CC BY
9
УДК 667.6
Елизарова Ю.А., Волобуева Т.М., Захаров А.И.
ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ ПАССИВНЫХ СИСТЕМ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ
Елизарова Юлия Александровна - инженер-технолог отдела разработки лакокрасочных покрытий и материалов АО «Композит», elizarovaua@mail.ru; Россия, Королев, улица Пионерская, дом 4
Волобуева Татьяна Михайловна - магистрант 1-го года обучения кафедры химической технологии керамики и огнеупоров;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, д. 9.
Захаров Александр Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры общей технологии силикатов; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, д. 9.
В статье рассмотрены особенности и ключевые методы пассивных систем терморегуляции. Ключевые слова: степень черноты, коэффициент теплового излучения, излучательная способность.
EMISSIVITY OF THERMAL CONTROL COATINGS OF PASSIVE THERMAL CONTROL SYSTEMS
Elizarova Y.A.1,2, Volobueva T.M.2, Zakharov A.I.2
1 JSC «Kompozit», 141010, Russia, Moscow region, Korolev city, Pionerskay, 4
2 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation The article discusses the features and key methods of passive thermoregulation systems. Key words: emissivity, thermal emissivity, emittance.
Введение
Для обеспечения теплового баланса применяются системы активного и пассивного терморегулирования. Применение систем активной терморегуляции зачастую невозможно ввиду сложных геометрических конфигураций и массогабаритных требований, а также из-за высокой стоимости подобных систем. Использование пассивных систем терморегуляции позволяет избежать сложного, дорогостоящего проектирования и изготовления системы активной терморегуляции и снизить массогабаритную нагрузку.
В качестве пассивной системы терморегуляции применяются терморегулирующие покрытия (ТРП).
В зависимости от оптических характеристик, способности покрытия поглощать или отражать лучистую энергию ТРП классифицируются следующим образом:
1. Покрытия класса «истинные поглотители» (а8 ^ 1, £ ^ 1) - покрытия, передающие тепло от объекта с более высокой температурой объекту с более низкой температурой, обеспечивая интенсивный теплообмен. Черные покрытия класса «истинный поглотитель» в основном применяются на внутренних поверхностях оптических приборов для снижения отражения света от поверхностей и на внешние поверхности для поглощения солнечного излучения;
2. Покрытия класса «солнечные отражатели» (ая ^ 0, £ ^ 1) - покрытия с высокой отражающей способностью, отражают падающий свет и тепловое излучение солнечного теплового потока, что позволяет уменьшить влияние солнечного теплового потока на тепловой режим, поддерживая температуру элементов конструкции в рабочем
диапазоне и повышая эффективность систем терморегулирования для сброса тепла в окружающее пространство, чтобы снизить температуру элементов конструкции;
3. Покрытия класса «солнечные поглотители» (а8 ^ 1, £ ^ 0) - применяют на аппаратуре, которая работает в периодическом режиме, но для которой в выключенном состоянии требуется подведение энергии извне для поддержания стабильной температуры, не допуская выхода за нижнюю температурную границу;
4. Покрытия класса «истинные отражатели» (а8 ^ 0, £ ^ 0) - используют в основном на поверхностях, подвергающихся одновременно нагреву реактивными струями двигательных установок и конвективному охлаждению [1, 2].
Для обеспечения надежной работы системы пассивной терморегуляции необходимо четко понимать условия и тепловые нагрузки на материал. В зависимости от условий и тепловых режимов подбираются связующее, пигменты,
функциональные добавки и их соотношение для получения ТРП [3].
Пигменты, функциональные добавки, их соотношения и наполнение подбираются исходя из природы пленкообразователя для придания определённых декоративных (цвет, блеск, матовость), функциональных и оптических (коэффициенты отражения ая и излучения е) свойств. Для покрытий класса «солнечные отражатели» применяются белые пигменты и наполнители: порошки комплексных соединений оксидов и фторидов щелочноземельных металлов (Ва, Са, Мg) со стабилизирующими добавками, так как они
обладают высокой отражательной способностью [4,
5].
Для покрытий класса «истинные поглотители» применяются черные пигменты и наполнители: сажа, графит, природные и синтетические черные железоокисные пигменты и сульфид сурьмы. Они обладают высокой излучательной способностью (е ~ 0,9 при толщине 80 - 100 мкм). Ими покрывают радиаторы, применяемые для отвода тепла в космических силовых установках [2, 6 - 9].
В основу пассивных систем положено использование наносимых на поверхность ТРП, обеспечивающих необходимый режим лучистого теплообмена между поверхностью и окружающим пространством. Эффективность этих покрытий характеризуется поглощательной способностью и излучательной способностью ТРП, которые зависят как от технологии изготовления покрытия, так и от действия внешних факторов на покрытие.
Для систем пассивной терморегуляции, направленной на уменьшение тепловой нагрузки, применяются покрытия с высокой излучательной способностью е.
Коэффициент излучения е - отношение мощности излучения объекта при данной температуре к мощности излучения абсолютно черного тела, обычно вычисляется по измеренным значениям коэффициента отражения в спектральном диапазоне от 3 до 40 мкм.
Методы измерения коэффициента излучения е можно разделить на три группы:
1. Калориметрические методы;
2. Радиационный метод;
3. Рефлектометрические методы.
Калориметрический и радиационный методы
являются прямыми методами, так как позволяют определять коэффициент излучения по тепловому потоку, излученному поверхностью исследуемого образца. Калориметрический метод позволяет определять излучательную способность по измеренному тепловому потоку, излученному образцом, в то время как радиационный метод позволяет определять излучательную способность по измеренному тепловому потоку излученному исследуемым образцом и измеренному тепловому потоку, излученному черным телом.
Рефлектометрические методы, являются
косвенными, поскольку позволяют определять коэффициент излучения по измеренной отражательной способности поверхности исследуемого образца [3].
Предпочтительным методом измерения спектрального коэффициента излучения ТРП в диапазоне длин волн 3 - 40 мкм вплоть до коэффициента излучения 0,98 является радиационный метод, основанный на оценке отношения спектрального потока излучения ТРП при заданной температуре к спектральному потоку абсолютно черного тела при той же температуре.
Для высокотемпературных защитных
терморегулирующих покрытий, помимо высокой
излучательной способности, выдвигаются требования по стойкости к воздействию высоких температур и сохранению оптических характеристик в условиях эксплуатации. Для обеспечения этих требований необходимо применение термостойких неорганических связующих и тугоплавких соединений. Можно выделить ряд материалов и составов, перспективных для применения в качестве поглощающих покрытий: С, СГ2О3, БЮ, В4С, НС, МоО3. Большинство этих материалов имеют в составе углерод или кремний, которые обладают высокими коэффициентами черноты. Свойства некоторых тугоплавких соединений представлены в таблице 1 [10].
Таблица 1 - Свойства тугоплавких соединений
Соединение Температура плавления, С Коэффициент излучения, е
ггО2 2900 0,88
ггВ2 3050 0,89
ггС 3530 0,75
НГО2 2780 0,88
Н£С 3890 0,77
СГ2О3 2234 0,85
Б13К4 1900 0,7...0,9
БЮ 2730 0,83...0,96
Представленные в таблице 1 соединения могут быть использованы в качестве наполнителей в сочетании с неорганическими (силикатными) связующими для получения высокотемпературных защитных покрытий со стабильными излучательными характеристиками. Выбор в пользу неорганических (силикатных) связующих
обусловлен их высокой стабильностью свойств и термостойкостью выше 1000 °С [10, 11].
Заключение
Излучательная способность является
основополагающей характеристикой при разработке и выборе системы пассивной терморегуляции, так как интенсивность теплового излучения является важнейшим условием при расчете теплового режима.
В некоторых случаях для достижения теплового режима необходимо применение
высокотемпературного неорганического связующего и тугоплавких наполнителей для высокой термостойкости покрытия.
Список литературы
1. Аппен А. А. Температуроустойчивые неорганические покрытия. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: «Химия». 1976.
2. Яковлев А. Д., Яковлев С. А. Лакокрасочные покрытия функционального назначения. СПб.: ХИМИЗДАТ. 2016. 272 с., ил.
3. ГОСТ Р 59323-2021 Системы космические. Покрытия терморегулирующие для космических аппаратов. Общие требования
4. Излучательные свойства твердых тел [Текст]: Справочник / под общ. ред. чл.-кор. АН СССР Шейндлина А.Е. - Москва: Энергия, 1974. -471 с.
5. Кондрашов Э.К., Кузнецова В.А., Лебедева Т.А. Антикоррозионные, терморегулирующие, термостойкие и влагозащитные лакокрасочные покрытия МКС «Буран» // Авиационные материалы и технологии. 2013.
6. Токарь С.В., Страполова В.Н., Григоревский А.В. Исследование радиационной стойкости терморегулирующих покрытий класса «солнечный отражатель» на силикатных связующих. Информатика и технология: Межвузовский сборник: Материалы научно-технической конференции Московского университета приборостроения и информатики. Выпуск XVI, М.: МГУПИ, 2010, с. 187 - 193.
7. Киселева Л.В., Страполова В.Н., Токарь С.В., Просвириков В.М., Костюк В.И., Исследование новых ТРП класса «истинный поглотитель», Сборник материалов III Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» 4-8 октября 2010 г. Суздаль, с.15-18.
8. Страполова В.Н., Исследование новых терморегулирующих покрытий класса «истинный
поглотитель», Сборник материалов IV Международной конференции «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», г. Суздаль, 1-5 октября 2012 г, М: ИМЕТ РАН, 2012 с. 285 - 286.
9. Страполова В.Н., Юртов Е.В., Киселева Л.В., Мурадова А.Г. Оценка начальных оптических коэффициентов черных пигментов и наполнителей для терморегулирующих покрытий класса «истинный поглотитель» Сборник научных трудов «Успехи в химии и химической технологии» 2013 Т. XXVII, с. 113-115.
10. Резник С.В., Забежайлов М.О., Анучин С.А., Сотников М.О., Афонин К.В. Высокоэффективное поглощающее покрытие для теплофизических исследований на установках радиационного нагрева // Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. №9
(9).
11. Солнцев Ст.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А., Соловьева Г.А. Высокотемпературные покрытия на основе золь-гель технологии // Труды ВИАМ, №1. 2014.
