Диссертация (Физическое и математическое моделирование теплообмена в керамических конструкционных материалах), страница 13

Для такого оборудования необходимо программное обеспечение (ПО) для решения указанных выше задач, хранения первичной информации и подготовки файла экспериментальных данных требуемого формата для определения ТФС исследуемогоматериала. Последняя программа также может быть реализована на этом жекомпьютере. Комплекс может быть разработан в двух вариантах:82с независимым от ЭВМ блоком управления режимом нагрева образцовпри использовании программируемого автономного регулятора;с управлением режимом испытаний через компьютер.Последний вариант, являясь более сложным в исполнении, позволяет,прогнозируя гипотетические неисправности системы, разработать ПО, которое обеспечит конструктивную реакцию на ситуации, возникшие в процессенагрева.Структурная схема такого комплекса представлена на рисунке 3.1.УстановкаОбъектисследованияИнтерфейсИИСЭВМБлокуправлениянагревомРисунок 3.1– Структурная схема автоматизированного стенда.При проектировании экспериментальной установки основными условиями успешного решения поставленной задачи являлись:обеспечение скоростного нагрева фронтальной поверхности образцовматериала до высокой температуры с большой степенью равномерности поэтой поверхности и перепадом температур по толщине пакета исследуемогоматериала, удовлетворяющим условиям применения программы ICP-3 [24];снижение времени подготовки эксперимента, компактность,мобильность и высокая ремонтопригодность.Для выполнения этих условий было предложено оснастить установкусменным нагревательным блоком, собранным из галогенных ламп накаливания (ГЛН).

Последние обладают меньшей по сравнению с другими видами83нагревателей инерционностью и обеспечивают в сборке регулируемое поравномерности облучение поверхности образцов и достаточно высокий, особенно в области высоких температур, КПД при компактных размерах.Это решение позволяет создать необходимые условия нагрева образцов,быструю замену нагревательного блока или отдельного источника. Также сцелью сокращения времени подготовки эксперимента и повышения ремонтопригодности было предложено в конструкции установки использовать выдвижной поддон со съемным водоохлаждаемым приспособлением, на котором крепятся образцы и измерительный узел с разъёмным соединением первичных преобразователей температуры со средствами управления режимомиспытаний и регистрации экспериментальных данных.Для уменьшения габаритных размеров и снижения массы экспериментальной установки с учетом высоких температур нагрева образцов, при выборе теплоизоляции предпочтение было отдано материалам на основе неорганических волокон [77,78].Исходя из этих соображений, были сформулированы технические условия для проектирования экспериментальной установки– габариты - не более 450450450 мм3;– размер рабочего пространства - 150150100 мм3;– масса - не более 10 кг;– питание - 220 В, однофазная сеть;– исполнение конструкции - в «настольном» варианте;– исключение контакта подвижных частей установки с теплоизоляционным слоем;– температура наружного кожуха установки - не более 330 К ( 60 С);– подготовка установки к эксперименту - не более 1 ч;– равномерный нагрев фронтальной поверхности образцов до максимальной температуры 1600 К потоком теплового излучения (степень неравномерности падающего потока не более 5 %);84– охлаждение (при необходимости) тыльной поверхности образца по температурному режиму, обеспеченному заданным заранее расходом охлаждающейжидкости (воды).– нагреватели - ГЛН;- охлаждение токоподводов ГЛН до температуры не более 330 К - водяное.Схематическое изображение установки приведено на рисунке 3.2.143112710659вода81 – рефлектор; 2,3 – боковые отражатели;4 –одно (двух) рядные нагреватели; 5 – выдвижной поддон;6 – образец исследуемого материала; 7 - холодильник;858 – измерительный узел; 9 – защитный кожух;10 – охлаждаемые токоподводы ламп;11 – теплоизоляция образца и холодильникаРисунок 3.2– Блок-схема установкиПри проработке проектно-конструкторских решений основными задачами являлись выбор количества источников нагрева, их шаг между собой, оптимальное расстояние от фронтальной поверхности образцов, а также толщины теплоизолирующих рефлектора и боковых отражателей, удовлетворяющие требованиям безопасной эксплуатации такого оборудования по температурам на защитном кожухе.Расчёт параметров блока нагревателей проводили на тепловой моделисопряжённого трёхмерного радиационно-кондуктивного теплообмена, описание которой приведено в главе 2 настоящей работы.

Расчёты показали, чтодля обеспечения заданного режима испытаний Vt = 5 K/c иαt = 0,1-35 Вт/(м2·К) достаточно мощности в 5 кВт т.е. пяти ламп КГ 2201000-3. При этом градиент температур на фронтальной поверхности в зонеустановки термопар не превышает 7 градусов от центра симметрии образца кпериферии.

С учётом возможного ужесточения режима испытаний по скорости нагрева фронтальной поверхности образца и интенсивности теплоотводас тыльной поверхности блок нагревателей может иметь 9 ламп.В конструкции установки применяют теплоизоляцию, уменьшающуюотвод теплоты нагревателей из камеры нагрева в окружающую среду, обеспечивая тем самым высокую (до 1400 К) температуру поверхности образца иприемлемую (не выше 330 К) температуру внешней поверхности установки.Выбор материала и толщины теплоизоляционного слоя проводили на тойже модели, что и расчёт нагревателей установки.

Исходя из расчета заданнаятемпература (330 К) при использовании материала ТЗМ-10 обеспечиваетсятолщиной в 0,05 м для дефлектора и боковых отражателей.863.2.Установка радиационного нагрева.Разработанная экспериментальная установка «УТРО-6М», входящая в состав экспериментального стенда, позволяет проводить исследования ТФХконструкционных керамических материалов в температурном диапазоне 20 –1700 К [78]. Основные технические характеристики установки приведены втаблице 3.1.Основные технические характеристики установки «УТРО-6М»Таблица 3.1№1ХарактеристикаЗначениеПлотность теплового потока на фронтальной поверхности образца, кВт/м2Тип нагревателей:240ГЛН типа КГ 220–1000–32Габаритные размеры:3длина, мм304ширина, мм304высота, мм450Размеры рабочего пространства:4длина, мм150ширина, мм150высота, мм70Максимальные размеры образца:диаметр (длина/ширина), мм50 (60х60)толщина, мм106Масса, кг9,27Электропитание1220 В, 50Гц58Максимальнаяпотребляемаяность, кВА87мощ-109Максимальная температура образца, К10 Продолжительность испытаний, мин160015Установка состоит из пяти основных частей: корпуса, свода, нагревательного блока, измерительного узла и подвижной части – поддона.Корпус состоит из рамы, внешней облицовки в виде стального листа,теплоизоляции, опор и токоподводов.

Рама выполнена сварной из профильной стальной трубы. Крепление внешней облицовки и опор – при помощивинтов. В опорах имеются четыре прижимных винта, служащие для устранения конструктивного зазора, предусмотренного для удобства перемещенияподдона внутри установки и исключения разрушения теплоизоляции. Наприжимные винты навернуты контргайки, являющиеся ограничителям вертикального перемещения поддона, которое может привести к разрушениютеплоизоляции корпуса.В сменных нагревательных блоках используются галогенные лампынакаливания типа КГ–220–1000–3.

Максимальное количество ламп в нагревательном блоке – 9.Электропитание к ГЛН подводится через водоохлаждаемые токоподводы, которые представляют собой трубу со штуцерами на концах. Через штуцеры в токоподводы подается охлаждающая жидкость. На трубе с определенным шагом установлены пластины, на которых крепятся цоколи нагревателей. Пластины и штуцеры выполнены из сплава Л60, труба – из сплаваЛ63.Токоподводы крепятся к корпусу через электроизоляционные шайбы.Свод состоит из рамы, внешней облицовки из стального листа, ручек итеплоизоляции.

Рама выполнена сварной из стальной профильной трубы.Ручки выполнены из стального прутка. Свод монтируется на корпусе припомощи четырех шпилек и гаек-барашков.88Поддон представляет собой отбортованный стальной опорный лист степлоизоляцией и ручкой. На опорном листе закреплены боковые и задняястенки, ножки и водоохлаждаемое приспособление.Водоохлаждаемое приспособление имеет паянный корпус из сплава Л60и набор деталей (кронштейны, винты, гайки) для крепления образца в приспособлении.

При помощи втулок, винтов и гаек приспособление закрепленона поддоне.Для теплоизоляции установки применяется материал ТЗМК-10. На сводеи на корпусе теплоизоляция закреплена на клее, а на поддоне уложена отдельными блоками между боковыми стенками поддона и элементами водоохлаждаемого приспособления.Экспериментальные образцы исследуемых материалов представляютсобой составную пластину общим размером 60х56х7 мм, собранную из 8стержней квадратного сечения 60х7х7.Измерительный узел состоит из съемного водоохлаждаемого приспособления, крепящегося на поддоне.

Водоохлаждаемое приспособление предназначено для увеличения перепада температуры по толщине образца приизмерениях ТФС, крепления экспериментального образца и разъёмного измерительного устройства – передатчика сигналов первичных преобразователей температуры.Корпус приспособления изготавливается из материала с хорошей теплопроводностью, например, латуни.