CC BY
24
УДК 681.2.536.6
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА ЧЕРНОТЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Надежда Анатольевна Вихарева
Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии, 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)210-20-03, e-mail: [email protected]
Виктор Яковлевич Черепанов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Экспериментально исследован метод измерений коэффициента черноты, основанный на закономерностях теплообмена в зазоре между двумя плоскопараллельными поверхностями. Рассмотрены особенности теплометрической установки и приведены основные результаты исследований.
Ключевые слова: метод измерений, коэффициент черноты покрытия, радиационный теплообмен, плотность теплового потока, датчик теплового потока, измерительная установка, стандартный образец.
RESEARCH OF THE ACTION OF HEAT METHOD OF MEASUREMENTS OF COEFFICIENT OF BLACKNESS OF SURFACES
Nadegda A. Vikhareva
Siberian State Institute of Metrology, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrov Pr., candidate of technical sciences, senior scientist, tel. (383)210-20-03, e-mail: [email protected]
Victor Ya. Cherepanov
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doctor of technical sciences, professor of Department Metrology and Technology of Optical Production, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
The method of measurements of coefficient of blackness based on regularities of heat exchange in a gap between two plane-parallel surfaces is experimentally investigated. Features of heat method installation are considered and the main results of researches are given.
Key words: the method of measurement, the coefficient emissivity of a covering, radiation heat transfer, heat flux density, heat-flow sensor, measuring installation, standard sample, the measurement error.
Измерения интегрального полусферического коэффициента черноты (в дальнейшем - коэффициента черноты) поверхности различных материалов обычно основаны на законах теплообмена двух тел, имеющих разные температуры. Интенсивность теплообмена (плотность теплового потока) в этом случае зависит от коэффициентов в1 и в2 черноты их поверхности и разности четвертой степени значений Т1 и Т2 абсолютной температуры этих тел [1]. При этом при-
ведённый (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.
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.
Для решения такой задачи в [4] предложен метод измерений, основанный на зависимости плотности теплового потока в зазоре между параллельно расположенными плоскими поверхностями с отличающимися значениями температурами, от их эффективного коэффициента 812 черноты. В этом случае [1] связь коэффициента 812 со значениями 81 и 82 имеет вид
£Л £2
£12 =-——■ (1)
£1 + £2 £1£2
При наличии воздушного зазора между поверхностями суммарная плотность q12 теплового потока в стационарном температурном режиме (Т и Т2 -const) определяется соотношением
Л(Г2 - 7\) .
412 = ЧЛ + Че= -£-+ £12°(Ч - Т\У (2)
Здесь qx - плотность кондуктивного теплового потока, обусловленная теплопроводностью X воздушного слоя толщиной h в зазоре, q8 - плотность радиационного теплового потока в зазоре, а - постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,67-10-8 Вт/(м2К4).
Отсюда с учетом (1) следует, что плотность q12 теплового потока, когда одна из теплообменных поверхностей имеет постоянное покрытие с значением 82, близким к единице (82 ^1), эта зависимость практически прямо пропорциональна искомому значению 81 и имеет вид
Ч12 = Чл + £1 - Ti ) ■ (3)
При равных коэффициентах черноты (81 = 82) обеих поверхностей теплообменника плотность q12 теплового потока однозначно зависит от их значения и имеет вид
412= Чл+ (4)
Z с^
В области малых значений 81 (2>> 81) эта зависимость (д12 от 81) близка к линейной. Однако при больших значениях 81 она становится нелинейной и, соответственно, чувствительность д12 к изменению 81 заметно возрастает.
Отсюда следует, что если измерять плотность д12 суммарного теплового потока в воздушном зазоре контактными датчиками (тепломерами), расположенными на внутренней стороне теплообменных поверхностей, то можно определить искомое значение 81 коэффициента черноты. Этот факт является основой предложенного в [4] теплометрического метода. Если задавать и поддерживать неизменными значения температуры Ти Т2 и толщины И воздушного зазора, то плотность кондуктивного теплового потока можно считать постоянной. Кроме этого её можно определить экспериментально путём измерений покрытий с близким к нулю коэффициентом черноты, то есть при отсутствии в зазоре радиационного теплового потока.
Наиболее просто рассматриваемый теплометрический метод осуществляется на основе заранее установленной градуировочной зависимости плотности д12 теплового потока от коэффициента 81 черноты, которую можно определить с помощью стандартных образцов (СО) покрытий с известными коэффициентами черноты. Для определения градуировочной зависимости, соответствующей виду (3), достаточно использовать только два СО, а для зависимости вида (4) -три СО. Важно отметить, что во втором случае разрешающая способность метода в области значений коэффициента черноты более 0,7 практически в два раза выше. Поэтому этот вариант метода целесообразно использовать для покрытий с большим коэффициентом черноты.
Исследования рассмотренного метода проводилось на экспериментальной установке, схема которой приведена на рис. 1.
7 8 9 1
\ N7 \ ч 1 N \ <- х- 1
6 \ Г Ч| ч 1 1
1 \ \ \ \ —— ч К1Мч . \ V \ \ \ --> е- 1
5 4 3 2 1
Рис. 1. Схема установки:
1 - воздушный зазор, 2 - датчик теплового потока, 3 - нижняя пластина теплообменника, 4 - изотермическая пластина с датчиком температуры, 5 - нижняя батарея Пельтье, 6 - измеритель сигналов, 7 - дифференциальная термопара, 8 - теплоизоляция, 9 - верхняя батарея Пельтье, 10 - верхняя пластина теплообменника с датчиком температуры, 11 - фиксатор зазора, 12 - регулятор температуры верхней пластины, 13 - регулятор температуры нижней пластины
Её тепловой блок содержит теплообменник с двумя половинами - нижней и верхней. Каждая из этих половин может выполнять функцию источника тепла или теплостока. На батарее Пельтье 5 нижней половины теплообменника закреплены изотермическая пластина 4 с датчиком температуры, а также датчик теплового потока 2, на котором установлена нижняя пластина теплообменника 3 с исследуемым покрытием, обращённым в сторону зазора 1. На пластине последовательно размещены: фиксаторы воздушного зазора 11, верхняя пластина 10 с обращённым в сторону зазора исследуемым покрытием и верхней батарее Пельтье 9. Теплообменные пластины снабжены термопарами, которые соединены встречно, образуя дифференциальную термопару 7.
Датчик теплового потока и дифференциальная термопара подключены к измерителю сигналов 6, а датчики температуры пластин - к входам регуляторов температуры 11 и 12. Выходы регуляторов подключены к батареям Пельтье. Использование батарей Пельтье, которые могут работать как в режиме нагревания, так и в режиме охлаждения, позволяет измерять температурную зависимость коэффициента черноты, в том числе, при температуре ниже комнатной. Автоматическое регулирование и поддержание заданных значений температуры пластин теплообменника обеспечивают постоянство и воспроизводимость температурного режима всего теплового блока установки.
Принцип действия установки заключается в следующем. С помощью регуляторов температуры задают и поддерживают постоянными значения температуры нижней и верхней пластин теплообменника. Эти значения должны находиться в диапазоне температуры, для которого требуется найти значения коэффициента черноты исследуемого покрытия. При этом разность температур выбирают достаточной для создания в зазоре теплообменника необходимого для уверенных измерений значения теплового потока.
При исследовании метода с помощью такой установки использовались относительные измерения [5], основанные на предварительно установленной гра-дуировочной зависимости значений плотности теплового потока в воздушном зазоре от коэффициента е черноты, которую определяют с помощью стандартных образцов (СО) с известным коэффициентом черноты поверхности. Для определения такой зависимости в качестве СО были использованы покрытия из алюминиевой фольги (е = 0,02) и копировальной бумаги (е = 0,92), а также покрытия, составленные из 75% фольги и 25% копирки (е = 0,24), СО из 50% фольги и 50% копирки (е = 0,47), СО из 25% фольги и 75% копирки (е = 0,70).
Измерения проводились при температуре Т\ = 20 С и Т2 = 30 С, для которой были известны коэффициенты черноты используемых СО. Полученные градуи-ровочные зависимости (рис. 2) соответствуют их характеру, который описывается формулами (3) и (4).
Анализ источников погрешности измерений, выполненных в [4], с учетом экспериментально полученных результатов, показывает, что при неопределённости значений коэффициента черноты образцов, использованных для построения градуировочной зависимости в 2%, значения погрешности измерений исследованным методом составляют от 4 до 6%. Для большинства практических
приложений это является вполне приемлемой точностью измерений коэффициента черноты покрытий.
1100 4
1000
900
800
д, Вт/м2
0,0
0,2
Р /п
1
.—
0,4
0,6
0,8
1,0 е
Рис. 2. Экспериментальные градуировочные зависимости д = _Де):
1 - одна пластина теплообменника с постоянным е = 0,92, другая - с изменяющимся е; 2 - обе пластины с изменяющимся, но одинаковым е
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: справочное 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. Черепанов В. Я. Относительные измерения интегральной излучательной способности материалов модуляционным методом // Измерительная техника. - 1981. - № 5. - С. 36 - 38.
© Н. А. Вихарева, В. Я. Черепанов, 2016
