Experimental study of the thermal conductivity of composite materials collectors of solar energy
The aim is to measure the effective thermal conductivity of a series of designs to select optimal composition and its use in solar energy collectors. Detailed analysis of existing experimental methods for determining thermal conductivity showed that the most suitable for the study of co...
Збережено в:
| Дата: | 2016 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2016
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/120 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871102973259546624 |
|---|---|
| author | Reztsov, V. Surzhyk, O. |
| author_facet | Reztsov, V. Surzhyk, O. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "V. Reztsov",
"institution": "Institute of Renewable Energy, NAS of Ukraine"
},
{
"author": "O. Surzhyk",
"institution": "Institute of Renewable Energy, NAS of Ukraine"
}
] |
| author_sort | Reztsov, V. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:10Z |
| description | The aim is to measure the effective thermal conductivity of a series of designs to select optimal composition and its use in solar energy collectors. Detailed analysis of existing experimental methods for determining thermal conductivity showed that the most suitable for the study of composite materials are techniques developed for flat samples. An important feature of these methods - simple manufacturing technology designs, the shape of the disk. Investigatedcomposite materials, which included a base component, fillers, and binders. For data were obtained graphs. |
| first_indexed | 2025-07-17T11:36:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2016. № 2 41
УДК621.3
В.Ф. Рєзцов1, чл.-кор. НАН України, О.М.Суржик2 (Інститут відновлюваної енергетики НАН України, Київ),
О.О.Охота3 (НТУУ "КПІ", Київ)
Експериментальне дослідження теплопровідності композиційних
матеріалів колекторів сонячної енергії
Виконано експериментальні дослідження теплопровідності композиційних матеріалів колекторів сонячної енергії на основі
вуглецю та наповнювачів. Бібл. 1, рис. 2.
Ключові слова: сонячний колектор, композиційний матеріал, теплопровідність.
ORCID: 10000 – 0001-8431-3968; 20000 – 0002 – 7403 – 8584; 30000 – 0002 – 4147 – 2931
Вступ. На сьогодні рівень розвитку пасивних
сонячних технологій в Україні дуже низький. Ві-
дсутні надійні та довговічні матеріали з відповід-
ними теплотехнічними характеристиками, які б
відповідали вимогам новітніх технологій соняч-
ного пасивного теплопостачання.
В результаті виконання даної роботи будуть
розроблені нові композиційні матеріали, які з
успіхом можна буде застосовувати як для пасив-
ної, так і для активної сонячної енергетики. Вони
будуть задовольняти вимогам новітніх техноло-
гій у цій галузі, таким як довговічність, висока
надійність і теплопровідність, низька матеріало-
ємність, стійкість до впливу вологого середови-
ща, ультрафіолетового випромінювання і циклів
"заморожування – відтавання" та інших природ-
них екстремальних умов експлуатації.
Метою роботи є вимірювання ефективної
теплопровідності серії зразків для вибору опти-
мального складу композиції нових матеріалів для
використання їх у виробництві колекторів соняч-
ної енергії.
Готову композицію можна представити
однією моделлю при теоретичному розв’язанні
задачі теплопровідності з метою визначення
коефіцієнта теплоповідності. Однак значення
ефективної теплопровідності на основі розрахун-
кових даних можуть суттєво відрізнятися від ек-
спериментальних даних. Це пояснюється
наявністю в композиті повітряних бульбашок, які
виникають у процесі формування, нерівномір-
ністю розподілу по об’єму наповнювача та інши-
ми ненормованими відхиленнями від моделі
структури композиції [1].
Детальний аналіз існуючих експерименталь-
них методів визначення теплопровідності пока-
зав, що найбільш прийнятними для дослідження
композиційних матеріалів є методи, розроблені
для плоских зразків. Ці методи відрізняються
простою робочою формулою, фізичною наочніс-
тю процесів, відносною простотою апаратурного
оформлення і, відповідно, більш високою надій-
ністю отриманих результатів. Важливою
особливістю цих методів є проста технологія ви-
готовлення зразків, що мають форму диска.
Установка для вимірювання теплопро-
відності (рис. 1). Ефективна теплопровідність
вимірювалася з використанням приладу ІТ-4,
який призначений для вимірювання теплопро-
відності плоских зразків неметалевих матеріалів
у стаціонарному режимі методом пластини.
Розрахункова формула для визначення
теплопровідності:
T
hq
, (1)
де q – питомий тепловий потік, що пронизує зра-
зок, Вт/м2; h – товщина зразка, м; T – градієнт
температур на зразку, К.
Вимірювання теплового потоку, що
створюється електронагрівачем 4 і пронизує зра-
зок 1, здійснюється за допомогою тепломіра 2.
© В.Ф.Рєзцов, О.М.Суржик, О.О. Охота, 2016
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2016. № 2 42
Градієнт температур на поверхнях зразка
вимірюється термопарами 3, а товщина зразка –
індикатором товщини 5. Холодильник 6 слугує
для активного відводу теплоти від зразка
рідиною з термостату 7. Реєстрація термо-ЕРС
виконується за допомогою приладу Щ68000.
Електронагрівач 4 являє собою масивний
мідний корпус із вмонтованою ніхромовою
спіраллю, живлення якого відбувається від дже-
рела регульованої напруги 9.
Холодильник 6 являє собою порожнинний
проточний теплообмінник із тангенціальним вхо-
дом рідини і відводом із центральної частини, що
дозволяє уникнути застійних зон і повітряних
бульбашок. Активне відведення теплоти
відбувається за допомогою рідини, що циркулює
через холодильник за рахунок насоса термостату 7.
Для вимірювання теплового потоку, що
пронизує зразок, призначений тепломір 2, який
вмонтований у плоску поверхню холодильника.
Тепломір являє собою багатошарову
диференційну гальванічну термобатарею зі щіль-
но упакованими термопарами.
Рис. 1. Схема установки для вимірювання
теплопровідності:
1 – зразок; 2 – тепломір; 3 – термопари; 4 – нагрівач;
5 – індикатор товщини; 6 – холодильник; 7 – термостат;
8 – показуючий прилад; 9 – джерело живлення.
Робоча зона тепломіра являє собою диск діа-
метром 25 мм. Решту площі плоскої поверхні хо-
лодильника займає охоронна зона з такого ж ма-
теріалу, що дозволяє досягти рівномірного термі-
чного опору по всій площині.
Для вимірювання градієнту температур на
зразку використовуються стрічкові хромель-
алюмінієві термопари, вмонтовані в гумові підк-
ладки, що дозволяє знизити вимоги до обробки
поверхонь зразків.
Перемикач показуючого приладу 8 дозволяє
почергово підключати до вольтметра тепломір та
диференційовано включені термопари 3.
Датчиком температури слугує спай хромель-
алюмінієвої термопари, розміщеної в посудині
Дьюара з танучим льодом.
Метрологічне забезпечення установки. Для
забезпечення отримання достовірних результатів
вимірювання було проведено метрологічне
засвідчення установки згідно діючої методики
МІ 155-88 за допомогою мір теплопровідності
зразків з поліметилметакрилату ( = 0,196 Вт/м·К)
і оптичного скла ФЕЇ ( = 0,710 Вт/м·К) при
температурі 30±2°С. В результаті засвідчення от-
римано докази того, що сумарна відносна похибка
вимірювань теплопровідності не перевищує ±6%.
При вимірюванні термо-ЕРС використовува-
вся мілівольтметр класу не нижче 0,05. При
вимірюванні товщини зразка використовувався
індикатор товщини з похибкою вимірювання
±1·10-5 м. Похибка атестації мір теплопровідності
зразків складає ±3%.
Прилад для вимірювання теплопровідності
ІТ-4 пройшов державний приймальний контроль і
внесений у Державний реєстр вимірювальних мір і
приладів під №8440-88. Сумарна похибка
вимірювання теплопровідності зразків у діапазоні
від 0,035 до 150,0 Вт/м·К становить не більше ±6%.
Підготовка зразків і методика вимірю-
вань. Для отримання ефективної теплопровідно-
сті зразків композиційних матеріалів на основі
вуглепластику були підготовлені зразки діамет-
ром 100 мм і товщиною 5-7 мм.
Вимірювання підготовлених зразків прово-
дилися за середньої температури 30±5°С із
п’ятикратним розміщенням зразка у приладі ІТ-4
і перегортанням. За результат вимірювання
ефективної теплопровідності приймалося середнє
арифметичне значення із 5 розміщень.
Після кожного розміщення зразка в робочій
зоні приладу проводилась витримка протягом
30-40 хв. За цей час встановлювався гарантова-
ний стаціонарний тепловий режим. Після
закінчення витримки зразка з інтервалом у 5 хв
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2016. № 2 43
не менше 5 разів знімалися показники тепломіру
з термопар.
Результати вимірювань ефективної
телопровідності. Для вибору оптимального
складу композиції зразків матеріалу для колекто-
рів сонячної енергії досліджувались композицій-
ні матеріали, які включали базову складову, на-
повнювачі та зв’язуючі: Б – базова складова: ма-
тово-чорний графіт (алотропна модифікація вуг-
лецю), = 119 Вт/м·К; Н – наповнювачі: алюмі-
нієвий дріб (діаметр 1,5 мм), гумова крихта (діа-
метр 1-1,5 мм); З – зв’язуючі: смола поліефірна
ПН-21, нафтенат кобальту в стиролі, гіперіз.
Алюмінієвий дріб сприяє збільшенню жорсткості
матеріалу, а гумова крихта забезпечує його елас-
тичність та гнучкість. При складанні рецептури
строго дотримувались порядку введення компо-
нент: у 100 м.ч. (масових частин) смоли ПН-21 та
базової складової (співвідношення 1/1) ввести
наповнювачі, а потім добавити розчин нафтенату
кобальту в стиролі (5 м.ч.). Все швидко перемі-
шати, після чого ввести гіперіз – 4 м.ч. (не допус-
кати змішування нафтенату кобальту з гіперізом
за межами композиції). Умови затвердіння мате-
ріалу: холодне затвердіння протягом 24 годин.
Результати вимірювання ефективної
теплопровідності деяких зразків композиційних
матеріалів наведено на рис. 2.
Рис. 2. Ефективна теплопровідність зразків
композиційних матеріалів:
1. Б – базова складова: матово-чорний графіт; Н –
наповнювачі: алюмінієвий дріб (діаметр 1,5 мм), концент-
рація m, %; З – зв’язуючі: поліефірна смола ПН-21 + 5 м.ч.
нафтенату кобальту + 4 м.ч. гіперізу;
2. Б – базова складова: матово-чорний графіт; Н –
наповнювачі: алюмінієвий дріб (діаметр 1,5 мм), концент-
рація m, %, гумова крихта (діаметр 1-1,5 мм), концентрація
m, %; З – зв’язуючі: поліефірна смола ПН-21 + 5 м.ч. наф-
тенату кобальту + 4 м.ч. гіперізу;
3. Б – базова складова: матово-чорний графіт; Н –
наповнювачі: гумова крихта (діаметр 1-1,5 мм), концент-
рація m, %; З – зв’язуючі: поліефірна смола ПН-21 + 5 м.ч.
нафтенату кобальту + 4 м.ч. гіперізу.
Як можна побачити з рис. 2, на теплопровід-
ність матеріалу суттєво впливає концентрація
наповнювача. Збільшення кількості наповнювача
з гумової крихти сприяє зменшенню коефіцієнта
теплопровідності, тоді як збільшення кількості
металевого наповнювача до 30-35% сприяє знач-
ному підвищенню коефіцієнта теплопровідності.
Висновки. В результаті експериментального
дослідження ефективної теплопровідності компо-
зиційних матеріалів встановлено, що на теплоп-
ровідність матеріалу значно впливає концентра-
ція введеного наповнювача. Збільшення кількості
введеного металевого наповнювача до 30-35%
сприяє значному підвищенню коефіцієнта тепло-
провідності.
1. Суржик Т.В. Технологія виготовлення полімерних
сонячних колекторів // Відновлювана енергетика. – №2.
– 2008. – С. 36–38.
REFERENCES
1. Surzhyk T.V. Manufacturing technology of polymer solar
collectors // Renewable energy. – №2. – 2008. – Рp. 36–38 (Ukr).
В.Ф.Резцов, чл.-кор. НАН Украины, А.Н.Суржик (Инсти-
тут возобновляемой энергетики НАН Украины, Киев);
А.А.Охота (НТУУ "КПИ", Киев)
Экспериментальное исследование теплопроводности
композиционных материалов коллекторов солнечной
энергии
Выполнены экспериментальные исследования теплопровод-
ности композиционных материалов коллекторов солнечной
энергии на основе углерода и наполнителей. Бібл. 1, рис. 2.
Ключевые слова: солнечный коллектор, композиционный
материал, теплопроводность.
V.F.Ryeztsov, Corresponding Member of NAS of Ukraine,
О. М.Surzhyk (Renewable Energy Institute of NAS of Ukraine,
Kyiv); O.O.Okhota (NTUU "KPI", Kyiv)
Experimental study of the thermal conductivity of composite
materials collectors of solar energy
Experimental study of thermal conductivity of composite
materials Solar energy and carbon-based fillers. Reference 1,
figures 2.
Keywords: solar collector, composite material, thermal
conductivity.
СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2016. № 2 44
Summary
The aim is to measure the effective thermal conductivity
of a series of designs to select optimal composition and its
use in solar energy collectors. Detailed analysis of existing
experimental methods for determining thermal conductivity
showed that the most suitable for the study of composite
materials are techniques developed for flat samples. An
important feature of these methods - simple manufacturing
technology designs, the shape of the disk. Investigated
composite materials, which included a base component, fillers
and binders. For data were obtained graphs.
Стаття надійшла до редакції 04.06.16
Остаточна версія 14.06.16
|
| id | veorgua-article-120 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:00:48Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/e7/03df52773489642ee759e5791eae42e7.pdf |
| spelling | veorgua-article-1202026-07-18T06:32:10Z Experimental study of the thermal conductivity of composite materials collectors of solar energy Экспериментальное исследование теплопроводности композиционных материалов коллекторов солнечной энергии Експериментальне дослідження теплопровідності композиційних матеріалів колекторів сонячної енергії Reztsov, V. Surzhyk, O. solar collector composite material thermal conductivity сонячний колектор композиційний матеріал теплопровідність солнечный коллектор композиционный материал теплопроводность The aim is to measure the effective thermal conductivity of a series of designs to select optimal composition and its use in solar energy collectors. Detailed analysis of existing experimental methods for determining thermal conductivity showed that the most suitable for the study of composite materials are techniques developed for flat samples. An important feature of these methods - simple manufacturing technology designs, the shape of the disk. Investigatedcomposite materials, which included a base component, fillers, and binders. For data were obtained graphs. Выполнены экспериментальные исследования теплопроводности композиционных материалов коллекторов солнечной энергии на основе углерода и наполнителей. Виконано експериментальні дослідження теплопровідності композиційних матеріалів колекторів сонячної енергії на основі вуглецю та наповнювачів. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2016-06-23 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/120 Vidnovluvana energetika ; No. 2 (45) (2016): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 41-44 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 2 (45) (2016): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 41-44 Відновлювана енергетика; № 2 (45) (2016): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 41-44 2664-8172 1819-8058 uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/120/76 Copyright (c) 2016 V. Reztsov, O. Surzhyk https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | solar collector composite material thermal conductivity Reztsov, V. Surzhyk, O. Experimental study of the thermal conductivity of composite materials collectors of solar energy |
| title | Experimental study of the thermal conductivity of composite materials collectors of solar energy |
| title_alt | Экспериментальное исследование теплопроводности композиционных материалов коллекторов солнечной энергии Експериментальне дослідження теплопровідності композиційних матеріалів колекторів сонячної енергії |
| title_full | Experimental study of the thermal conductivity of composite materials collectors of solar energy |
| title_fullStr | Experimental study of the thermal conductivity of composite materials collectors of solar energy |
| title_full_unstemmed | Experimental study of the thermal conductivity of composite materials collectors of solar energy |
| title_short | Experimental study of the thermal conductivity of composite materials collectors of solar energy |
| title_sort | experimental study of the thermal conductivity of composite materials collectors of solar energy |
| topic | solar collector composite material thermal conductivity |
| topic_facet | solar collector composite material thermal conductivity сонячний колектор композиційний матеріал теплопровідність солнечный коллектор композиционный материал теплопроводность |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/120 |
| work_keys_str_mv | AT reztsovv experimentalstudyofthethermalconductivityofcompositematerialscollectorsofsolarenergy AT surzhyko experimentalstudyofthethermalconductivityofcompositematerialscollectorsofsolarenergy AT reztsovv éksperimentalʹnoeissledovanieteploprovodnostikompozicionnyhmaterialovkollektorovsolnečnojénergii AT surzhyko éksperimentalʹnoeissledovanieteploprovodnostikompozicionnyhmaterialovkollektorovsolnečnojénergii AT reztsovv eksperimentalʹnedoslídžennâteploprovídnostíkompozicíjnihmateríalívkolektorívsonâčnoíenergíí AT surzhyko eksperimentalʹnedoslídžennâteploprovídnostíkompozicíjnihmateríalívkolektorívsonâčnoíenergíí |