фиксируются с помощью контрольно-следящего прибора типа РМТ 39-DM, сопряженного с компьютером.

Образцы ТИМ квадратной формы с размером стороны 130±10 мм и толщиной 50±2 мм вырезали из волокнистых матов: либо из одного мата толщиной 50 мм, либо набирали послойно из матов толщиной 5, 10 или 15 мм.

В ходе эксперимента испытываемый образец нагревали до температуры 1200°С и выдерживали до момента установления стационарного теплового потока (прекращение роста температуры на «холодной» стороне образца).

Также возможно проводить испытания при температуре 1590°С, что является максимально достижимой температурой на данном стенде. Продолжительность выдержки при максимальной температуре не превышает 6–10 мин, что обусловлено техническими возможностями установки и не позволяло добиться установления стационарного теплового потока.

На «холодной» поверхности образца ТИМ располагали металлическую пластину из алюминиевого сплава, температуру которой измеряли термоэлектрическим датчиком. Из различных способов обеспечения теплового контакта термопары с поверхностью алюминиевой пластины (винтовое крепление, зачеканивание спая в отверстие на пластине, помещение спая в расплав капли олова на пластине) оптимальным оказалось прижатие спая термопары к пластине с помощью груза.

Результаты экспериментов

В качестве эталонных использовали образцы жесткого материала с плотностью 140 кг/м³ с известной теплопроводностью. Изменение температуры на холодной стороне образца в зависимости от продолжительности нагрева представлено на рис. 2.

 Рисунок 2. Режим испытания образцов на испытательном стенде (□)

при падении температуры в волокнистом кварцевом материале (■)

Установка выходила на температуру выдержки в течение 20 мин, к этому времени температура на «холодной» стороне ТИМ увеличивалась незначительно. После выхода на температуру выдержки температура на «холодной» стороне образца медленно росла (в течение 35–40 мин), затем установилась на одном уровне (небольшой рост температуры в пределах погрешности измерений).

Исследовались образцы с различной плотностью, полученные методом вакуумного формования из волокнистой пульпы после гомогенизации на миксерной мешалке [1, 2]. Полные режимы испытания однослойного гибкого материала с плотностью 120 кг/м³ и многослойного материала с расположением слоев по возрастанию плотности в направлении стороны с высокой температурой представлены на рис. 3.

 Рисунок 3. Полные режимы испытания (□ – температура «горячей» стороны) однослойного гибкого материала (■) и многослойного материала (○) на испытательном стенде

 Рисунок 4. Изменение температур на «холодной» стороне образца для однослойного (1)

и градиентного материалов (2) при температурах 1200 (а) и 1590°С (б)

Наибольший интерес представляло поведение многослойного образца с уменьшением градиента плотности по направлению к «холодной» стороне. Измерена разница температур при длительной выдержке при температуре 1200°С при установившемся тепловом потоке на «холодной» пластине при исследовании волокнистого материала с плотностью ~100 кг/м³ и образца градиентного материала со средней плотностью
170–200 кг/м³ (рис. 4, а).

Результаты сравнения температур на «холодной» стороне однородного и градиентного образцов при максимальной температуре 1590°С приведены на рис. 4, б. Как упоминалось выше, так как продолжительность выдержки при максимальной температуре незначительна, то установления режима стационарного теплового потока достичь не удалось.

Обсуждение результатов

В работе [20] представлены результаты исследования теплопроводности различных волокнистых материалов. На основании зависимостей коэффициента теплопроводности λ от температуры и плотности материала можно сделать вывод, что менее плотные материалы в области температур ниже 1000–1200°С имеют λ более низкий, чем более плотные. В области температур выше 1200°С коэффициент теплопроводности более плотных материалов ниже, чем у менее плотных. Установлено, что в зоне относительно более низких температур менее плотные материалы работают лучше в качестве теплоизоляционных, а в зоне более высоких температур лучше работают более плотные материалы.

Использование материала, имеющего градиент плотности в направлении более горячей стороны (состоящий из слоев различной плотности и, возможно, состава), позволит: оптимизировать состав теплоизоляции; уменьшить стоимость материала благодаря использованию более дешевых материалов в качестве низкотемпературных слоев. Возможно также использование слоев материалов с иными, например, радиофизическими свойствами. Исследование свойств подобных материалов будет предметом дальнейших испытаний.

Результаты, полученные в ходе исследования разницы температур однослойных и градиентных материалов, показывают, что до 1000–1100°С значения температуры на «холодной» пластине близки для разных видов материалов, имеющиеся различия
(5–15°С) можно объяснить погрешностями эксперимента и несовершенством методики.

При возрастании температуры до 1590°С и незначительной выдержке при этой температуре разница в значениях температуры на пластине с «холодной» стороны выросла до 50‒60°С и, видимо, продолжала бы возрастать по мере приближения к режиму установившегося теплового потока.

Таким образом, использование градиентного материала в качестве теплоизоляционного позволит оптимизировать материал по толщине и плотности слоев. Уменьшение плотности высокотемпературных волокон на основе оксида алюминия в составе ТИМ позволит снизить стоимость материала. Использование слоистой структуры позволит использовать в менее горячих зонах слои, изготовленные из более дешевых видов волокон, а также слои материала, обладающие заданными свойствами (например, радиофизическими), что позволит в дальнейшем создать многофункциональную теплоизоляцию.