Виртуальный стенд для определения тепловых характеристик вакуумных теплоизоляционных панелей

Введение. Представлены результаты экспериментального исследования теплоизоляционных характеристик вакуумных панелей с использованием цифровой копии стенда. Объектом исследования является вакуумная теплоизоляционная панель, образованная в виде герметичного корпуса в форме параллелепипеда с ребрами жесткости внутри. При пониженном давлении воздуха внутри корпуса удельное тепловое сопротивление таких вакуумных теплоизоляционных панелей становится больше удельного теплового сопротивления современных теплоизоляционных материалов. При использовании таких панелей в качестве теплоизоляции наземных транспортных средств, в частности пассажирских и рефрижераторных железнодорожных вагонов, можно достичь значительного снижения затрат энергии на отопление или кондиционирование внутреннего помещения. Экспериментальное определение тепловых характеристик вакуумных теплоизоляционных панелей из-за их существенной неоднородности сопряжено со значительными затратами времени и использованием дорогостоящего оборудования. Цель исследования заключается в разработке способа определения теплового сопротивления теплоизоляционных материалов с внутренней неоднородностью за минимальное время с приемлемой точностью.

Материалы и методы. Методы исследования сочетают физический эксперимент над тремя опытными образцами вакуумной теплоизоляции и численный эксперимент над 3D-моgелями этих образцов. В частности, для тарировки экспериментального стенда использовался его цифровой аналог — виртуальный стенд, выполненный в виде 3D-модели в программе SolidWorks.

Результаты. Исследование нестационарного теплового процесса на модели стенда в SolidWorks Simulation по-зволило сократить время физического эксперимента до 40 мин и установить значения эффективного коэффициента теплопроводности трех опытных образцов вакуумных теплоизоляционных панелей.

Обсуждение и заключение. Исследование стационарного теплового процесса 3D-моделей опытных образцов вакуумных теплоизоляционных панелей в программе SolidWorks Simulation показало, что расхождение между опытными и расчетными значениями эффективного коэффициента теплопроводности составляет менее 5 %. Предлагаемый метод определения эффективного коэффициента теплопроводности материалов может использоваться при входном и выходном контроле теплоизоляции пассажирского вагона во время капитального ремонта.

1. ГОСТ 34681-2020. Вагоны пассажирские локомотивной тяги. Общие технические требования: дата введения 2021-03-01. М.: Стандартинформ, 2020, 36 с.

2. Balalaev A., Parenyuk M., Arslanov I., Ziyatdinov A. Mass and heat-insulation properties of the bodies of passenger and insulated railway cars made of vacuum honeycomb panels. Journal of Applied Engineering Science. 2018;16(1):50-59. https://doi.org/10.5937/jaes16-13888.

3. Патент № 2571834 C2 Российская Федерация, МПК B61D 17/18, B60P 3/20, F16L 59/065. Вакуумное теплоизоляционное изделие (варианты): № 2013157470/11: заявл. 24.12.2013: опубл. 20.12.2015 / Балалаев А. Н., Мокшанов А. С., Попов Д. А. 13 с.

4. British Standard BS 874. British standard methods for determining thermal insulating properties. Part 3: Tests for thermal transmittance and conductance. Section 3.1: Guarded hot-box method. Released 1986-11-28. London: British Standards Institution; 1987. 26 p.

5. British Standards BS EN 675:2011. Glass in building. Determination of thermal transmittance (U value). Heat flow meter method. Released 2011-06-30. London: British Standards Institution; 2011. 18 p.

6. British Standards BS EN ISO 8990:1996. Thermal insulation. Determination of steady state thermal transmission properties. Calibrated and guarded hot box. Released 1996-12-15. London: British Standards Institution; 1996. 26 p.

7. ISO 9869-1-2014. Thermal insulation — Building elements — In-situ measurements of thermal resistance and thermal transmittance. Released 2014-08-01. Geneva: ISO; 2014. 36 p.

8. BS EN ISO 8990:1996. Thermal insulation. Determination of steady-state thermal transmission properties. Calibrated and guarded hot box. Released 1996-12-15. London: British Standards Institution; 1998. 26 p.

9. ASTM C1046-95. Standard Practice for In-Situ Measurement of Heat Flux and Temperature on Building Envelope Components. West Conshohocken: ASTM; 2021. 10 p. https://doi.org/10.1520/C1046-95R21.

10. ASTM C1155-95. Standard practice for determining thermal resistance of building envelope components from the in-situ data. West Conshohocken: ASTM; 2021. 8 p. https://doi.org/10.1520/C1155-95R21.

11. Atsonios I. A., Mandilaras I. D., Kontogeorgos D. A., Founti M. A. A comparative assessment of the standardized methods for the in-situ measurement of the thermal resistance of building walls. Energy and Building. 2017;154:198-206. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.08.064.

12. Baldinelli G. A methodology for experimental evaluations of low-e barriers thermal properties: field tests and comparison with theoretical models. Building and Environment. 2010;45(4):1016-1024. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2009.10.009.

13. Gaspar K., Casals M., Gangolells M. A comparison of standardized calculation methods for in situ measurements of facades U-value. Energy and Buildings. 2016;130:592-599. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.08.072.

14. Deconinck A.-H., Roels S. Comparison of characterisation methods determining the thermal resistance of building components from onsite measurements. Energy and Buildings. 2016;130:309-320. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.08.061.

15. Desogus G., Mura S., Ricciu R. Comparing different approaches to in situ measurement of building components thermal resistance. Energy and Buildings. 2011;43(10):2613-2620. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2011.05.025.

16. Chaffar K., Chauchois A., Defer D., Zalewski L. Thermal characterization of homogeneous walls using inverse method. Energy and Buildings. 2014;78:248-255. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2014.04.038.

17. Arya F., Moss R., Hyde T., Shire S., Henshall P., Eames P. Vacuum enclosures for solar thermal panels. Part 1: Fabrication and hot-box testing. Solar Energy. 2018;174:1212-1223. https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.10.064.

18. Arya F., Moss R., Hyde T., Shire S., Henshall P., Eames P. Vacuum enclosures for solar thermal panels. Part 2: Transient testing with an uncooled absorber plate. Solar Energy. 2018;174:1224-1236. https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.10.063.

19. Dulnev G. N. The theory of thermal regular regime and its application to the determination of thermal characteristics. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1960;1(2-3):152-160. https://doi.org/10.1016/0017-9310(60)90019-3.

20. Nekhendzi E. J. Method of a regular regime for the determination of variable thermal coefficients. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1961;3(4):311-320. https://doi.org/10.1016/0017-9310(61)90046-1.

21. Голубин А. А., Белова Н. В., Науменко С. Н. Влияние погрешностей измерения при определении коэффициента теплопередачи ограждающих конструкций изотермического вагона // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2019. Т. 78, № 2. С. 100-104 https://doi.org/10.21780/2223-9731-2019-78-2-100-104.

22. Балалаев А. Н., Тимкин Д. М. Теоретические и экспериментальные исследования вакуумной панели ячеистой структуры // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 8 (110). С. 39-47 https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.110.8.006.