Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 71
Текст из файла (страница 71)
Искажение температурного поля связано с различием теплофизических свойств теп. лозащитного материала и термопары, а также большими градиентами температуры по глубине, характерными для условий работы покрытия. Практически при измерении температуры внутри теплозащитных материалов без специально предусмотренных мер величина рассматриваемой погрешности может достигать 15'/о и более. Для уменьшения этой погрешности обычно используют микротермопары и располагают их в материале так, чтобы часть термопары Я лежала в изотермической плосьзв кости (рис. 11-13).
Не всегда представляется возможным развить длн- Исследование прогрева с помощью т ну 1 достаточно большой. Поэтому важно знать минимально допустимо значение параметра 1/с/, где с/ — диаметр электрода. На основании ре щения трехмерной задачи теплопроводности с переменными теплофнзн ческими свойствами и экспериментальных исследований, в которых из мерялось распределение температуры вдоль термоэлектрода, можно ре комендовать для ХА термопар брать параметр 1/д)30, а для ВР5/2 термопар 1/с/) 50. Последняя группа погрешностей характерна для коксующихся ма териалов, когда материал по достижении некоторого значения темпера туры Т л (температуры начала проводимости) становится электропро водным (рис.
11-13). Полностью исключить эту погрешность при Т ) ) 1800 К, не нарушив истинного распределения температуры внутр тепловой защиты, невозможно, так как при температурах выше 1800— 1900 К у всех существующих электроизоляционных покрытий удельное сопротивление значительно уменьшается. В настоящее время считается, Рис.
11-13. Скема расположении термопары внутри теплоэащитиого матерка. ла. Л вЂ” паверкность разрушения; 1 — электронроводящий слой кокса; /†прококсованиый слой; д — прогретый материал; Š— исходный материал; д — термо. электроды. предпочтительным использовать в высокотемпературной зоне термопары ВР5/20 без электроизоляционного покрытия. При этом для конкретных условий нагрева их диаметр следует выбирать, исходя из минимума погрешности, связанной с шунтированием электродов и остальными, рассмотренными выше процессами. Методы экспериментального исследования теплозащитиых материалов Для оценки влияния шунтирования можно рекомендовать расчетно- экспериментальную методику 1Л.
11-221, согласно которой погрешность измерения для частного случая 1=0 определяется выражением ЬТ = сзТ (1 — 1'); (11-10) (11-11) где ЬТ вЂ” разность между истинной (Тпс,) и измеренной в сечении х=О температурой (рис. 11-13); стТс — разность между Т„т(х=О) и темпера- Рис. !1-14. Зависимость погрешности измерена» температуры внутри каксушщегося теплозащитного материала от диаметра термепары 5. 1 — погрешность градуировки термоцары; у — погрешность тарировки и расгли$равки осциллограммы; 5 — погрешность, связанная с искажением температурного поля при введении в материал инородного те.та и с оттоком тепла по термозлектродам; 4 — погрешность шунтирования; 5 в суммарная погрешность измерения 03 мм 04 0,2 О,1 турой, соответствующей началу проводимости системы электрод— кокс — электрод (Тил); р — удельное сопротивление материала термоэлектродов; о — площадь поперечного сечения термоэлектродов; толщина электропроводящего слоя кокса; Ак — сопротивление электро1зв проводящего слоя кокса.
Методы оппеделеиип теплофизичесиих В предельном случае при Аи — ~0 из (11-10) следует, что термопара н может измерить температуру большую, чем Т Экспериментальные исследования показали, что для теплозащитныд материалов Ри составляет 2 — 4 Ом. Температура Ти,„зависит от темпе( нагрева Ь и при Ь)50 К/с достигает 1600 †18 К. В случае 1Ф=О формула (11-10) несколько усложняется из-за появ1 ления добавочного члена, обусловленного наличием изотермическогс( участка термопары. В качестве примера на рис. 11-14 приведена зависимость погрешно отей измерения температуры 2300 К от диаметра термопары (термопар ВР5!20, 1=15 мм, Ь= 150 К1с) . Там же представлена суммарная погреш ность измерения (без учета ошибки определения координаты располо жения термопары).
Видно, что при использовании термопар ВР5(20 диа метром с( меньше 0,1 мм погрешность измерения существенно возрастает, При с()0,2 мм увеличивается неопределенность координаты точки из~ мерения ( — 1 д(2), а также увеличивается допустимый шаг между ним~) (что нежелательно при больших градиентах температур). Следователь1 но, при исследовании коксующихся материалов целесообразно исполь' зовать термопары диаметром О,1 — 0,2 мм.
При исследовании материалов типа полиэтилена уменьшение дна метра используемых термопар может быть ограничено их механическо' прочностью. В случае изготовления термопар способом напыления следует учитьп вать возможное изменение термо-э. д. с. при толщине папылепного тер| моэлектрода, соизмеримой с длиной свободного пробега электрона.
Методы определения теплофизических свойств, использующие суммарные результап~ высокотемпературных эксперименто Этот раздел посвящен методикам исследования теплофизических ха рактеристик теплозащитных материалов при высоких температурах не посредственно в процессе их одностороннего нагрева н разрушения. Не обходимость такого подхода была установлена в ~ 3-6 и 9-1, где был показано, что структура прореагировавшего слоя и теплообмен фильт рующихся продуктов разрушения могут существенно зависеть от темп нагрева Естественно, что в таких условиях требуется специальное обос нование возможности применения на практике теплофизических харак теристик, измеренных в стационарных условиях на так называемых ста; билизированных образцах, которые получаются в результате длительно' го отжига теплозащитных материалов при максимальной температурч эксперимента.
Теплофизические измерения па стабилизированных образцах ничее~ не отличаются от соответствующих экспериментов на неразлагаюпгихс' материалах и поэтому здесь не будут описываться. Следует отмегить~ Методы ахспернментального исследования тепловангнтных материалов что результаты измерений на стабилизированных образцах, вероятно, могут быть использованы при расчетах тепловой зашиты в том температурном интервале, где отсутствуют реакции термического разложения или гетерогенного взаимодействия, если только структуры материала и образцов подобны друг другу. Этот вопрос пока еше очень слабо изучен.
Преимущество измерений теплофизических свойств непосредственно в процессе нестационарного разрушения в том, что при этом снимается проблема моделирования структуры материала или характера протекания внутренних процессов. Однако возникает целый ряд трудностей методического порядка к числу которых прежде всего относится дискретность получаемых температурных данных. Измеренное поле температур не позволяет получить непрерывный профиль температуры в теле, а соответственно рассчитать величину теплового потока в каждой внутренней точке. Это затрудняет использование простейшего уравнения, связывающего коэффициент теплопроводности материала Х с температурой Т, — закона Фурье д = — ),(дТ!ду) и требует достаточно сложной математической обработки результатов измерений.
В гл. 3 мы показали справедливость кусочно-постоянной аппроксимации коэффициента теплопроводности. Введение нескольких ступеней (обычно четырех или пяти, рис. 3-!3) кусочно-постоянной аппроксимации Х(Т) позволяет с удовлетворительной точностью рассчитывать не только глубину прогрева, но и все температурное поле в материале. Это говорит о том, что само по себе температурное поле консервативно по отношению к таким изменениям коэффициента теплопроводности, которые не выходят за ширину одного уровня кусочно-постоянной аппроксимации (в частности, для высокотемпературных теплозащитных материалов эта ширина температурного диапазона соответствует 400 — 500 К). Именно эта возможность связать температурное поле внутри тепло- защитного материала с одним или несколькими постоянными значениями коэффициента теплопроводности, которые к тому же не будут существенно зависеть от темпа нагрева, позволяет предложить два простых способа теплофизических измерений (рис.
! 1-!5, а, б). Первый из них использует связь времени установления квазистационарного режима разрушения с коэффициентом температуропроводностн, рассчитанным по постоянным значениям теплофизических свойств а=- =!г(Т')/(рс) (см. гл. 3): т =а,г~т е Проиллюстрируем этот метод на примере кварцевого стекла, измере- 340 ния коэффициента теплопроводности которого весьма затруднены из-за Методы определениЯ теплофизическик с высокого уровня температур и его полупрозрачности для излучения Если параметры набегаюшего газового потока не изменяются со вре.
менем, то образец стеклообразного материала вначале прогревается, за-1 тем начинает плавиться, испаряться и лишь по прошествии определен ного периода времени тс устанавливается постоянная скорость уноса массы. Сравнение расчета и эксперимента может производиться как по установившимся значениям скорости уноса массы и температуры поверхности, так и по характеру процесса установления этих параметров, Рис.
11-15. методы проведения экспериментов и измеряемые параметры нестацмо. йарного прогрева и разрушения. а — изнеренне времени установления квааистацнонарнаго оплав.гения и температурного поля внутри матер ал*; 6 — автомодельные прогрев и разрупгение с использованием втулок; е — измерение температуры металлического калориметра. В частности, наиболее доступно сравнение расчетной и измеренной зависимостей координаты точки торможения модели от времени: ~ тт1 ~о а Методы экспериментального исследовании теплозавгитных материалов На рис.
11-16 представлены результаты сравнения расчетных параметров оплавления кварцевого стекла с экспериментальными данными, полученными в [Л. 8-13), а на рис. 11-17 — данные по изменению скорости оплавления во времени. Видно, что для получения удовлетворительного согласования расчетных нестационарных значений координаты передней точки разрушающейся модели с экспериментом прин)лось взять в расчетах коэффициент теплопроводности д', превышающий величину )о при комнатной температуре более чем в 7 раз, Хо-!,4 Вт)'(м К). Можно значительно упростить расчетную процедуру, если для оценки коэффициента теплопроводности использовать формулу гл. 3 для времени установления: т =- (Л'!ров' ) ((и), График функции )(т) приведен на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
