CC BY
12
УДК 681.2.536.6
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОМЕТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ПО ИЗМЕРЕНИЮ КОЭФФИЦИЕНТА ЧЕРНОТЫ
Надежда Анатольевна Вихарева
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры специальных устройств, инноватики и метрологии, тел. (923)196-32-49, e-mail: milana-maria@mail.ru
Экспериментальные исследования установки по определению коэффициента черноты, основано на использовании датчиков теплового потока. Рассмотрены её особенности и приведены основные результаты исследований.
Ключевые слова: коэффициент черноты покрытия, радиационный теплообмен, плотность теплового потока, датчик теплового потока, измерительная установка, стандартный образец.
INVESTIGATION OF THE CHARACTERISTICS OF A THERMOMETRIC INSTALLATION AS MEASURED BY COEFFICIENT OF BLACKNESS
Nadezda A. Vikhareva
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10, Plakhotnogo St., Ph. D., Assistant Professor, Department of Special-purpose Devices, Innovatics and Metrology, phone: (923)196-32-49, e-mail: milana-maria@mail.ru
Experimental studies of the black coefficient determination unit are based on the use of heat flux sensors. Its features are considered and the main results of researches are resulted.
Key words: the coefficient emissivity of a covering, radiation heat transfer, heat flux density, heat-flow sensor, measuring installation, standard sample, the measurement error.
Для решения многих задач энергосбережения становятся все более востребованными надежные данные по коэффициенту черноты поверхности теплоэнергетических объектов. От значений этого коэффициента зависит интенсивность радиационного теплообмена объектов с окружающей средой, доля которого от суммарного теплообмена, даже вблизи комнатных температур, может достигать десятков процентов и становится преобладающей при высоких температурах и при теплообмене в условиях вакуума.
Единственным надёжным способом определения значений коэффициента черноты являются его измерения на образцах конкретных материалов и покрытий.
Измерения интегрального полусферического коэффициента черноты поверхности различных материалов обычно основаны на законах теплообмена двух тел, имеющих разные температуры.
Надежность расчетов и результатов исследований тепловых режимов объектов, находящихся в условиях преобладающего теплообмена излучением, зависит от достоверности и точности данных, прежде всего, по интегральному
полусферическому коэффициенту черноты поверхности этих объектов. Интенсивность теплообмена (плотность теплового потока) в этом случае зависит от коэффициентов 81 и 82 черноты их поверхности и разности четвертой степени значений т\ и т2 абсолютной температуры этих тел [1]. При этом приведённый (эффективный) коэффициент 812 черноты системы тел, который в результате и определяет интенсивность теплообмена между телами, обычно является сложной комбинацией коэффициентов 81 и 82 черноты, зависящей от формы и взаимного расположения тел. Единственной возможностью точного определения этой характеристики являются измерения. Однако результаты измерений, полученные различными исследователями и положенные путём усреднения в основу многочисленных справочных данных, могут не соответствовать фактическому коэффициенту черноты реальной поверхности объекта. Поэтому обеспечение точности и единства измерений этого важнейшего параметра теплообмена является актуальной задачей метрологии в области тепловых измерений.
Наиболее распространён калориметрический метод измерений коэффициента черноты [2, 3], использующий систему двух тел, в которой одно тело находится внутри другого тела (оболочки). Недостатком такого метода является сложность и громоздкость реализующих его измерительных установок. Поэтому такие установки не предназначены для широкого применения в испытательных и измерительных лабораториях в качестве мобильных измерительных приборов. В связи с этим актуальна задача создания более простых методов и средств оперативных и точных измерений этого востребованного свойства материалов и покрытий.
В ФГУП «СНИИМ» была разработана установка по определению коэффициента черноты (рисунок).
6 7 8 9 10
4 3 2 1
Схема теплометрической установки:
1 - воздушный зазор, 2 - нижний ДТП, 3 - нижняя пластина с датчиком температуры, 4 - нижняя батарея Пельтье, 5 - измеритель сигналов ДТП датчиков, 6 - теплоизоляция, 7 - верхняя батарея Пельтье, 8 - верхний ДТП, 9 -верхняя пластина с температуры, 10 - фиксатор зазора, 11 - регулятор температуры верхней пластины, 12 - регулятор температуры нижней пластины
Установка работает следующим образом. С помощью регуляторов задают и поддерживают постоянными значения температуры нижней и верхней пластин, соответственно, Т2 излучателя и Т1 теплостока [5, 6]. Эти данные должны находиться в интересующем диапазоне температур, для которого требуется найти значения коэффициента черноты исследуемого покрытия. При этом их разность выбирают достаточной для уверенных измерений датчиками теплового потока интенсивности радиационного теплообмена в зазоре между пластинами. Плотность теплового потока в зазоре в этом случае определяется известным из теории теплообмена соотношением
412 = Чл + Че = Чл + £12 -7\4), (1)
где Цх = Х(Т2 ~Т1)/К - плотность кондуктивного теплового потока, зависящая от теплопроводности X воздушного слоя толщиной к в зазоре; - плотность радиационного теплового потока в зазоре; £12 = (д12 ~Чл)/а(Г-2 -приведенный коэффициент черноты, который для такой системы равен
£12 =£1£2/(£1 + £2 _£1£2).
Если пластины имеют одинаковое покрытие (гг = £2), то искомый коэффициент £х черноты равен
£х = 2/(1 + 1/е12),
а уравнение измерений для получения значений £х имеет с учётом (1) вид
£х = 2/{1 + А/(Ч12 -Чх)}. (2)
Здесь А = о"(Г2 —71!4) - постоянная, которая задаётся и поддерживается постоянной в процессе измерений с помощью регуляторов температуры, ц12 -плотность теплового потока в зазоре; Цх - постоянная, соответствующая д12 при отсутствии радиационного теплового потока в зазоре (для = 0).
Постоянную Цх можно определить путём измерений покрытий с близким к нулю коэффициентом черноты.
Наличие ДТП и идентичность нижней и верхней частей теплового блока позволяют точно определить значения д12 плотности теплового потока в зазоре путём исключения влияние остаточного теплообмена между боковыми поверхностями пластин и теплоизоляцией. При условии кососимметричного распределения температурного поля на боковой поверхности теплоизоляции относительно средней температуры зазора плотность д12 равна среднему арифметическому значению плотности тепловых потоков и д2, полученных с ДТП:
412 = (^1 + 42)/2. (3)
Также имеется возможность дополнительного уточнения значений д12, используя среднее арифметическое значений, полученных при двух противопо-
ложных направлениях теплового потока. Смена направлений достигается, если поменять ролями излучатель и теплосток.
Необходимо отметить, что с помощью данной установки возможны измерения, основанные на уравнении (2), а также измерения, основанные на известной зависимости измеренных значений плотности теплового потока от коэффициента черноты, установленной путём калибровки прибора по стандартным образцам, например, после его изготовления.
Повышенная точность измерений на данной установки достигается: во-первых, использованием в устройстве идентичных конструкций излучателя и теплостока с двумя датчиками теплового потока, позволяющих исключить влияние бокового теплообмена; во-вторых, использованием одинакового покрытия теплообменных поверхностей излучателя и теплостока исследуемым материалом, позволяющим повысить чувствительность благодаря удвоению площади теплообмена, а также исключить погрешность из-за неопределённости коэффициента черноты покрытия излучателя или теплостока, обычно являющегося неотъемлемым атрибутом аналогичных устройств.
Расширение температурного диапазона достигается использованием батарей Пельтье, которые могут работать как в режиме нагревания, так и в режиме охлаждения, в том числе, ниже комнатной температуры. Использование регуляторов температуры обеспечивает постоянство и воспроизводимость температурного режима в тепловом блоке устройства. Это также способствует повышению точности и исключает необходимость обязательного применения стандартных образцов перед каждым измерением.
Измерения осуществляются на основе заранее установленной зависимости плотности ц12 теплового потока от коэффициента е1 черноты, которую можно определить с помощью стандартных образцов (СО) с известными коэффициентами черноты [7]. Данная зависимость строиться по точкам, приведенным в таблице.
8 0,02 0,2 0,45 0,62 0,92
СО алюминий 25% копирки 75% алюминия 50% копирки 50% алюминия 25% алюминия 75% копирки копирка
^ Вт/м2 800,0 850,0 920,0 970,0 1100,0
Установка представляет собой компактное мобильное устройство, позволяющего проводить точные измерения коэффициента черноты покрытий в широком диапазоне температур.
Измерения проводились при температуре Т1 = 20 С и Т2 = 30 С, для которой были известны коэффициенты черноты используемых СО. Полученные данные показывают, что погрешности измерений проведенным методом составляют
от 4 до 6%. Для большинства работ это является вполне приемлемой точностью измерений коэффициента черноты покрытий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: справ. пособие. - М. : Энергоатомиздат. - 1990. - 367 с.
2. Излучательные свойства твердых материалов / справочник под ред. А. Е. Шейндли-на. - М. : Энергия. - 1974. - 472 с.
3. Мисяченко И. И., Черепанов В. Я. Измерительная установка для исследования и аттестации стандартных образцов излучательных свойств / Вопросы авиационной науки и техники. Авиационные материалы. Оптико-физические свойства материалов // Науч.-тех. сб. -М. : ВИАМ, 1989. - С. 44-49.
4. Вихарева Н. А., Черепанов В. Я. Метод измерений коэффициента черноты поверхностей в системе двух параллельных плоскостей // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Между -нар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 3. - С. 13-17.
5. Вихарева Н. А., Черепанов В. Я. Исследование теплометрического метода измерений
коэффициента черноты поверхностей // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар.
науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2016» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 5. - С. 234-239.
6. Вихарева Н. А., Черепанов В. Я., Ямшанов В. А. Устройство для измерений коэффициента черноты покрытий // Патент на изобретение А.с. 2578730, Бюл. № 9, 01 марта 2016.
7. Черепанов В. Я. Относительные измерения интегральной излучательной способности материалов модуляционным методом // Измерительная техника. - 1981. - № 5. - С. 36-38.
© Н. А. Вихарева, 2018
