probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2022-24-1-86-98probener-2156Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGЧисленное исследование теплопроводности композитного теплоизоляционного материала с микрогрануламиNumerical investigation of the thermal conductivity of a composite heat-insulating material with microgranulesСоловьевС. А.SolovevS. A.

Соловьев Сергей Анатольевич – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Инженерная кибернетика» (ИК)

Sergei A. Solovev

solovev.sa@kgeu.ruСоловьеваО. В.SolovevaO. V.

Соловьева Ольга Викторовна – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Энергообеспечение предприятий, строительство зданий и сооружений» (ЭОС)

Olga V. Soloveva

АхметоваИ. Г.AkhmetovaI. G.

Ахметова Ирина Гареевна – доктор технических наук, заведующий кафедрой «Экономика и организация производства» (ЭОП)

Irina G. Akhmetova

ВаньковЮ. В.VankovY. V.

Ваньков Юрий Витальевич – доктор технических наук, заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения» (ПТЭ), Казанский государственный энергетический университет

Yury V. Vankov

ШакуроваР. З.ShakurovaR. Z.

Шакурова Розалина Зуфаровна – аспирант кафедры «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения» (ПТЭ)

Rozalina Z. Shakurova

Казанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian Federation2022240520222418698Copyright © Соловьев С.А., Соловьева О.В., Ахметова И.Г., Ваньков Ю.В., Шакурова Р.З., 20222022Соловьев С.А., Соловьева О.В., Ахметова И.Г., Ваньков Ю.В., Шакурова Р.З.Solovev S.A., Soloveva O.V., Akhmetova I.G., Vankov Y.V., Shakurova R.Z.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/2156ЦЕЛЬ

ЦЕЛЬ. Рассмотреть проблемы, возникающие при создании композитного теплоизоляционного материала, включающего слой микросферических гранул. Провести численное моделирование композитного материала с различным объемным содержанием микросфер и различными вариантами образования пустот. Оценить влияние наличия зон, не занятых микрогранулами, на изоляционные свойства композитного материала. Определить влияние объемного содержания микросферических гранул на тепловой поток через композитный материал.

МЕТОДЫ

МЕТОДЫ. Численное моделирование проводилось путем создания моделей элементарных кубических ячеек композита с упаковкой из 27 микросфер в программном комплексе ANSYS Fluent 19.2. Оценка изоляционных свойств проводилась путем измерения коэффициента теплопроводности.

РЕЗУЛЬТАТЫ

РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье исследовано влияние наличия зон, не занятых микросферическими гранулами, на теплоизоляционные свойства композитного материала. Построены модели элементарных кубических ячеек с различным объемным содержанием микрогранул. Построены модели элементарных ячеек с различными вариантами образования пустот, такими как удаление вертикального или горизонтального ряда гранул и уплотнение гранул по вертикали или горизонтали.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Удаление микрогранул оказывает значительное влияние на изоляционные свойства композита. Наименьший коэффициент теплопроводности получен для простой кубической ячейки при объемном содержании микрогранул φ = 40 %. Наличие пустот в материале способствует большим тепловым потерям, причем в случае вертикального сквозного канала тепловые потери больше, чем для горизонтального сквозного канала. В случае уплотнения сфер тепловые потери в зоне, не занятой микрогранулами, компенсируются уменьшением теплового потока в области с уплотнением сфер.

THE PURPOSE

THE PURPOSE. To consider the problems that arise when creating a composite heatinsulating material, including a layer of microspherical granules. Numerical modeling of a composite material with different volume content of microspheres and different options for the formation of voids. Determination of the influence of the presence of zones not occupied by microgranules on the insulating properties of the composite material. Determination of the influence of the volume content of microspherical granules on the heat flux through the composite material.

METHODS

METHODS. Numerical simulation was carried out by creating models of elementary cubic cells of a composite with a package of 27 microspheres in the ANSYS Fluent 19.2 software package. The evaluation of the insulating properties was carried out by measuring the thermal conductivity coefficient.

RESULTS

RESULTS. The article investigates the influence of the presence of zones not occupied by microspherical granules on the thermal insulation properties of a composite material. Models of elementary cubic cells with different volume content of microgranules are constructed. Models of elementary cells are built with various options for the formation of voids, such as the removal of a vertical or horizontal row of granules and the compaction of granules vertically or horizontally.

CONCLUSION

CONCLUSION. The removal of microgranules has a significant effect on the insulating properties of the composite. The lowest thermal conductivity coefficient was obtained for a simple cubic cell with a volume content of microgranules φ = 40%. The presence of voids in the material contributes to large heat losses, and in the case of a vertical through channel, the heat losses are greater than for a horizontal through channel. In the case of densification of spheres, heat losses in the zone not occupied by microgranules are compensated by a decrease in the heat flux in the area with densification of spheres. 

теплоизоляциякомпозитный материалсферические микрогранулытеплопроводностьчисленное моделированиеthermal insulationcomposite materialspherical microgranulesthermal conductivitynumerical simulationИсследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания № 075-03-2021-175/3 от 30.09.2021 г.This research was funded by Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the framework of the state assignment № 075-03-2021-175/3 from 30.09.2021ReferencesГапоненко С. О., Файзлиев Р.А., Калинина М.В. Метод повышения эффективности тепловой изоляции трубопроводов систем теплоснабжения путем применения отражающего элемента // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2021. Т. 13. № 1(49). С. 204-217.Gaponenko SO, Fazliev RA, Kalinina MV. Method of increasing the efficiency of thermal insulation by applying a reflective element. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo ehnergeticheskogo universiteta. 2021; 13(1):204-217.Гапоненко С. О., Файзлиев Р.А., Калинина М.В. Метод повышения эффективности тепловой изоляции трубопроводов // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2021. Т. 13. № 2(50). С. 142-147.Gaponenko SO, Fazliev RA, Kalinina MV. Method of increasing the efficiency of thermal insulation of pipelines. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo ehnergeticheskogo universiteta. 2021; 13(2):142-147.Zhou H., Brooks A.L. Thermal and mechanical properties of structural lightweight concrete containing lightweight aggregates and fly-ash cenospheres // Construction and Building Materials. 2018. V. 198, pp. 512-526.Zhou H, Brooks AL. Thermal and mechanical properties of structural lightweight concrete containing lightweight aggregates and fly-ash cenospheres. Construction and Building Materials. 2018;198:512-526. doi:10.1016/j.conbuildmat.2018.11.074Brooks A.L., Shen A., Zhou H. Development of a high-temperature inorganic synthetic foam with recycled fly-ash cenospheres for thermal insulation brick manufacturing // Journal of Cleaner Production. 2020. V. 246, 118748.Brooks AL, Shen A, Zhou H. Development of a high-temperature inorganic synthetic foam with recycled fly-ash cenospheres for thermal insulation brick manufacturing. Journal of Cleaner Production. 2020; 246:118748. doi:10.1016/j.jclepro.2019.118748Liu B., Wang H., Qin Q. H. Modelling and characterization of effective thermal conductivity of single hollow glass microsphere and its powder // Materials. 2018. Vol. 11, N5, 133.Liu B, Wang H, Qin Q. H. Modelling and characterization of effective thermal conductivity of single hollow glass microsphere and its powder. Materials. 2018; 11(1):133. doi:10.3390/ma11010133Curd M.E., Morrison N.F., Smith M.J., et al. Geometrical and mechanical characterisation of hollow thermoplastic microspheres for syntactic foam applications // Composites Part B: Engineering. 2021. V. 223, 108952.Curd ME, Morrison NF, Smith MJ, et al. Geometrical and mechanical characterisation of hollow thermoplastic microspheres for syntactic foam applications. Composites Part B: Engineering. 2021; 223:108952. doi:10.1016/j.compositesb.2021.108952Petkova-Slipets R., Penka Z. An analysis of the structure and thermal conductivity of hollow microsphere filled syntactic foams // Civil and Environmental Engineering. 2019. V. 15, N1, pp. 36-41.Petkova-Slipets R, Penka Z. An analysis of the structure and thermal conductivity of hollow microsphere filled syntactic foams. Civil and Environmental Engineering. 2019; 15(1):36-41. doi:10.2478/cee-2019-0006Wang P., Ji L., Yuan J., et al. Modeling and optimization of composite thermal insulation system with HGMs and VDMLI for liquid hydrogen on orbit storage // International Journal of Hydrogen Energy. 2020. V. 45, N11, pp. 7088-7097.Wang P, Ji L, Yuan J, et al. Modeling and optimization of composite thermal insulation system with HGMs and VDMLI for liquid hydrogen on orbit storage. International Journal of Hydrogen Energy. 2020;45(11):7088-7097. doi:10.1016/j.ijhydene.2019.12.110Yang H., Jiang Y., Liu H., et al. Mechanical, thermal and fire performance of an inorganicorganic insulation material composed of hollow glass microspheres and phenolic resin // Journal of Colloid and Interface Science. 2018. V. 530, pp. 163-170.Yang H, Jiang Y, Liu H, et al. Mechanical, thermal and fire performance of an inorganic-organic insulation material composed of hollow glass microspheres and phenolic resin. Journal of Colloid and Interface Science. 2018; 530:163-170. doi:10.1016/j.jcis.2018.06.075Shao Nn., Zhang Yb., Liu Z., et al. Fabrication of hollow microspheres filled fly ash based foam geopolymers with ultra-low thermal conductivity and relative high strength // Construction and Building Materials. 2018. V. 185, pp. 567-573.Shao Nn, Zhang Yb, Liu Z, et al. Fabrication of hollow microspheres filled fly ash based foam geopolymers with ultra-low thermal conductivity and relative high strength. Construction and Building Materials. 2018;185:567-573. doi:10.1016/j.conbuildmat.2018.07.077Liang J.Z., Li F.H. Simulation of heat transfer in hollow-glass-bead-filled polypropylene composites by finite element method // Polymer Testing. 2007. Vo 26, N3, pp. 419-424.Liang JZ, Li FH. Simulation of heat transfer in hollow-glass-bead-filled polypropylene composites by finite element method. Polymer Testing. 2007; 26(3):419-424. doi:10.1016/j.polymertesting.2006.12.014Park Y.K., Kim J.G., Lee J.K. Prediction of thermal conductivity of composites with spherical microballoons // Materials Transactions. 2008. V. 49, pp. 2781-2785.Park YK, Kim JG, Lee JK. Prediction of thermal conductivity of composites with spherical microballoons. Materials Transactions. 2008; 49:2781-2785. doi:10.2320/matertrans.MRA2008139Wang H., Hou F., Chang C. Experimental and computational modeling of thermal conductivity of cementitious syntactic foams filled with hollow glass microspheres // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 265, 120739.Wang H, Hou F, Chang C. Experimental and computational modeling of thermal conductivity of cementitious syntactic foams filled with hollow glass microspheres. Construction and Building Materials. 2020; 265:120739. doi:10.1016/j.conbuildmat.2020.120739Xiao P., Yifeng Z., Peng W., et al. Estimation of thermal conduction in hollow-glass-beadsfilled cement-based composites by variational asymptotic homogenization method // Applied Thermal Engineering. 2019. V. 161, 114191.Xiao P, Yifeng Z, Peng W, et al. Estimation of thermal conduction in hollow-glass-beads-filled cement-based composites by variational asymptotic homogenization method. Applied Thermal Engineering. 2020; 161:114191. doi:10.1016/j.applthermaleng.2019.114191Jia Z., Wang Z., Hwang D.J., et al. Prediction of the effective thermal conductivity of hollow sphere foams // ACS Applied Energy Materials. 2018. V. 1, N3, pp. 1146-1157.Jia Z, Wang Z, Hwang DJ, et al. Prediction of the effective thermal conductivity of hollow sphere foams. ACS Applied Energy Materials. 2018; 1(3):1146-1157. doi:10.1021/acsaem.7b00264Zhan Yl., Zang Cg., Jiao Qj., et al. Heat-insulating materials with high-temperature resistance through binding hollow glass microspheres with vinyl-functionalized polyborosiloxane // Journal of Materials Science. 2020. V. 55, pp. 14264-14279.Zhan Yl, Zang Cg, Jiao Qj, et al. Heat-insulating materials with high-temperature resistance through binding hollow glass microspheres with vinyl-functionalized polyborosiloxane. Journal of Materials Science. 2020; 55:14264-14279. doi:10.1007/s10853-020-05046-yShabde V.S., Hoo K.A., Gladysz G.M. Experimental determination of the thermal conductivity of three-phase syntactic foams // Journal of Materials Science. 2006. V. 41, N13, pp. 4061– 4073.Shabde VS, Hoo KA, Gladysz GM. Experimental determination of the thermal conductivity of three-phase syntactic foams. Journal of Materials Science. 2006; 41(13):4061–4073. doi:10.1007/s10853006-7637-xOzkutlu M., Dilek C., Bayram G. Effects of hollow glass microsphere density and surface modification on the mechanical and thermal properties of poly(methyl methacrylate) syntactic foams // Composite Structures. 2018. V. 202, pp. 545-550.Ozkutlu M, Dilek C, Bayram G. Effects of hollow glass microsphere density and surface modification on the mechanical and thermal properties of poly(methyl methacrylate) syntactic foams. Composite Structures. 2018;202:545-550. doi:10.1016/j.compstruct.2018.02.088Qin Q.H. Trefftz finite element method and its applications // Applied Mechanics Reviews. 2005. V. 58, pp. 316–337.Qin QH. Trefftz finite element method and its applications. Applied Mechanics Reviews. 2005; 58:316–337. doi:10.1115/1.1995716Wang H., Qin Q.H. Hybrid FEM with fundamental solutions as trial functions for heat conduction simulation // Acta Mechanica Solida Sinica. 2009. V. 22, pp. 487–498.Wang H, Qin QH. Hybrid FEM with fundamental solutions as trial functions for heat conduction simulation. Acta Mechanica Solida Sinica. 2009; 22:487–498. doi:10.1016/S08949166(09)60300-1Wang H., Qin Q.H., Xiao Y. Special n-sided Voronoi fiber/matrix elements for clustering thermal effect in natural-hemp-fiber-filled cement composites // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. V. 92, pp. 228–235.Wang H, Qin QH, Xiao Y. Special n-sided Voronoi fiber/matrix elements for clustering thermal effect in natural-hemp-fiber-filled cement composites. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016; 92:228–235. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.08.093Wang H., Zhao X.J., Wang J.S. Interaction analysis of multiple coated fibers in cement composites by special n-sided interphase/fiber elements // Composites Science and Technology. 2015. V. 118, pp. 117–126.Wang H, Zhao XJ., Wang JS. Interaction analysis of multiple coated fibers in cement composites by special n-sided interphase/fiber elements. Composites Science and Technology. 2015; 118:117–126. doi:10.1016/j.compscitech.2015.08.022Lienhard J.H., Lienhard, J.H. A Heat Transfer Textbook // Phlogiston Press: Cambridge. USA, 2005.Lienhard JH, Lienhard JH. A Heat Transfer Textbook. Phlogiston Press: Cambridge. USA, 2005.Kang Y., Morita K. Thermal conductivity of the CaO–Al2O3–SiO2 system // ISIJ International. 2006. V. 46, pp. 420–426.Kang Y, Morita K. Thermal conductivity of the CaO–Al2O3–SiO2 system. ISIJ International. 2006; 46:420–426. doi:10.2355/isijinternational.46.420

The authors declare that there are no conflicts of interest present.