Статья:

Нестационарный метод измерения коэффициента излучения теплозащитных материалов

Конференция: LVI Студенческая международная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум»

Секция: Технические науки

Выходные данные
Засадная И.С. Нестационарный метод измерения коэффициента излучения теплозащитных материалов // Молодежный научный форум: электр. сб. ст. по мат. LVI междунар. студ. науч.-практ. конф. № 26(56). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_interdisciplinarity/26(56).pdf (дата обращения: 17.04.2024)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

Нестационарный метод измерения коэффициента излучения теплозащитных материалов

Засадная Ирина Сергеевна
магистрант Томский государственный университет, РФ, г. Томск

 

Аннотация. В этой исследовательской работе проводится анализ нестационарного метода измерения коэффициента излучения, основанного на измерении температуры образца во время его охлаждения. В статье также содержатся базы данных по интегральным коэффициентам излучения при высоких температурах, близких к температуре термического разложения, актуальным в связи с использованием теплозащитных и конструкционных материалов в системах теплозащиты, на путях потока электростанций, а также при разработке новые материалы с заданными свойствами.

 

Теплозащитные материалы (ТЗМ) – конструкционные материалы, применяемые в качестве пассивного средства защиты какой-либо поверхности элементов конструкций от нагревания или воздействия горячего теплового потока [1].

Теплозащитный материал обеспечивает защиту от теплового воздействия и от ударной волны (гасит усилие ее воздействия). ТЗМ из супертонкого волокна окиси кремния, способные ослаблять лучистый теплообмен путем рассеивания и эффекта многократного экранирования, а также уменьшать теплопроводность по воздуху за счет затруднения конвекции и молекулярного переноса.

С некоторой степенью условности элементы тепловой защиты можно разделить на:

а) облицовки, обеспечивающие заданную стойкость первого слоя тепловой защиты от разрушения при взаимодействии с одно– и двухфазным рабочим телом; в качестве таковых применяют тугоплавкие металлы (ТПМ) (рис. 1) и сплавы, графиты и пирографиты, углеродные композиционные материалы, угле– и стеклопластики;  

 

Рисунок 1. Характеристики тугоплавких металлов



б) теплоизоляционные слои, обладающие низкой проводимостью тепла, но подверженные существенному уносу уже при незначительном уровне конвекции рабочего тела; в качестве них применяют угле– и стеклопластики, теплозащитные материалы на основе каучуков, клеи и герметики (табл. 1.2);

в) насадки, выполняющие одновременно функции и тепловой защиты, и конструкции; здесь применяют металлы углерод, углеродные композиции, угле и стеклопластики.

В многослойных конструкциях теплоизоляционные слои располагают между эрозионостойким слоем и защищаемым элементом в целях минимизации общей массы данного узла. Тепловая защита соплового блока – наиболее теплонапряженного элемента ракетного двигателя – строится в зависимости от локальных особенностей теплообмена на каждом участке газового тракта.

Анализ литературных данных показал, что наиболее распространенными в практике лабораторных исследований были радиационный, калориметрический и нестационарный методы.

Рассмотрим принципиальные схемы установок, реализующих радиационный (а), калориметрический (б) и нестационарный (в) методы измерений интегрального коэффициента излучения на рисунке 1.



Рисунок 2. Схемы установок для измерения интегрального коэффициента излучения радиационным (а), калориметрическим (б) и нестационарным (в) методами

 

Определение интегральных коэффициентов излучения  методом излучения заключается в сравнительном измерении лучистой энергии, излучаемой исследуемым и полностью черным телом или телом, которого известна специальному тепловому детектору.

Экспериментальные установки для определения ε методом излучения имеют устройство для нагревания образца до заданной температуры, детектор излучения и диафрагму.

На рисунке 2 (а) 1 - испытуемый образец; 2 - приемник излучения; 3 - отверстие; l - расстояние от образца до приемника излучения; S1, S2 - поверхность образца и приемника соответственно.

Линейность приемника излучения может быть обеспечена только в определенном интервале потоков излучения и с ограниченной точностью.

В общем случае приемник излучения является нелинейным.

Наиболее распространенной схемой осуществления радиационного метода с нелинейным приемником является схема, основанная на равенстве сигналов от исследуемого образца и абсолютно черным телом (АЧТ) (эталона) с разными температурами.

Использование нестационарных методов требует надежных экспериментальных

Данные о температурных зависимостях теплофизических характеристик - удельной теплоемкости и теплопроводности - исследуемого материала, которые для ряда теплозащитных материалов в диапазоне повышенных температур требуют дополнительных исследований. Кроме того, они предполагают постоянную температуру по всему объему образца, которая действительна только для образцов небольшого размера [6]. Одним из наиболее перспективных методов измерения интегральных коэффициентов излучения  является относительный нестационарный метод.

В относительном методе регулярный тепловой режим [7] использует охлаждение двух одинаковых тел геометрическая форма и размер в постоянной температуре окружающей среды.

При фиксированной температуре конвективные и проводящие компоненты теплообмена для образца и стандарта одинаковы, а излучающие компоненты отличаются из-за различий в их интегральных коэффициентов излучения. Интегральный коэффициент излучения может быть определена, если теплоемкость образца и эталона, их температура охлаждения и температура окружающей среды известны.

Анализ результатов вычислительных экспериментов с использованием схемы измерения температуры опытного образца показал, что предложенный способ позволяет повысить точность ИКИ поверхности материалов с низкой теплопроводностью за счет учета неравномерности температурного поля в образце.

 

Список литературы: 
1. Полежаев Ю.В., Шишков А.А. Газодинамические испытания тепловой защиты. Справочник. М.: Наука, 1992. 248 с. 
2. Коэффициент излучения (степень черноты) // www.temperatures.ru URL: http://temperatures.ru/pages/koefficient_izlucheniya (дата обращения: 18.10.2017). 3. Измерение температуры и интегрального коэффициента излучения тела методом спектральных отношений // www.phys-bsu.narod.ru URL: http://physbsu.narod.ru/lib/optics/optics/77.htm (дата обращения: 25.10.2017).