CC BY
15ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В.А. Архипов, И.К. Жарова, О.С. Татаринцева, В.Т. Кузнецов, В.Д. Гольдин
Учреждение Российской академии наук Институт проблем химико-энергетических технологий
Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН)
Представлены экспериментальная установка и методика измерения интегрального коэффициента излучения поверхности материалов с различными теплофизическими свойствами в диапазоне температур от 100°С до 1000°С радиационным методом с использованием в качестве эталонного образца медной пластины с оксидным покрытием.
Ключевые слова: теплообмен, коэффициент излучения, теплоизоляционные и конструкционные материалы, радиационный метод, абсолютно черное тело.
Развитие современной высокотемпературной теплофизики требует создания и всестороннего исследования конструкционных и теплоизоляционных материалов, способных обеспечивать значительное увеличение рабочих температурных интервалов, повышенную долговечность и экономичность изделий. При использовании таких материалов в условиях высоких температур наряду с кондук-тивной и конвективной составляющими существенный вклад в суммарный теплообмен может вносить излучение их поверхности. Для учета лучистого теплообмена необходимы экспериментальные зависимости интегрального коэффициента излучения е от температуры. В технической литературе и в справочниках эти зависимости приведены для ограниченного числа материалов, как правило, металлов [1- 4]. Таблицы содержат в основном значения интегральных коэффициентов теплового излучения, а в отдельных случаях - значения коэффициентов, соответствующих монохроматическому излучению, то есть для узкого диапазона длин волн.
При разработке новых ТИМ необходимо проводить измерения е в требуемых диапазонах температур.
Для измерения интегрального коэффициента излучения поверхности различных материалов в широком интервале температур используется целый ряд методов и соответствующих конструкций экспериментальных установок. Достаточно полный обзор по данной проблеме представлен в монографии [3].
Анализ литературных данных показал, что наибольшее распространение в практике лабораторных исследований получили радиационный, калориметрический и нестационарные методы. Суть определения интегрального коэффициента излучения радиационным методом заключается в сравни-
тельном измерении специальным термоприемником лучистой энергии, испускаемой исследуемым и абсолютно черным телом или телом, коэффициент излучения которого известен. Калориметрический метод основан на непосредственном измерении поглощенной лучистой энергии, нестационарные методы -на измерении температуры нагретого образца при его остывании в условиях вакуума.
В настоящей работе для проведения исследований по влиянию температуры на интегральный коэффициент излучения материалов различной природы и назначения использовали радиационный метод и экспериментальную установку, схема которой приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки: 1 - электрическая горизонтальная печь;
2 - теплозащитный экран; 3 - затвор; 4 - измеритель мощности излучения; 5 -исследуемый образец; 6 - термопара
Установка состоит из электрической печи, теплозащитного экрана, затвора и измерителя мощности излучения ИМО-2Н.
Исследуемый образец диаметром 20 мм и толщиной 10 мм помещали в горизонтальную электрическую печь МА 2/14. На расстоянии 35 мм от торца исследуемого образца установлен экран, позволяющий отсекать тепловой поток от печи.
Приемная головка измерителя мощности находилась на расстоянии 65 мм от торца образца. Между образцом и приемной головкой установлен затвор. Температуру образца измеряли с помощью хромель-алюмелевой термопары, размещенной в центре образца, и потенциометра постоянного тока Пп 63. Погрешность измерения температуры не превышала 5 %.
Измеритель мощности (рисунок 2) включает в себя блок регистрации, приемную головку, ослабитель мощности, визир и механизм юстировки. Принцип его работы заключается в поглощении приемным элементом мощности теплового излучения и преобразовании ее в эквивалентное значение электрического напряжения (ЭДС), которое регистрируется показывающим прибором блока регистрации.
Рисунок 2. Измеритель мощности излучения ИМО-2Н: 1 - блок регистрации; 2 - приемная головка; 3 - ослабитель мощности; 4 - визир;
5 - механизм юстировки
Приемная головка (рисунок 3) состоит из рабочей и компенсационной термоэлектрических секций, размещенных в конических выемках массивного металлического внутреннего корпуса, который расположен внутри термостата, образованного наружным корпусом и кожухом. Приемная головка закреплена на механизме юстировки. Для повышения точности юстировки прибора при измерении средней мощности предусмотрен визир. Блок регистрации содержит усилитель постоянного тока и вольтметр М 2027, отградуированный в единицах измерения мощности (Вт) и энергии (Дж). В блоке регистрации имеется возможность вывода информации на внешнее устройство.
Для измерения мощности излучения в широком диапазоне (от 1 до100 Вт) используется дисковый ослабитель мощности, установленный между источником и приемником излучения. Величина коэффициента ослабления мощности определяется числом секторных окон и величиной угла сектора. Сменные диски обеспечивают пределы измерения средней мощности излучения 3, 10, 30 и 100 Вт. Прибор ИМО-2Н аттестован на длинах волн 0,63; 1,06 и 10,6 мкм. Основная при-
веденная погрешность измерения мощности излучения составляет 5 %.
1 2 3 4 5 6
Рисунок 3. Схема приемной головки: 1 -прижимной фланец; 2 - наружный корпус; 3 -кожух; 4 - внутренний корпус;5 - термоэлектрические секции; 6 - прижимная гайка
Процесс измерения в заключается в следующем (см. рисунок 1). Исследуемый образец нагревают в электрической печи до заданной температуры, затем открывают затвор, после чего измеряют мощность излучения торцевой поверхности нагретого образца, поступающую на вход приемника. Темп нагрева образца составляет 2...3 град/мин. Мощность излучения измеряют при непрерывном нагреве образца в диапазоне температур 100.1000 °С с шагом по температуре 50 °С.
Для определения интегральных коэффициентов излучения исследуемых образцов ТИМ радиационным методом проводили аналогичные измерения мощности излучения эталонного образца. Условия, диапазон нагрева и геометрические характеристики схемы измерений для эталонного и исследуемых образцов были идентичны. В качестве эталонного материала использовали медь, длительное время выдержанную при температуре 1000 °С и покрытую слоем окиси. Согласно данным работы [5] используемый эталонный материал можно считать серым телом с интегральным коэффициентом излучения ве, равным 0,78.
Проведенные оценки радиационного метода измерения в показали, что влияние конвективной и кондуктивной составляющих теплового потока незначительно. В рассматриваемом диапазоне температур регистрируемый тепловой поток полностью обусловлен радиационной составляющей. Интегральный коэффициент излучения определяли измерением потоков излучения эталонного и исследуемых образцов ТИМ, нагретых до одинаковой температуры. Это позволило исключить погрешность определения величины в, обусловленную нелинейностью рабочей характеристики измерителя мощности излучения.
ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ И
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Таблица 1
Теплофизические характеристики исследуемых материалов при температуре окружающей среды
(22 °С) [6]
№ образца Материал Плотность, кг/м3 Теплоемкость, кДж/(кг"-К) Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК)
1 Нитрильный каучук 1190 1,382 0,157
2 Фенольно-кварцевый композит 1640 1,200 0,350
3 Углепластик на фенолофор-мальдегидном связующем 1310 0,850 0,480
4 Углепластик на эпоксидном связующем 1310 1,230 0,560
5 Стеклопластик на эпоксидном связующем 1860 0,900 0,250
6 Пробка 430 1,842 0,063
Sample No.1 ► • »
Sample No.2
900 Т, °С
эоо 7. °С
Samp 1 No 3
Sampl< No. 4
900 г, °С
900 Т."С
t ЯГ
A*
Sample No.S
900 Г. °С
0.75 0,65 0.55 0,45 0.35 0.25
Sample No.6
900 Т, °С
Рисунок 4. Зависимость интегральных коэффициентов излучения образцов конструкционных и теплоизоляционных материалов от температуры нагрева
Интегральный коэффициент излучения для каждого значения температуры Т) рассчитывали по формуле:
в(Г) = .. ОТ.
где О(Т), (Т ) - измеренные значения
мощности излучения при нагреве до температуры Т исследуемого и эталонного образцов соответственно.
Объектами для исследований служили конструкционные и теплоизоляционные материалы с различными теплофизическими свойствами (таблица 1).
Результаты измерения интегральных коэффициентов излучения образцов этих материалов в диапазоне температур 100...1000 °С приведены на рисунке 4.
Рисунок 5. Фотография образцов до и после нагрева до температуры 1000 °С
Из приведенных зависимостей видно, что для всех исследуемых образцов интегральный коэффициент излучения уменьша-
ется с ростом температуры от значений е =
0.65.0.80.при Т=100 °С до е = 0,35.0,45 при Т=1000 °С. Это связано, по-видимому, с температурной деструкцией поверхности образцов при нагревании, что подтверждается их внешним видом до и после нагрева (рисунок 5).
Таким образом, выполненные экспериментальные исследования доказали возможность применения радиационного метода для измерения с высокой степенью достоверности интегральных коэффициентов излучения поверхности образцов широкого спектра теплоизоляционных и композиционных материалов. Разработанная методика может быть использована в практике лабораторных испытаний.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник / А.В. Лыков - М.: Энергия, 1978. - 480 с.
2. Блох А.Г. Теплообмен излучением: Справочник /
A.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыжков. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.
3. Излучательные свойства твердых материалов / Под общ. ред. А.Е. Шейндлина. М.: Энергия, 1974.
- 472 с.
4. Гува А.Я. Краткий теплофизический справочник.
- Новосибирск: Сибвузиздат, 2002. - 300 с.
5. Исаченко В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко,
B.А. Осипова, А.С. Сукомел. - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.
6. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент / Под ред. Е.Е. Аметистова, В.А. Григорьева, В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. -512 с.
РАСЧЕТ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ СУШКИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПЛИТ ИЗ МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ
О.С. Татаринцева, А.В. Литвинов
Учреждение Российской академии наук Институт проблем химико-энергетических технологий
Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН)
Предложена экспериментально-расчетная методика оценки времени сушки увлажненного минераловатного ковра в зависимости от параметров материала (среднее начальное влагосодержание слоя, удельная нагрузка) и сушильного агента (температура, влажность, скорость), позволяющая рассчитывать габариты камеры сушки на любую производительность.
Ключевые слова: Сушка, увлажненный материал, влагосодержание, теплоизоляционные плиты, плотность, удельная нагрузка, скорость, воздуха, реверсия, методика расчета.
Особенности процесса сушки влажных нения локального влагосодержания с течени-материалов обусловлены характером изме- ем времени, поэтому для выбора рациональ-
