Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Обращает на себя внимание практически линейный характер зависимости 1ц су от ЦТ в указанном на рисунке диапазоне изменения температуры. Рассмотрим поведение полимеров при воздействии радиационного теплового потока. Если на поверхность полимера падает радиационный тепловой поток в видимой или ближней инфракрасной области, то полимер может оказаться прозрачным для этого излучения. Практически все термопластичные полимеры становятся прозрачными при нагревании выше температуры плавления. В этом случае излучение, не поглощаясь на поверхности, проникает внутрь термопласта и поглощается там.
Если принять, что поглощение энергии следует закону Бугера, то тепловой поток убывает согласно формуле д, (у)=д, ехр!' — уЯ,), где Члгидл(у) — поток лучистой энергии на границе и в глубине полимера; би — расстояние, на котором падающий лучистый поток будет ослаблен в е раз, называется длиной свободного пробега излучения (по аналогии с кинетической теорией газов). Поглощенное излучение цели)4в ком переходит в тепловую энергию, что эквивалентно появлению внутри Параметры разрушения термопластои и полимера распределенного источника тепла, т. е.
в уравнении (6-12) по является еще один член: ЕвТ 44Т Х вЂ” — ВрЬЯср„ехр( — Е!ЙТ)+ рс о — + Ыу' + е' ехр ( — у/бл) =О. (6-16 Уравнение (6-16) описывает распространение тепла в матернал1 в случае квазистационарного уноса полупрозрачного полимера. На гра ничных условиях наличие излучения не сказывается, так как для погло щения необходима конечная толщина: У = О; — Ле — = д, где 4) — конвективный тепловой поток; 44Т е Ву Для простоты рассмотрим частный случай, когда конвективный по ток отсутствует и разрушение полимера идет лишь за счет радиацион.
ного нагрева. Тогда первое граничное условие принимает вид 41Т)41у=1 Рис. 6-4. Зависимость массовой скорости раврушеиии термопластичных полимеров от темпервттрм г — полифармальдегид, В 8,1Х ХШ' 11с, Егл-16 ОЮ К; г — ПММ, В 6,7 1О' 1гс, Ега %200 К; г— полнпропилей. В 7,0 1О" 11с, Ега 21 Брг К; 4 — полввтилеп, в-з,з.ш 1)с, Ега-24 Ооо ке 8 — ПТФЭ, В=5,0.10и 1/с, Егв= -40 600 К. Π— в «гпм' сй 7 -в к.
-2,5 2,! 1,5 при у=О и профиль температуры становится Ь-образным. К сожаленн о, даже в этом простом случае аналитическое решение не найдено. Расчеты на ЭВМ показали, что профиль температуры в глубине матерна. ла имеет такой же вид, как и в случае, когда на полимер воздействуев конвективный поток (рнс. 6-5).
Это отражает тот факт, что на большом Сувлимирующие и раалатающиеси материалы расстоянии от поверхности излучение практически поглощается. Так, до глубины у=86л доходит лишь 5% излучения. С другой стороны, как показал анализ численных решений, глубина прогрева складывается из двух составляющих: обычной глубины прогрева бт=а~о, связанной с распространением тепла за счет теплопроводности, и глубины прогрева за счет поглощения излучения, имеющей порядок 6„. Таким образом, внутри материала существуют две основные зоны.
Первая зона, прилегающая к поверхности толщиной порядка 6„, где в основном поглощается излучение, но температура меняется слабо в силу того, что подводимый радиационный тепловой поток поглощается при деструкции полимера. Поэтому вклад теплоемкости в тепловой баланс сравнительно невелик. Лналогично из-за малости 077/(у перенос тепла за счет теплопроводности играет второстепенную роль.
Поэтому приближенно можно записать следующее соотношение: ВрбкЦ„лехр( Е1КТ) = ~' ехр( — у/6я). Я (6-17) Рпс. 6-6. Провали температуры прн покдейстпни радиационного потока на термопластичный полниер. /,! 420 квт/мт; 2 — 6 !666 квт/иь я !! 00 и БОО 700 ЗОБ о од 0.6 0,0 0,0 мм Так как температура Т в зоне 3 (рис. 6-2) близка к температуре поверхности Тнп то полУчаем пРиближеннУю фоРмУлУ длЯ слУчаЯ воздействия только радиационного потока: 7м = (Е/Й)/1п '(рпдг 6 6н В(4) (6-18) Параметры разрушения термопластов в М Сравнение расчетов по приближенной формуле (6-18) с точным решением, полученным численным методом, показывает нх хорошее совпадение.
Это означает, что допущения, сделанные при выводе этой фоомулы, правильно отражают основные физические процессы, происходящие в зоне, прилегающей к поверхности, при уносе под действием радиационного потока. Вторая зона лежит глубже первой. В ней основными процессами являются: перенос тепла за счет теплопроводностн и поглощение тепла за счет теплоемкости.
Профиль температуры имеет вид экспоненты (см. гл. 3). После расчета по уравнению (6-18) температуры поверхности Т„ нетрудно определить и скорость уноса массы материала. Интегральное уравнение для скорости уноса описывает баланс подводимой и поглощаемой энергии и имеет вид: ча ~" ~1/з'-г ти + сз (~ То)1. Термопластичные полимеры по сравнению с другими материалами обладают сравнительно низким значением коэффициента температуропроводности а=Цср, а следовательно, и небольшой глубиной прогрева.
В гл. 3 была дана формула для оценки времени достижения квазистационарной (постоянной) скорости поверхностного разрушения прн воздействиях постоянного конвективного теплового потока. В первом приближении это время равно тула/оз„, Применительно к некоторым заданным значениям скорости разрушения и и коэффициенту температуропроводности а политетрафторэтилена в табл.
6-4 приведены значения времени установления квазистационарной скорости разрушения. Т а 0 л и ц а 6-4. Зависимость времени установления квазистационарного режима разрушения от скорости уноса массы для политетрафторзтилена О,! мм/с 1 мм/с 1О мм/с 0,01 мм/с 1000 с 1О с О,! с 0,001 с В тех условиях теплового нагружения, в которых обычно используют термопластичные теплозащитные покрытия, скорость их поверхностного разрушения редко снижается менее 1 мм/с. Отсюда следует, что режим такого разрушения весьма близок к квазистационарному. Процесс распространения тепла в материале можно считать одномерным, если внутри полимера передачей тепла вдоль поверхности можно пренебречь по сравнению с переносом тепла по нормали к ней, т. е.
в случае, если (дТ!ду~ >> ~дТ!д4 (6-19) Судлимирующие и разлагающиеси материалы Так как вблизи поверхности при конвективном тепловом воздействии ~ — ~ — ч", а дТ дТ ( дт дб) дт 1 дч дх дх Иб дх дб Н' дх то условие (6-19) перепишется Л дт„ дч . и и (( Н* дб дх ли Как следует из рис. 6-4, Г мало зависит от скорости уноса массы 6 а. С учетом приведенных в табл. 6-3 данных по теплофнзнческим свойствам термопластов можно показать, что $ — (<1, где $= — (' — ~ =10 1 д(1пею) ' Х г Нб 1 1 б б дх ' Н*(,дт Если величина теплового потока, подводимого к проницаемой поверхности (на участке длиной в 1 см) меняется в 10 раз, то г((1п 4„) /г(х- -2,5 10' и для реализации одномерного процесса скорость уноса должна быть выше 0,0005 мм/с, т.
е. может быть очень мала. 6-4. Поведение продуктов разложения и скорость разрушения термопластичных материалов Газообразные продукты, которые получаются при разложении полимеров, являются довольно сложными органическими соединениями. Это, например, парафины в случае полиэтилена, тетрафторэтилен Сере и другие вещества (табл. 6-5) в случае ПТФЭ, метилметакрилат в случае ПММ.
Характерным для этих соединений являются большое содержание углерода, а также малая термическая стойкость. Попадая в пограничный слой, этн продукты двигаются от стенки со скоростью и, которую можно определить по условию неразрывности: о = и — "и — 10ео . Р Так как концентрация этих продуктов во внешнем потоке равна О, су1цествует диффузионный поток от стенки, равный рс . При этом продукты попадают в область пограничного слоя, где температура существенно выше, чем на разрушающейся поверхности. В окрестности точки торможения максимальная температура внутри пограничного слоя близ- 152 ка к температуре торможения, т.
е. может составлять несколько тысяч Поведение продуктов рвало! градусов. При такой температуре сложные органические соединения рас- падаются практически мгновенно. Т а б л и и а 6-5. Состав летучих продуктов пиролиаа при нагреве политетрафторвтилена в вакууме (в массовых $) [Л. 6-16) Температура пнролнаа, К 4626 рпо по Компоненты № опыта ! ( 2 ( 6 ( 4 ( 6 ~ 6 Нг Сга Сан Сана' другие пары Итого 0,2 0,2 0,5 1,8 1,7 2,6 89,7 81,0 75,2 6,5 5,3 5,8 1,8 11,8 15,9 !00,0 100,0 !00,0 0 1,2 95,1 3,7 0 !00,0 0 1,6 92,5 5,9 0 !00,0 0 1,5 94,8 3,7 0 100,0 — — = рВ ехр ( — Е(ЯТ~. 4(Р бт Предэкспонентный множитель для реакции разложения имеет порядок В=10'6 1!с.
Энергия активации реакции Е не превышает энергию разрыва связей С вЂ” О и С вЂ” Н, т, е. не превышает 200 — 400 КДж!моль. Характерное время реакции разложения может быть подсчитано по формуле: 1 В ехр ( — Е(ЙТ) Пря Е=200 —:400 кДж/моль т равно соответственно 10 т и 1О-' с. С другой стороны, нетрудно оценить время, в течение которого продукты находятся в пограничном слое. В окрестности точки торможения (при достаточно большой скорости вдува) в пограничном слое профиль температуры Т(у) близок к экспоненциальному Т (уа) — То ори сл о Т(р,) — Т„ьк и, По определению ра — ра т= и Произведем оценку характерного времени распада, используя для этого закон Аррениуса. Согласно этому закону концентрация неразложившегося реагента в случае реакции термической диссоциации (1-го порядка) описывается уравнением: Сублимирующие и разлагающиеся матеРиалы где т — время, в течение которого продукты разложения находятся в интервале температур Т, =.Т =.Ть а у — расстояние от разрушающейся поверхности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
