CC BY
5
УДК 691- 405. 8
Майникова Н.Ф., Овсянников О.А., Курепина Д.С. Шишкинская В.А. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ МАТЕРИАЛА ПОКРЫТИЯ
Майникова Нина Филипповна - доктор технических наук, профессор кафедры энергообеспечения предприятий и теплотехники; [email protected].
Овсянников Олег Алексеевич - студент 4-го курса обучения кафедры энергообеспечения предприятий и теплотехники;
Курепина Дарья Сергеевна - студент 4-го курса обучения кафедры энергообеспечения предприятий и теплотехники;
ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет, ТГТУ»; Россия, Тамбов, 392000, ул. Советская д.106;
Шишкинская Вероника Александровна - магистрант 2-го курса обучения кафедры технологии переработки пластмасс.
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрен тепловой метод неразрушающего контроля, позволяющий определять теплопроводность материала полимерного покрытия металлического изделия с достаточной точностью. Ключевые слова: неразрушающий тепловой контроль, полимерные покрытия, тепловое воздействие, теплопроводность.
THERMAL CONDUCTIVITY OF THE COATING MATERIAL
Mainikova N.F.1, Ovsyannikov O.A.1, Kurepina D.S.1, Shishkinskayia V. A.2
1 Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation
2D. I. Mendeleev Russian University of chemical technology, Moscow, Russia
The article considers the thermal method of non-destructive testing, which allows determining the thermal conductivity of the polymer coating material of a metal product with sufficient accuracy. Keywords: non-destructive thermal control, polymer coatings, thermal effect, thermal conductivity.
Введение
В решении задачи обеспечения выпуска металлических изделий с низкотеплопроводными покрытиями важную роль играют способы и средства контроля качества. Тепловые способы неразрушающего контроля (НК) позволяют определять качество исследуемых покрытий (теплофизические свойства материала покрытия, наличие включений, расслоений, неплотностей и другие дефекты), а также качество готовых изделий (например, толщину покрытий) с достаточной точностью [1,2].
Рассматриваемый в данной работе неразрушающий способ определения
теплопроводности полимерных покрытий на металлах основан на физической модели (рис. 1), согласно которой на пластине с покрытием расположен измерительный зонд (ИЗ), включающий в себя плоский круглый нагреватель, теплоизолирующую подложку и термоприёмники. Аппаратное исполнение измерительной системы, реализующей способ НК детально представлен в работах [3,4]. Теоретическое обоснование способа НК детально представлено в работе [5].
Первый низкотеплопроводный слой (покрытие) имеет теплофизические свойства: теплопроводность Х\, теплоёмкость с\, плотность р\. Второй слой изделия - высокотеплопроводный (металл) с теплофизическими свойствами Х2, с2, р2. Толщина первого слоя - второго - h2. Температура в точках
контроля измеряется с помощью термоприемников (ТП1, ТП2).
Рис.1. Измерительная схема: ИЗ - измерительный зонд; ТП\, ТП2 - термоприемники; l - расстояние между ТП; R„-радиус нагревателя; Rиз-радиус ИЗ;
L\ L2 - длина и ширина пластины.
На систему с равномерным начальным температурным распределением, тепловое воздействие осуществляется с помощью нагревателя постоянной мощности, выполненного в виде тонкого диска радиусом Rн, встроенного в подложку ИЗ, радиусом Rиз. Размеры подложки ИЗ и металлической пластины L2, h2) подобраны так, что их можно считать полуограниченными. Для упрощения расчётов не учитывались теплоёмкость нагревателя и оттоки тепла по проводам теплоприемников.
Экспериментальная часть
Сформулирована в виде прямой задачи теплопроводности в исследуемой системе и решена математически задача. Получено решение, которое представляет собой линейную зависимость, коэффициенты которой связаны с
теплопроводностью материала покрытия и его толщиной [2,5].
Получено выражение:
к, = -^. Я
где я - тепловой поток, Вт/м2; к- толщина первого слоя, м; к}- теплопроводность, Вт/(мК).
Из данного выражения, зная к\, можно определить при реализации одномерного
распространения тепла и достижении режима регуляризации [5].
В данной работе определяли теплопроводность акрилового покрытия на стальной пластине. Состав имеет хорошую термостойкость и применяется для окрашивания радиаторов отопления, труб, металлических конструкций. В состав входят: высококачественная акриловая дисперсия, диоксид титана, целевые добавки, вода. Покрытие не желтеет при воздействии температуры до 100 °С и предназначено для работ как снаружи, так и внутри помещений. После высыхания долговечно, стойко к мытью и истиранию. При нанесении состав быстро высыхает, без резкого запаха, является экологически чистым.
Испытаниям подвергали пять изделий с различными толщинами покрытий к\. Экспериментальное исследование проводилось при постоянной мощности теплового воздействия (д) от плоского круглого нагревателя. Напряжение на нагревателе и = 5 В. Радиус нагревателя Лн = 0,004 м. Временной шаг измерения температуры Ах - 0,25 с; материал подложки ИЗ - пенополиуретан марки Рипор. Испытаниям подвергались пять изделий и измерения проводились пять раз на каждом образце.
Учтено, что регулярные тепловые режимы первого и второго рода имеют общее свойство, характеризующееся независимостью от времени отношения теплового потока в любой точке тела к потоку тепла на его поверхности. Основная часть методов базируется на моделях для тел конечных размеров. Применительно же к методам неразрушающего контроля следует говорить не о регулярном тепловом режиме для всего тела (так как оно принимается неограниченным), а о регуляризации теплового процесса только для определенной (локальной) области тела.
В нашем случае можно проводить термический анализ, основываясь только на участке термограммы, соответствующем регуляризации теплового режима в области нагревателя и термоприемника [3].
На рис. 2(а) представлены термограммы (а), зарегистрированные термоприёмником (где Т -
избыточная температура в точке контроля; т - время, с).
На рис.2(6) представлен график зависимости Ъо =
НЛ).
Испытаниям подвергали четыре изделия с различными толщинами покрытий (Таблица1), измеренными микрометром. Режимные
характеристики: теплопроводность материала покрытия - 0,1 Вт/(мК); временной шаг измерения температуры - 0,25 с; радиус нагревателя -0,004 м; время проведения экспериментов - до 900 с; мощность теплового воздействия на нагревателе -9753 Вт/м2.
1500
1ли. €
(а)
Ь0
80 70 60 50 40 30 20 10 о -10 -20
, 1 Л
/
/
/
/
>
[) 2 Г)
корень (1ал):
Рис. 2. Термограмма (а) и зависимость Ьо =} 0 (б)
На основании снятых термограмм определены коэффициенты математической модели Ьо для четырёх опытов (Таблица1). Проведена линия тренда. По Ьо1 (где г =1.. .4) построена зависимость Ьо = ХМи).
Построен график зависимости = ДЬо).
На основании термограмм определяли коэффициенты математической модели Ь0 и значение теплопроводности покрытий через постоянную прибора, полученную из градуировочного опыта. Полученные данные представлены в таблице 2.
Определены значения А.1. Таблица 1. Результаты экспериментов на изделиях с различными Ы
№ опыта Ы1и, м ^и, Вт/(м-К) Ь0 ^1, Вт/(м-К) о= 100% Ч,
1 0,00049 0,1 49,9677 0,096 4
2 0,00050 0,1 51,0201 0,096 4
3 0,00052 0,1 53,1249 0,095 5
4 0,00054 0,1 55,2298 0,095 5
Таблица 2. Результаты экспериментов на изделиях с одинаковыми Ыы
№ опыта Я.1и, Вт/(м-К) Ь0 ^1, Вт/(м-К)
1 0,1 81,33040 0,10022 0,22
2 0,1 106,3264 0,09631 3,69
3 0,1 108,8260 0,09600 4,00
4 0,1 113,8252 0,09548 4,52
5 0,1 118,8244 0,09498 5,02
Результаты экспериментов подтверждают работоспособность метода. Детальное описание метода и измерительной системы, его реализующей, представлены в работах [2-5].
Список литературы
1. Жуков Н.П. Многомодельные методы и средства неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов и изделий - М.: Машиностроение, 2004. - 288с.
2. Жуков Н.П. Метод неразрушающего определения толщины защитных покрытий // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2017. -Т. 23. —№ 1. - С. 6 -11.
3. Жуков Н.П. Измерительно-вычислительная система неразрушающего теплофизического контроля // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2005. -№ 2. - С. 153.
4. Жуков Н.П. Измерительно-вычислительная система неразрушающего контроля теплофизических свойств // Приборы и техника эксперимента. - 2005. -№ 4. - С. 164-166.
5.Жуков Н.П. Теоретическое обоснование теплового метода неразрушающего контроля двухслойных изделий // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского: Серия технические науки. - 2009. - № 9 (23). - С. 93-99.
