Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 72
Текст из файла (страница 72)
3-11. Величина т связана с эффективной энтальпней разрушения следующим соотношением: т = 11((1, Ф/с (҄— Т,)) — 1). Для рассмотренного выше примера т,— 15 с (рис. 11-17), а т-0,4 (см. гл. 8). Учитывая высокую температуру разрушающейся поверхности (Т„м 2700 К), следует признать полученное значение коэффициента теплопроводности ).'=10,4 Вт(м К) заниженным относительно уровня, )в)а-З м Рис. 11-1В. Сравнение расчетной и измеренной зависимости «оординаты точки торможенн» моде.ти из «варцевого стекла от времени.
1 — Л=)а--).4 Вт))м К), и Н; г ).=Л)-10,4 Втдм К); 3 — Л=Л', ')езР)11)ЗС)Г)Е)О ОЗ) ' )г=-р,=р,аезр~ ! З,)З-З вЂ” Зе), с)мч 4,)в-э 16 20 с вытекающего нз моделей эффективной теплопроводности полупрозрачных стеклообразных материалов. Вероятно, это связано со снижением темпа роста коэффициента Х(Т) по мере приближения к разрушающейся поверхности из-за высвечивания прилегающего к поверхности слоя (ра;42 диационного охлаждения).
Методы определения теплофизнчесиии ~ Полученное указанным методом значение коэффициента теплопро водности кварцевого стекла представляет большой интерес и для ана лиза композиционных стеклопластиков, поскольку оно, учитывая силь нос снижение лучистого переноса тепла в неоднородных средах с боль шим содержанием газообразных продуктов термического разложения определяет верхний предел для возможных эффективных значений 1.' Более подробную информацию о зависимости коэффициента тепло проводности от температуры можно получить, фиксируя температур тонкого металлического калориметра под слоем теплозащитного мате риала. Хотя прямые теплофизические измерения позволяют более де тально определить зависимость )с(Т), рассмотренный метод имеет преимущества в широте охватываемого температурного диапазона и простоте проведения эксперимента.
Металлический калориметр, размещенный под теплозащитным покрытием и отделенный от державки модели воздушным зазором илн слоем легкой теплоизоляции (рис. 11-15, и), играет двойную роль. С одной стороны, оп выравнивает и осредняет температурное поле, сущест-,' венно увеличивая стабильность экспериментальных данных, с другой — ' обладает большой тепловой инерцией, по сравнению с которой можно, пренебречь аккумулирующей способностью клеевого соединения (под' аккумулирующей способностью понимается произведение толщины слоя на его плотность и теплоемкость брс). кгКмт с) !,г Рнс. г!.77.
Расчетныс зависимости ат времени т скорости уноса массы «вариевого стекла в акрсстмостн точки торможении затупленного тела при различпык прелположенназ отнасителзво теплооизическнк свойств материала !обозначении те же, что и на рис. гг-!б). а,в 0,4 24 сз о а !6 Верхний температурный предел применения такой измерительной системы обусловлен адгезионной прочностью клеевого соединения. Как только с ростом температуры между металлическим и теплозащитным слоями появится воздушный зазор, эксперимент должен быть пре крашен из-за нарушения монолитности системы. Методы экспериментального исследования геплоэапгигных материалов По температуре металлического калориметра, несмотря на ее малое абсолютное значение, можно судить о величине коэффициента теплопроводности теплозащитного слоя при температурах, в два-три раза прс.
вышающих температуру калориметра, Естественно, достоверность полученной информации намного возрастает, если известны две первые низкотемпературные «ступеньки» кусочно-постоянной аппроксимации коэффициента теплопроводности (рис. 3-13): начальное значение, характеризующее теплопроводность материала до начала термического разложения органических компонент, н конечное, дающее уровень теплопроводности по завершении этого разложения. Важно отметить, что для большинства органических связующих разложение заканчивается раньше, чем начнет проявляться влияние лучистого переноса в порах. Поэтому для опредечения коэффициента тепчопроводности материала после завершения реакции разложения можно использовать соотношения между величиной пористости П и коэффициентом Х. Таким образом, задача измерения теплофизических свойств и прежде всего коэффициента теплопроводности сведена к сравнению расчетных зависимостей температуры металлического калориметра Т (г) н результатов измерений, причем в расчетах варьируется величина одного или двух уровней кусочно-постоянной аппроксимации д(Т) в диапазоне температур выше 1300 К.
Заметим, что все остальные исходные параметры расчета, такие как скорость разрушения о (т) или температура разрушаюгцейся поверхности Т„, должны полностью соответствовать экспериментальным данным. Обычно задаются также зависимости плотности и теплоемкости материала от температуры (рс) =1(Т), Таким образом, оба представленных выше метода теплофнзических измерений позволяют установить величину теплофизических свойств материала при температурах, существенно превышагощих верхний предел, реакции термического разложения связующего н, что особенно важно, в условиях динамического нагрева с высоким темпом изменения температур.
Фактически результаты расчетов позволяют установить такие теплофизические характеристики композиционных материалов, которые применимы в широком интервале внешних параметров и являются своего рода «коэффициентами согласования» различных экспериментов. Дальнейшим развитием метода тонкого калориметра является определение теплофизических свойств материала по данным измерений температуры внутри разрушающегося теплозащитного покрытия с помощью термопар. Путем выбора зависимости л,.(Т) или задания ее кусочно-постоянной аппроксимации добиваются максимального соответствия расчетной и измеренной температур в каждой внутренней точке покрытия. Если принять в качестве граничного условия показания термопары Тм а сравнение проводить по температурам Т, (рис.
11-15, а), то пе представляет большого труда найти некое постоянное значение Хь спра- з44 ведливое в интервале (т,— т,). повышая затем максимальную темпе- Методы опреаелеиия теплофиоических ратуру диапазона до Т, и проводя сравнение расчетных и эксперимен. тальных значений Т, и Ть находим постоянное значение ло, отвечающее интервалу температур Т,— Тм которое вместе с ранее выбранным Х! обеспечит наименьшую погрешность расчета.
Таким образом, на каждом этапе решается задача оптимизации и одному постоянному параметру, тогда как все другие уровни кусочно постоянной аппроксимации коэффициента теплопроводности либо н требуются совсем, либо уже определены на предыдущих этапах реше ния. Подробности методики расчета, а также иллюстративные примерь приведены в работе 1Л. 3-41. Особый интерес представляют такие режимы прогрева и разрушения теплозащитных материалов, в которых температурный профиль в теле удается связать с производной от температуры по времени в данной точке. Таких режимов два: автомодельный и квазистационарный. Предпосылкой для их установления служат два общих условия: все физико-химические превращения внутри материала происходят при постоянных во времени температурах или внутри фиксированных температурных зон; температура внешней, нагреваемой поверхности не изменяется ва времени.
Кроме того, накладываются ограничения и на характер поверхност ного разрушения. При квазистационарном режиме прогрева скорости перемещения поверхности должна сохраняться постоянной, тогда ка!! при автомодельном поверхностный унос должен либо отсутствовать соз сем, либо его скорость должна быть обратно пропорциональной кори квадратному из времени. Записав с помощью единственной термопары зависимость темпера туры от времени ТЯ при у=у, =сопз1, нетрудно далее рассчитать вс температурное поле Т(у, т) внутри прогретого слоя, используя следую~ щие простые соотношения; 1.
При автомодельном прогреве Т = Т (Е), где $ = у/~' т или дТ 1 дТ 2т дТ ду ~,~ д$ ( у ) дт 2. При выполнении условий квазистационарного прогрева и разру! щения Т = Т (5), где $ = у — и т, или дт дт 1 дТ ду д$ Методы вксиеримеитальиого исследоваиии теолозащитиых материалов С помощью полного уравнения теплопроводности (3-44) теперь нетрудно определить величину коэффициента теплопроводности !с как функцию измеренной температуры Т(т).
В частности, при квазистацио. парном разрушении однородного матеоиала имеем (при рс=сопз1); рс и (Т вЂ” То) ) = дТ!дт 11-8. Термогравиметрические методы определения кинетических констант в процессе разложения Одним из существенных этапов исследования теплозащитных материалов является изучение их термической деструкции в процессе интенсивного нагрева, позволяющее выявить степень прочности межмолекулярных связей, влияние времени, температуры, давления и других параметров на скорость выделения газа, состав продуктов термодеструкции и т. д.
Знание кинетики реакций, качественных и количественных характеристик процесса разложения помогает объяснить поведение материалов в условиях воздействия высоких температур и интенсивных тепловых потоков. Одним из основных методов исследований процесса термического разложения полимерных материалов является термогравиметрический анализ, который начал использоваться еше в начале ХХ в. Суть анализа состоит в регистрации изменения массы определенной порции материала, подвергающейся нагреву в заданных условиях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
