Диссертация (1024982), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Верификация моделиВерификация градиентной модели теплопроводности осуществлялась путем сопоставления температурных зависимостей эффективного коэффициента температуропроводности СКМ, полученных в рамках градиентной моделии на основе данных эксперимента.Образец СКМ для проведения экспериментальных исследований теплофизических характеристик был получен по методике, описанной в Главе 3.Измерение температурной зависимости коэффициента температуропроводности осуществлялось методом лазерной вспышки на установке Netzsch LFA457 Microflash.Аналогичная зависимость была получена расчетным путем из известного соотношения( ) =( ) ( )( )на основе температурных зависимостей коэффициента теплопроводности ( ),полученного в рамках градиентной модели, удельной теплоемкости ( ) иплотности ( ), рассчитанных с использованием справочных данных.Сравнение расчетной и экспериментальной температурных зависимостейэффективного коэффициента температуропроводности СКМ показывает совпадение на уровне 20 % и менее во всем температурном диапазоне (Рис.
4.8).Экспериментальное определение термостойкости образцов композита проводилось с использованием двух методик.В соответствии с первой методикой образцы композита нагревались до105Рис. 4.8.Сравнение расчетных и экспериментальных температурных зависимостейэффективного коэффициента температуропроводности слоистого композитана основе системы Al2 O3 −Crразличных температур (в интервале 300 ÷ 1 100 ℃ с шагом 50 ℃) в муфельной печи в воздушной среде, после чего подвергались резкому охлаждениюпутем помещения в проточную воду, температура которой поддерживаласьна уровне 0 ℃.
Далее по схеме трехточечного изгиба проводилось определение предела прочности образцов, испытавших термоудар. Полученная зависимость предела прочности от величины температурного перепада Δ определяет деградацию механических характеристик материала с ростом интенсивности термоудара. Максимальное значение Δ , предшествующее резкомуснижению кривой (Δ ), принималось равным критическому температурному перепаду Δ . Описанная методика не позволила определить критический перепад температуры с достаточной точностью по причине отсутствиячеткой границы перехода к области существенной деградации прочностныхсвойств исследуемого материала.106Альтернативная методика определения термостойкости состояла в индентировании поверхности материала алмазной пирамидкой Виккерса под нагрузкой 200 Н, что обеспечивало образование трещин в структуре материала,и последующем нагреве до заданных температур (в интервале 300 ÷ 1 100 ℃ сшагом 50 ℃) в муфельной печи c дальнейшим резким охлаждением в проточной воде.
Мерой деградации механических свойств в этом случае являласьзависимость отношения величины удлинения распространившейся трещиныΔex к ее первоначальной длине 0 от величины температурного перепада Δ .Критическим значением температурного перепада Δ считалось максимальное значение Δ , предшествующее резкому возрастанию длины трещины.По результатам исследования значение Δ составило ∼ 600 ℃ (Рис.
4.9).Сопоставление аналитической оценки Δ (2.21) с экспериментальными данными дало совпадение на уровне 10 %.Рис. 4.9.Зависимость относительного удлинения распространившейся трещины(Δex /0 ) от температурного перепада для трех образцов СКМ1074.6. Выводы к Главе 41. Проведено исследование термоупругих свойств образца СКМ. Показано, что значение модуля Юнга СКМ при комнатной температуре составляет321 ГПа, занимая промежуточное положение между соответствующими показателями составляющих его фаз.
Относительное изменение рассматриваемойвеличины в температурном диапазоне 300 ÷ 1 200 ℃ составило 17 %. Полученный результат свидетельствует о повышении пластичности композита всравнении с керамическим материалом на 20 %.2. Проведено исследование термомеханических свойств образца СКМ.Показано, что значение предела прочности на изгиб СКМ при комнатнойтемпературе составляет 208 МПа. Относительное изменение рассматриваемойвеличины в температурном диапазоне 25 ÷ 900 ℃ составило 24 %. Продемонстрированы повышенное значение энергии развития трещины и вязкий характер разрушения материала.3.
Проведена оценка трещиностойкости СКМ согласно методике SENB.Показано, что значение указанной величины превышает 5 МПа · м1/2 .4. Проведено исследование КТЛР образца СКМ в температурном интервале 300 ÷ 1 200 ℃. Установлено, что при изменении температуры КТЛРСКМ изменяется незначительно (8 ÷ 10) × 10−6 К−1 и занимает промежуточное положение между соответствующими показателями для оксида алюминия и хрома. Полученный результат свидетельствует об отсутствии фазовыхи структурных изменений материала в процессе нагревания образца.5.
На основании сравнительного анализа экспериментальных данныхисследования температурной зависимости температуропроводности и термостойкости СКМ с результатами численного моделирования проведена верификация физико-математической модели, развитой в Главе 2.
Показано, чтосовпадение расчетной и экспериментальной температурных зависимостей эффективного коэффициента температуропроводности СКМ составляет 20 % и108менее во всем температурном диапазоне измерения. Сопоставление аналитической оценки критического значения температурного перепада (553 ℃) сэкспериментальными данными (600 ℃) дало совпадение на уровне 10 %.109Глава 5. Конструктивная схема высокотемпературного узла транспортировки газообразного теплоносителя в составе энергодвигательных установокОсновные изложенные в настоящей главе результаты отражены в работах [5–8, 11–13, 96].Автор выражает благодарность к.ф.-м.н.
Р.Н. Ризаханову за обсуждение полученных теоретических результатов, а также С.С. Игнатьеву за содействие в проведении теплофизических испытаний макета трубопровода сЭВТИ.Конструктивная схема перспективного космического аппарата на основе ядерной энергодвигательной установки предусматривает газотурбинноепреобразование энергии с использованием теплоносителя с высокой рабочейтемпературой (до 1 500 К) и давлением в несколько десятков атмосфер [97,98].
При реализации подобной схемы возникает задача обеспечения надежной транспортировки теплоносителя от реакторной установки к турбине свозможно минимальными энергетическими потерями, которые обусловлены,главным образом, тепловым излучением с разогретой до высокой температуры поверхности трубопровода.
Конструкция трубопровода состоит из несущей трубы, изготовленной из композитного материала, и ее наружной оболочки, выполненной из функционального теплоизоляционного материала. Назначением наружной оболочки является обеспечение надежного энергосбережения системы за счет уменьшения потерь энергии на тепловое излучение споверхности трубопровода в окружающее пространство. К функциональному материалу наружной оболочки трубопровода предъявляются требованиясверхнизкой теплопроводности и достаточной стойкости к термоудару.Требуемым уровнем плотности теплового потока, уходящего с наружнойповерхности трубопровода, является значение, не превышающее 10 кВт/м2при температуре несущей трубы 1 500 К.110В качестве конструкционного материала трубопровода предлагается использовать СКМ, исследование термомеханических и теплофизических свойствкоторого проведено в Главе 4.В качестве наружной оболочки трубопровода предлагается металлическая экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ), выгодно отличающаяся простотой конструктивного исполнения, низким значением эффективного коэффициента теплопроводности (в условиях достаточно сильного разрежениясопутствующей газовой атмосферы) и высокой технологичностью при малых массо-габаритных параметрах [99, 100].
Указанные отличительные преимущества ЭВТИ обусловливают ее успешное применение при разработке иконструировании термонапряженных изделий и узлов энергетических установок промышленного и космического назначения на протяжении последнихнескольких десятилетий [20].Моделирование характеристик предложенной конструктивной схемы высокотемпературного трубопровода для удобства целесообразно разделить надве независимые задачи: расчет внутренней оболочки, выполненной из СКМ(проведенный ранее в Главе 2), и расчет наружной оболочки, пример которого приведен в настоящей главе.Для оценки эффективности ЭВТИ использовались следующие граничные условия: температура несущей трубы — 1 500 К, температура наружнойповерхности ЭВТИ — 650 К.
При этом были учтены такие механизмы теплопередачи, как излучение и теплопроводность.5.1. Физическая модель ЭВТИВысокотемпературная ЭВТИ представляет собой слоистую конструкцию, выполненную из фольги тугоплавкого металла (например, молибдена).Промежутки между слоями может заполнять газ, соответствующий по параметрам сопутствующей газовой атмосфере космического аппарата. Технологически разделение слоев с цилиндрической геометрией можно получить111(а). Поперечное сечениетрубопровода: 1 —наружная оболочка,2 — несущая труба, 3 —«просвет» трубопровода(б ). Схематичное обозначение экранов: —порядковые номера экранов; индексы и обозначают соответственно внутреннюю инаружную поверхности -гоцилиндрического экранаРис.
5.1.Схема ЭВТИнанесением на фольговую ленту механическим путем матрицы конусообразных выступов, высота которых задает межслойное расстояние.С целью определения параметров ЭВТИ на основании работ [101–103]развита физико-математическая модель, описывающая теплоперенос черезслой изоляции.На Рис. 5.1 представлена схема ЭВТИ, состоящая из молибденовыхэкранов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
