CC BY
8физических свойств веществ» Материалы конференции -Санкт-Петербург 2010.
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ СВОЙСТВА БАЗАЛЬТО-АРМИРОВАННОГО КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА, ПРИМЕНЯЕМОГО В КАЧЕСТВЕ КОНСТРУКЦИОННОГО ЭЛЕМЕНТА ЭКРАНОПЛАНА
Константин Николаевич Большев
канд. техн. наук, с.н.с.;
ФГБУН Институт физико-технических проблем Севера СО РАН
им. В.П. Ларионова, Якутск Василий Алексеевич Иванов канд. техн. наук, с.н.с.;
ФГБУН Институт физико-технических проблем Севера СО РАН
им. В.П. Ларионова, Якутск, Алексей Владимирович Малышев канд. техн. наук, н.с.;
ФГБУН Институт физико-технических проблем Севера СО РАН
им. В.П. Ларионова, Якутск, Анатолий Анатольевич Степанов
ФГБУН Институт физико-технических проблем Севера СО РАН
им. В.П. Ларионова, Якутск,
THERMAL INSULATION PROPERTIES OF THE BASALT-FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIAL USED AS A CONSTRUCTION ELEMENT OF THE GROUND EFFECT MACHINE
Bolshev K.N., Ph.D., The senior researcher of the heat and mass transfer department, Institute of Physical-Technical problems of the North named after V.P. Larionov, The Siberian Branch of the Russian Academy of Science, Yakutsk, Russia
Ivanov V.A., Ph.D., The senior researcher of the heat and mass transfer department, Institute of Physical-Technical problems of the North named after V.P. Larionov, The Siberian Branch of the Russian Academy of Science, Yakutsk, Russia.
Malyshev A.V., Ph.D., The researcher of the heat and mass transfer department, Institute of Physical-Technical problems of the North named after V.P. Larionov, The Siberian Branch of the Russian Academy of Science, Yakutsk, Russia.
Stepanov A.A., The researcher of the heat and mass transfer department, Institute of Physical-Technical problems of the North named after V.P. Larionov, The Siberian Branch of the Russian Academy of Science, Yakutsk, Russia.
АННОТАЦИЯ
В статье приводятся данные по определению эффективной теплопроводности и сопротивления теплопередачи фрагмента пластины изготовленной из базальто-армированнного композиционного материала полученные методом стационарного теплового режима. В работе применяются климатическая камера, прецизионный преобразователь сигналов «Теркон» и нестандартные преобразователи теплового потока типа ПТП-1Б, со встроенными датчиками температуры. Опрос первичных данных необходимых для расчета теплопроводности производится по программе, разработанной в среде Borland Delphi 7 в виде приложения Windows.
ABSTRACT
The paper presents data on determination of the effective thermal conductivity and thermal resistance of a basalt-fiber reinforced composite material plate fragment. The data were obtained using the method of steady-state thermal condition. The climatic chamber, «Terkon» precision signal converter and non-standard heat flow converters called PTP-1B with built-in temperature sensors were used in this work. A survey of primary data required to calculate the thermal conductivity is made using the computer program developed with Borland Delphi 7 as a Windows-compatible application.
Ключевые слова: Преобразователь теплового потока, теплопроводность, стационарный тепловой режим, базаль-то-армированный композитный материал, прецизионный преобразователь сигналов, климатическая камера.
Keywords: Heat flow converter, thermal conductivity, steady-state thermal condition, basalt-fiber reinforced composite materials, precision signal converter, a climatic chamber.
Введение
Применение базальтовых материалов в настоящее время все шире находит применение в таких отраслях промышленности как строительство, кораблестроение, авиация, космическая техника, теплоэнергетика, радиоэлектроника и т. д. [1]. Во всех этих областях данный материал становится не заменимым, ввиду присущих ему
целому ряду свойств, таких как механическая прочность, устойчивость к коррозии и химическая стойкость, обладание низкой гигроскопичностью.
Арматура, созданная на основе базальто-волокнистых материалов имеет малый вес что, несомненно, будет удачным выбором в плане создания легких конструкционных изделий и позволит сократить затраты на их доставку.
Кроме того она имеет низкий коэффициент линейного расширения [2], что позволяет использовать арматурные изделия при строительстве сооружений и объектов на его основе при рабочей температуре в диапазоне от -70 до + 180 0C.
В работе приводятся результаты по эффективной теплопроводности, композиционной пластины усиленной армированными базальто-волоконными стержнями.
Цель работы - определение эффективной теплопроводности базальто-армированного композиционного материала, применяемого в качестве конструкционных элементов используемых для постройки экранопланов, эксплуатирующихся в условиях низких климатических температур.
Образец изготовлен в виде пластины состоящей из композитного материала размером 203х303х25 мм и армированных стержней диаметром 8 мм из базальтового волокна, расположенных друг относительно друга перпендикулярно клеткой с постоянным шагом, и залитых вспененной эпоксидной смолой. Образец изготовлен и предоставлен для исследования ООО «Небо+Море».
Методика определения теплопроводности базаль-то-армированного
композиционного материала
Эффективную теплопроводность базальто-армиро-ванной композиционной пластины, из-за её больших размеров, определять на приборе ИТ - X - 400 [3] не представляется возможным, поэтому ее определяли стационарным методом согласно ГОСТ 7076-99 [4]. Для создания постоянного перепада температур по толщине образца, применялась климатическая камера BINDER MK-53. Рабочий диапазон температур этой камеры составляет от -40 до + 180 °C. Точность термостатирования составляет ±1°C.
Одна сторона пластины поддерживается при отрицательной температуре в камере равной -38,5°C, а другая сторона находится при комнатной температуре +22°C.
Регистрация температуры и теплового потока проводилась многоканальным, прецизионным преобразователем сигналов «Теркон». Преобразователь сопряжен с IBM PC через последовательный интерфейс типа RS-232C, и позволяет регистрировать данные измерений тепловых потоков и температур в виде таблицы или графика.
Для измерения теплового потока применялись преобразователи ПТП-1Б, разработанные Институтом технической теплофизики НАН Украины (Киев). Датчик ПТП-1Б представляет собой круглую тонкую пластину, выполненную из текстолита, диаметром 100 мм и толщиной 2 мм с шестью выводами.
Датчик ПТП-1Б содержит в себе также термометр сопротивления, где в качестве чувствительного элемента используется платиновый термометр Pt100 с номинальной статической характеристикой W100 = 1,385. Номинальное значение термометра сопротивления при 0°C составляет 100 Ом. Предел допускаемой основной относительной погрешности измерения теплового потока ±4%, а предел допускаемой абсолютной погрешности измерения температуры ±0,5 K.
Такие комбинированные датчики весьма удобны для использования при экспериментальном определении сопротивления теплопередаче и теплопроводности материалов, т.к. при размещении их с обеих сторон исследуемого образца мы получаем полный набор исходных данных для расчета.
Экспериментальная установка
Схема экспериментальной установки приведена на рис.
1.
Компьютер
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Для размещения образца в граничную плоскость между камерой и комнатой был изготовлен экран из экстру-дированного пенополистирола размером 550x550x100 мм с проемом в центре под размеры образца пластины. На образец в центре пластины с двух сторон были установлены датчики ПТП-1Б. Выводы датчиков теплового потока подключаются к коммутаторам входных сигналов, подключение термометров сопротивления проводится по четырехпроводной электрической схеме. Опрос и регистрация данных производится посредством программы, разработанной в среде Delphi как приложение для операционной системе Windows [5].
Данные изменения температур и тепловых потоков на обеих поверхностях пластины выводятся на экран компьютера. Регистрация и запись данных продолжается до и после установления стационарного теплового режима и достижения заданной отрицательной температуры в климатической камере -38,5°C, и продолжается на протяжении еще около получаса. Было проведено несколько серий экспериментов. Продолжительность каждого эксперимента составляла около двух часов.
Результаты испытаний
Величину термического сопротивления теплопередаче определяем по формуле:
где ^ - температуры на теплой и холодной поверхностях пластины °С; ^ - усредненная плотность теплового потока Вт/м2, определяемая по формуле: _ _ и2К2 + иК!
2 (2)
где и2, и1 - сигналы напряжений с двух тепломеров, мВ; К2, К1 - соответствующие им значения коэффициентов преобразования, Вт/(м2-мВ).
Значение эффективной теплопроводности пластины X, Вт/(м-°С) определяется по формуле
х = А,
(3)
где Ь - толщина пластины, м; К.К - рассчитанное по формуле (1) термическое сопротивление теплопередаче, (м2-°С)/Вт.
На рис. 2-3 представлены графики изменения температур и плотностей тепловых потоков на поверхностях пластины.
Результаты экспериментального определения термического сопротивления и эффективной теплопроводности базальто-композиционного материала представлены в таблице 1.
R =
q
(i)
Рис. 2. Температура теплой и холодной поверхностей пластины
-ш-
Рис. 3. Изменение плотности тепловых потоков на теплой и холодной поверхностях пластины со временем
Таблица 1.
Значения термического сопротивления и эффективной теплопроводности базальто-армированной композиционной
пластины
№ R, (м2-°С)/Вт R , (м2-°С)/Вт X, Вт/(м-°С) Хср, Вт/(м-°С)
1 0,450 0,055
2 0,467 0,053
3 0,462 0,46 0,054 0,054
4 0,441 0,057
5 0,475 0,052
Выводы
Полученное значение эффективной теплопроводности исследуемого базальто-армированного композиционного материала составило 0,054 Вт/(м-°С), что можно относить его к классу теплоизоляционных материалов, таких как минерало-плитные ваты, стекловаты и т.п.
Таким образом, наряду с вышеперечисленными свойствами, применяемый в конструкциях при построении экранопланов, исследуемый композиционный материал, обладает также свойствами теплоизоляционных материалов.
Список литературы:
1. Оснос С.П. О характеристиках базальтовых волокон и областях их применения [электронный ресурс] иКХ:Ы1р://Ьа8аШт.сот/ги/аг1:1с1е8/article01.html (Дата обращения 01.03.2015).
2. Оснос С. П., Садков В. Н., Киселев М. Н. Коэффициент линейного расширения базальтопластика [электронный ресурс] URL: http://www.specpolymer.com/arm/articles/ pages6.php (Дата обращения 05.03.2015)
3. Заричняк Ю.П., Иванов В.А. Зависимость теплофи-зических свойств наполненных фторопластов от температуры и концентрации наполнителей « Пластические массы» 2013 №7, с. 35-37
4. ГОСТ 7076-99 Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме.
5. Малышев А.В., Степанов А.В. Определение термического сопротивления теплопередаче слоя жидкого керамического теплоизоляционного покрытия «Броня». Евразийский союз ученых IV международная научно-практическая конференция «Современные концепции научных исследований» 26-27сентября Москва, 2014 № 6, Часть 6, с. 40-43
