Диссертация (1026327), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Прямой эксперимент с материалом позволяетоценить его работоспособность в условиях реальной эксплуатации, определитьскорость проникновения теплового потока через экспериментальные образцы ивремя выхода системы в стационарный режим.При проведении теплофизических работ решались следующие задачи:- исследование изменения теплового потока на внутренних и внешнихповерхностях трубчатых и плоских образцах ТИМ при нагреве до рабочейтемпературы;- расчет фактического значения коэффициента теплопроводности ТИМ;- определение удельного линейного теплового потока на трубчатыхобразцах ТИМ.Работа по подготовке к проведению теплового эксперимента проходила надвух основных участках кафедры СМ-12:- изготовление теплоизоляционных цилиндрических колец и плоскихобразцов на основе базальтовых волокон и минеральной связки из Al2O3производилось в лаборатории Дмитровского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана(г.
Дмитров);- сборка теплоизолированных трубчатых образцов, подготовка приборов,технологической оснастки и проведение тепловых испытаний – в лабораториикафедры СМ-12 МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва).733.1.Лабораторныеисследованияианалитическоеопределениекоэффициента теплопроводности высокопористой изоляции на кольцевыхобразцах из коротких базальтовых волокон с внутренним нагревом трубы отТЭНДля проведения экспериментальных тепловых испытаний с учетомтемпературных условий работы, удобства монтажа испытательного стенда иудобства подводки измерительной аппаратуры исследования проводились нагоризонтальнорасположенныхлабораторныхтрубчатыхобразцахстеплоизоляцией из базальтовых колец, при равномерном нагреве по внутреннейповерхности стальной трубы ТЭН. Теплоизолятор в виде цилиндрических колец,изготовленный из коротких базальтовых волокон и связки Al2O3 по отработаннойранее технологии методом фильтрационного осаждения (см.
п. 2.4), одевался налабораторную трубу, имитирующую НКТ.Для соединения теплоизоляционных колец между собой были сделаны сторцевых краев тепловые замки, фиксирующие кольца без зазора. Исходя изгеометрических параметров труб (dтр.=89 мм), а также с учетом толщиныупрочняющего слоя стеклоткани (2,5 мм), намотанной на трубу, были выбраныгеометрические параметры секций ТИМ: диаметр внешний – 130 мм; диаметрвнутренний – 94 мм; толщина – 18 мм; высота - 120 мм (Рис. 3.1, а).ИсточникомтеплаявлялсяТЭН,тепловаямощность,которогорегулировалась двумя реостатами, подключёнными к нему последовательно.Симметричностьраспределениятепловогопотокавнутримногослойнойконструкции обеспечивалась песком (Рис. 3.2).Многослойнаяконструкциямоделироваласьнаборомиздвухметаллических труб (Рис.
3.1, б), теплоизолирующего слоя и двух слоёвстеклоткани. Отвод тепла по боковой поверхности конструкции обеспечивалсятакже песком. Основные размеры экспериментальной установки представлены наРис.3.3.ИзмерениятемпературыосуществлялисьтермопарамиК–11,изготовленными по ТУ4211-01142187449-2002. Измерения проводились всоответствии с ГОСТ Р 8.585-2001 [71]. Расположение термопар в многослойной74конструкции, представленные на Рис. 3.1, б; Рис. 3.2 и Рис. 3.3, осуществлялосьпосередине трубы.
Это необходимо для обеспечения однородности тепловогопотока по толщине многослойной конструкции. Симметричность и однородностьтеплового потока контролируется измерением температуры в симметричныхотносительно оси конструкции точках.абРис. 3.1.Сборка стенда для тепловых испытаний:а – внешний вид колец ТИМ; б – схема расположения термопарРис. 3.2.Конструктивная схема модели теплоизоляции75Методикаизмеренияпредполагаластабилизациютемпературынатермопарах ТП1 и ТП2 за счёт регулировки тепловой мощности ТЭН споследующим измерением температур во всех точках. Эти меры необходимы дляобеспечениястационарноститепловогопотокачерезмногослойнуюконструкцию.
Результаты эксперимента представлены в Таблице 7.1 – слой стали;2 – слой стеклоткани;3 – слой теплоизолятора;4 – слой стеклоткани;5 - слой стали.Рис. 3.3.Схема эксперимента. ТП1, ТП2, ТП3, ТП4, ТП5, ТП6, ТП7 – места установкитермопар с соответствующим номеромТаблица 7.Температурное поле№Температура, оCТП 1ТП 2ТП 3ТП 4ТП 5ТП 6ТП 71409422378381100100882416420384388111108973426434390395116120104443544540340612512211276Таблица 7 (продолжение)53803903583581281251166382393355356126124115737938535235212812711683703813483461281271169370375342343129128116В условиях эксперимента удельный тепловой поток на единицу длинытрубы через различные слои равен [72-74]:ql =π (T1 − T3 )1 d2ln 2λ1 d 1d1 +ln 3 2λ 2 d 2=π (T3 − T4 )d1ln 42λ 3 d 3=π (T4 − T6 )d1ln 52λ 4 d 4d1 +ln 6 2λ 5 d 5,(3.1)где ql - удельный тепловой поток, проходящий через единицу длины каждогослоя многослойной трубы; Вт/м, λ1;λ2;λ3;λ4;λ5 - коэффициенты теплопроводностисоответственно слоев №1, 2, 3, 4, 5, Вт/моС; T1;T3;T4 ;T6 - температурасоответственно слоев №1, 3, 4, 6, оС; d1; d2 ; d3; d4 ; d5; d6 - диаметры соответственнослоев №1, 2, 3, 4, 5, 6, м.Сравнивая тепловые потоки через пары слоёв № 1 и № 2, № 4 и № 5.
Изравенства (3.1) следует, чтоql =гдеπ (T1 − T3 )1 d 2 1 d3 ln +ln 2λ1 d1 2λ2 d 2 коэффициент=теплопроводностиπ (T4 − T6 )1 d5 1 d6 ln +ln 2λ4 d 4 2λ5 d 5 стальных,слоёв(3.2)λ1 = λ5 = 41,9коэффициент теплопроводности слоёв стеклоткани λ2 = λ4 = 0,052Втм ⋅ градВт.м ⋅ градРезультаты расчёта средних значений удельных тепловых потоков черезслои представлены в Таблице 8. Основываясь на проведенных расчетах, значениеудельного теплового потока принимаем равным ql =158,7 Вт/м.77Таблица 8.Сравнение тепловых потоков на крайних слоях№Удельные тепловые потоки (среднее значение), Вт/м1167,62163,23179,34174,25137,56155,97152,38146,49151,8Воспользовавшись соотношением (3.1), можно определить величинукоэффициента теплопроводности слоя № 3:d ql ⋅ ln 4 d3 λ3 =,2π (T3 − T4 )(3.3)где ql - удельный тепловой поток, Вт/м, λ3 - коэффициент теплопроводноститеплоизоляционного слоя, Вт/моС; T3;T4 - температура внутренней и внешнейповерхности ТИМ, оС; d3;d4 - диаметры внутренней и внешней поверхностиТИМ, мм.Расчёты по этой формуле представлены в таблице 9.78Таблица 9.Оценка коэффициента теплопроводности слоя ТИМ№Коэффициент теплопроводности λ3Втм ⋅ градНечётная сторонаЧётная сторона10,0340,04520,0360,03530,0410,04440,0350,04250,0290,04260,0360,04970,0370,04580,0310,04990,0400,046Среднее значение коэффициентатеплопроводности0,040ТИМ из БСТВВеличина коэффициента теплопроводности теплоизолирующего материалана основе базальтового волокна λТИМ= 0,04 Вт/(мК), что подтверждаетсяприведенными экспериментальными данными.
При малой объемной плотности ивысокой термостойкости эффективность применения ТИМ на основе короткихбазальтовых волокон в заданных условиях подтверждена экспериментально.793.2. Экспериментальное определение коэффициента теплопроводностилабораторных кольцевых образцов из коротких базальтовых волокон иминеральнойсвязкиизAl2O3свнутреннимнагревомтрубыоттепловентилятораС целью определения эффективности термобарьерных покрытий вусловиях, приближенным к реальным, в качестве испытуемого лабораторногообразца выбрали стальную трубу диаметром 60х5,0 мм и длиной 800 мм, накоторую был намотан двойной слой алюминиевой фольги.
На подготовленнуютрубу надевали высокопористые базальтовые кольцевые секции ТИМ (Рис. 3.1, а)с внешним диаметром 110 мм и высотой 120 мм. Сверху на кольца ТИМ наносилиэкранирующий слой алюминиевой фольги, на который в поперечном направлениинаматывали слой стеклопластика толщиной 2,0 мм. После полимеризацииэпоксидного связующего образец теплоизолированной трубы устанавливали втепловой стенд (Рис.
3.4) для температурных испытаний.Тепловымисточникомдляпроведенияиспытанийиспользовалсятепловентилятор LEISTER, входящий в состав стенда СИМП 11.00.000 стемпературой воздуха на выходе от температуры помещения до 600 С. Заданнаятемпература тепловентилятора поддерживалась и контролировалась системойуправления стенда автоматически (Рис. 3.4, б).Расчет коэффициента теплопроводности произведен согласно ГОСТ 707699 [75]. При длительной прокачке горячего воздуха температурой 420 °Сустановившаясятемпературанавнешнейповерхностимногослойноготеплоизоляционного покрытия НКТ не превышала 62 °С (Таблица 10).Осредненные значения тепловых параметров по результатам экспериментасоставили:- тепловой поток на поверхности стеклопластиковой трубы – 761 Вт/м2, чтосоответствует линейному тепловому потоку ql = 143,5 Вт/м; среднее значение qlпо результатам двух экспериментов составило величину 151,1 Вт/м;- величина коэффициента теплопроводности во втором эксперименте 0,0409 Вт/мК.80Экспериментывусловиях,имитирующихреальные,подтверждаютрасчетные значения коэффициента теплопроводности материала на основекоротких базальтовых волокон (БСТВ) и 5 % по массе минеральной связки Al2O3.абРис.
3.4.Стенд для тепловых испытаний конструктивных элементов термоизолированныхНКТ: ВК5, ВК6, ВК7 – датчики температурыа – общий вид; б - тепловентилятор стендаТаблица 10.Результаты испытаний на тепловом стендеВремя11:4511:5312:1012:3012:4513:4014:0014:3015:0015:3016:00СреднееВК 134°С420420420420420420420420420420420ВК 520°С4444,74753,958,958,160,258,959,358,058,1ВК 620°С3843,54753,661,863,064,163,462,862,462,3ВК 720°С3345,25158,761,661,163,262,361,961,361,9ВК 833°С33237138639239539840439939840239881Испытания НКТ с комбинированным теплоизолирующим покрытием наоснове базальтового волокна и минеральной связки из Al2O3 показало высокуюэффективность теплоизоляции в регулярной части трубы: температура наповерхности трубы в регулярной части была в пределах 58 – 64 оС.3.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
