CC BY
201ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ
Д.А. Минкин, кандидат технических наук.
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России.
В.А. Кораблев, кандидат технических наук, старший научный сотрудник;
А.В. Шарков, доктор технических наук, профессор.
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики
Предложена методика определения степени черноты поверхности металлических образцов с помощью тепловизора, представлена конструкция экспериментальной установки и приведены результаты измерений.
Ключевые слова: коэффициент излучения, лучистый теплообмен, экспериментальная установка, тепловизор
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF EMISSIVITY OF METALLIC SURFACE SAMPLES
D.A. Minkin. Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia. V.A. Korablev; A.V. Sharkov.
Saint-Petersburg national research university of information technologies, mechanics and optics
Method for measuring of emissivity of metallic surfaces with help of thermovisor is described, experimental facility and results are shown
Keywords: emissvity, thermal radiation, experimental facility, thermovisor
Обеспечение пожарной безопасности на объектах использования атомной энергии имеет принципиальное значение не только непосредственно для атомных электростанций, но и при транспортировке грузов с большой радиоактивностью (отработавшее ядерное топливо) в связи с наличием потенциального риска нанесения ущерба людям, окружающей среде и имуществу в процессе перевозки, выполнения погрузочно-разгрузочных операций и промежуточного хранения.
Безопасность при транспортировке ядерных делящихся материалов обеспечивается выполнением многих условий, включающих в себя обеспечение контейнеров аварийными средствами защиты, пожаротушения, контроля радиационной обстановки и др. Одной из причин возникновения аварийной ситуации является несоблюдение теплового режима тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), находящихся в контейнере. Превышение требуемого уровня температур ТВЭЛов в результате остаточных тепловыделений может стать причиной возникновения пожара и попадания радиоактивных веществ в окружающую среду.
Для поддержания температуры ТВЭЛ в пределах допустимых значений в условиях транспортировки необходимо использование системы обеспечения теплового режима (СОТР). Важное значение при разработке СОТР имеет достоверность информации об интенсивности процессов теплообмена на теплоотдающих поверхностях ТВЭЛов.
В температурном диапазоне, в котором эксплуатируются исследуемые образцы ТВЭЛ (+350 °C ^ +380 °C), вклад лучистой составляющей теплообмена может становиться сравнимым или даже преобладать над конвективной. Поэтому для расчета системы обеспечения теплового режима образцов необходимо знать излучательные способности их поверхностей.
Степень черноты материалов зависит от таких факторов, как шероховатость и способ обработки поверхности, температура, длина волны, покрытие. В справочных изданиях [1, 2] данные по излучательным способностям большинства материалов относятся к середине прошлого века, причем с учетом всех перечисленных факторов данные не приводятся, а для некоторых материалов они противоречат друг другу [1, 2]. Кроме того, степень черноты поверхностей может существенно изменяться в связи с окислением материалов особенно при нахождении их в течение длительного времени при повышенной температуре, в связи с воздействием окружающей среды (загрязнением поверхности и т.п.).
Теоретические методы определения степеней черноты материалов не могут учесть совокупность указанных факторов в полной мере.
Таким образом, целью настоящей работы является экспериментальное определение степеней черноты поверхностей трубок из циркония. Материал, диаметр и качество обработки трубок точно соответствуют промышленным образцам.
Для проведения экспериментального исследования степеней черноты был разработан экспериментальный стенд. Основу конструкции стенда представляет собой образец в виде трубки диаметром 10 мм и длиной 100 мм, установленный в горизонтальном положении на штативе 4 (рис. 1). На одну половину поверхности образца наносится покрытие с заранее известной высокой степенью черноты 1 (использовалась сажа), а вторая половина, степень черноты которой следует определить (поверхность 2), остается чистой.
Внутри экспериментального образца устанавливается нагревательный элемент, который подключается через клеммный разъём к источнику электропитания 3. Источник питания позволяет задавать различные значения тока и напряжения на нагревателе, обеспечивая таким образом различные значения температур на поверхности образца в требуемом диапазоне.
Температура исследуемого образца измеряется термопарами 5 и тепловизором 9. Термопары подключаются к блоку холодных спаев и далее через коммутатор 7 к вольтметру 8. Тепловизор устанавливается на некотором удалении от образца, с его помощью измеряются радиационные температуры поверхностей 1 и 2.
б
Рис. 1. Экспериментальный стенд для определения степени черноты трубок из циркония (1 - поверхность с известной степенью черноты; 2 - исследуемая поверхность; 3 - источник питания; 4 - штатив; 5 - термопары; 6 - блок холодных спаев; 7 - коммутатор; 8 - милливольтметр; 9 - тепловизор)
Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 2. Для повышения точности определения степени черноты исследуемых образцов важное значение имеет равномерность температурного поля образца.
Для уменьшения отвода теплоты по крепежным деталям установки и уменьшения неизотермичности температурного поля исследуемый образец закреплен на штативе 5 с помощью изоляционных проводов термопар (рис. 2).
Рис. 2. Общий вид экспериментальной установки
Для выравнивания температурного поля на исследуемой поверхности образца 1 в него вставляется медная полая трубка 3 таким образом, чтобы внешняя поверхность медной трубки плотно соприкасалась с внутренней поверхностью циркониевой по всей длине образца (рис. 3). Внутри медной трубки равномерно укладываются несколько витков нагревателя (нихромовая проволока). Для электроизоляции витков нагревателя между собой используются керамические трубочки 2.
Рис. 3. Нагревательный элемент образца (1 - исследуемый образец; нихромовый нагреватель в керамической трубочке; 3 — медная трубка)
В ходе работы после наступления стационарного теплового режима исследуемого образца регистрировались следующие параметры:
- показания термопар, закрепленных на образце;
- температура окружающей среды;
- радиационные температуры исследуемого и покрытого сажей участков образца, измеренные с помощью тепловизора БНг 8С620.
Поток излучения, фиксируемый тепловизором, складывается из потока собственного излучения тела и потока отраженного излучения сторонних объектов:
ФИЗМ = Фсоб + Фотр .
Исходя из этого, используя закон Стефана-Больцмана [3], можно выразить искомую степень черноты объекта (1):
Ф = Т4-
5
гр 4 __гр 4 /1 ч /г14
Г изм ^ изм Г тела ^ тела ( Г тела ) ^ отр ;
Г
тела
гр 4 гр 4
Г изм ^ изм отр
Т4 - т4 . (1)
тела отр
На рис. 4 в качестве примера представлена термограмма наблюдаемого образца. Обозначенные на ней радиационные температуры были получены путем осреднения температуры по наблюдаемой области в программном обеспечении БНг QuikReporter 1.2, поставляемом с тепловизором.
Тотр можно принять равной температуре окружающей среды Тср=25 0С, так как зона проведения эксперимента была ограничена от воздействия мощных источников тепловыделений.
Тизм определяется из показаний тепловизора 0«К1) для чистой поверхности.
Ттела определяется из показаний тепловизора 0«К2) для поверхности с сажей (8=1). Измерения проводятся при условии, что исследуемый объект изотермичен (контролируется термопарами) и в настройках тепловизора верно задан коэффициент излучения покрытия £изм.
В ходе проведения эксперимента проводилось два вида испытаний:
1) Измерение степени черноты при температурах от 100 °С до 500 °С (выдержка каждой точки 20 мин) (табл. 1-3).
Таблица 1. Образец № 1
и,В Е 1, мВ Е 2, мВ ^КЬ °С tИК2, °С 8 Тбхс
9 5,12 5,29 37 97 0,13 25°С
14 11,8 12,5 63 200 0,11 25°С
19 21,2 20,3 95 285 0,12 25°С
24 24,6 25,8 105 330 0,10 25°С
32 32,2 34,4 175 430 0,14 25°С
35 37 38,3 222,6 495 0,15 25°С
Таблица 2. Образец № 2
и,В Е 1, мВ Е 2, мВ "ИКЬ °С 8 Тбхс
9 5,45 5,52 40 105 0,14 25°С
14 12,61 12,56 66,8 199 0,13 25°С
19 20,5 20,3 98,1 292 0,12 25°С
24 23,6 24,8 133,5 345 0,14 25°С
32 33,0 35,4 181,6 440 0,14 25°С
35 37,5 38,6 205 470 0,15 25°С
Таблица 3. Образец № 3
и,в Е !, мВ Е 2, мВ ЪИКЬ °С 8 Тбхс
9 6,12 6,4 40,6 110,2 0,13 27°С
14 12,56 12,61 58,4 193,6 0,11 27°С
19 18,45 20,15 80,6 274,9 0,1 27°С
24 23,0 25,6 108 331,5 0,11 27°С
32 33,39 35,08 179 438,5 0,14 27°С
35 34,7 36,9 206 454,2 0,16 27°С
2) Измерение степени черноты при температуре 350 °С в течение 36 час. (табл. 4).
Таблица 4. Образец № 4
Время 0,5 ч 3 ч 6 ч 10 ч 13 ч 19 ч 23 ч 29 ч 36 ч
Е 1, мВ 25,5 25,8 25,5 26,1 26,5 25,9 25,9 26,0 25,7
Е 2, мВ 24,15 25,16 24,4 24,2 24,3 23,6 23,3 23,6 23,7
"икЬ °С 99,2 107 110 114 114 115 119,2 119 120
tиК2, °С 318 320 340 340 344,3 337 341 340,5 336
Е 0,1 0,1 0,1 0,11 0,11 0,12 0,12 0,12 0,13
70°С 250°С
G
Рис. 4. Термограмма образца
Анализируя результаты проведенных измерений, можно отметить, что при повышении температуры, а также при длительном нахождении образцов при повышенной температуре степень черноты образцов увеличивается в связи с процессами окисления на их поверхности. Полученные результаты исследований легли в основу расчета теплового режима тепловыделяющих сборок при транспортировке отработавшего ядерного топлива атомных электростанций
Литература
1. Излучательные свойства твердых материалов: справочник / Л.Н. Латыев [и др.]; под общ. ред. А.Е. Шейндлина. М.: Энергия, 1974. 472 с.
2. Новицкий Л.А., Степанов Б.М. Оптические свойства материалов при низких температурах: справочник. М.: Машиностроение, 1980. 224 с.
3. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975. 934 с.
References
1. Izluchatel'nye svojstva tverdyh materialov: (Thermal radiative properties of solid materials) spravochnik / L.N. Latyev [i dr.]; pod obshh. red. A.E. Shejndlina. M.: Jenergija, 1974. 472 p.
2. Novickij L.A., Stepanov B.M. Opticheskie svojstva materialov pri nizkih temperaturah: (Optical properties of materials at low temperatures) spravochnik. M.: Mashinostroenie, 1980. 224 p.
3. Zigel' R., Haujell Dzh. Teploobmen izlucheniem. (Thermal radiation heat transfer) M.: Mir, 1975. 934 p.
