Диссертация (1026327), страница 12

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

Экспериментальные исследования теплофизических характеристиккоротковолокнистой теплоизоляции из коротких базальтовых волокон наплоских образцах с нагревом от муфельной печиВсестороннее изучение свойств ТИМ и нахождение закономерностей ихизменения позволяют создавать расчетные модели поведения и работоспособности такой теплоизоляции. Для исследования поведения разработаннойкоротковолокнистой базальтовой теплоизоляции при воздействии высокихтемператур методом фильтрационного осаждения были изготовлены плоскиеобразцы 100х100 мм. Сущность методики проведения исследований заключаетсяв одностороннем воздействии высоких температур на теплоизоляционныйматериал. На Рис. 3.5 приведена схема стенда одностороннего нагрева дляпроведения исследований. Она включает в себя муфельную печь СНОЛ, стемпературой нагрева до 1350 °С.На теплоизолируемую дверцу печи устанавливается испытываемый образецматериала 3 с закрепленными на нем термопарами 4 на горячей и на холоднойстенке.

Начальная температура образцов при испытании составляла (20 ± 5) °С.Длительность теплового воздействия на образец составлял 60 мин. Результатыиспытаний оценивались по 5 образцам. [2]На Рис. 3.6 и Рис. 3.7 представлены результаты экспериментов. Температуранагрева горячей стенки образцов имела величину 930 оС.

При этом температурахолодной стенки составила 105 °С, 93 °С и 84 °С в зависимости от плотностиматериала. Время роста температуры горячей стенки исследуемых образцов длявсех плотностей составляет в среднем 30 минут, т.е. скорость нагрева горячейстенки образца была одинакова.82Рис. 3.5.Схема стенда одностороннего нагрева:1 – печь муфельная; 2 – теплоизолируемая дверь (каолиновая теплоизоляция);3 – образец ТИМ; 4 –термопары; 5 – регистрирующий приборРис. 3.6.Зависимость температуры стенок образцов от времени испытания и ихплотности (hобр.=40 мм)Плотность материала образцов в незначительной мере оказывает влияние натемпературу холодной стенки. Рост температуры холодной стенки в среднемсоставляет 40 мин. При дальнейшем увеличении времени высокотемпературноговоздействия наступает равновесный температурный процесс, и температурахолодной стенки не меняется.83Анализ приведенных зависимостей показал, что скорость достиженийравновесного температурного состояния зависит от толщины материала.

Длятолщины образца 13 мм постоянная температура на холодной стенке достигаетсяв течение 25 мин, а для образцов толщиной 25 мм и 40 мм в течение 26 мин и40 мин соответственно.Рис. 3.7.Зависимость температуры стенок образцов разной толщины от временииспытанияИзучение результатов экспериментов показывает, что после выходатемпературы горячей стенки на стационарный режим с задержкой во временистабилизируется температура холодной стенки образцов. Это говорит осуществовании стационарного режима теплопередачи в ТИМ. При этом с ростомтолщины образца увеличивается время задержки.Таким образом, исследования образцов при одностороннем нагревепоказали высокую термостойкость и тепловую эффективность ТИМ на основебазальтовоговолокнаинеорганическогосвязующего.Основываясьнапроведенных экспериментах и полученных данных, становится возможнымописать особенности функционирования теплоизолирующих конструкций.843.4.Исследованиетеплофизическихсвойствкоротковолокнистойбазальтовой теплоизоляции с учетом лучистого переноса тепла вмежпоровомпространствепристационарномрежимеизменениитемпературыЭкспериментальныеисследования,описанныевп.

3.3показалисуществование стационарного режима теплопередачи в ТИМ. При этом времявыхода температуры холодной стенки на стационарный режим зависит оттолщины образца. [76]При анализе процессов теплопередачи традиционно используют уравнение(3.4),котороеудовлетворительноописываетнестационарныепроцессытеплообмена в слоях материала небольшой толщины и малой пористости [77-82]:1 ∂T= ∆T ,a ∂tЗдесь T(3.4)- температура, которая в силу линейности и однородностиуравнения может измеряться с помощью шкал Кельвина и Цельсия; a =коэффициенттемпературопроводности,м2/с;λ-λρCvкоэффициенттеплопроводности, Вт/(м К); ρ - плотность материала, кг/м3; Cv - теплоемкостьматериала, Дж/(кг К);∆=∑∂2∂xi2- оператор Лапласа; t - время, с; xi -пространственная координата.Однако при описании стационарных режимов теплопередачи в пористыхтеплоизоляционных материалах получаются тривиальные и независящие отфизических свойств материала решения.

Поэтому в качестве основы для описаниястационарного режима теплопередачи в высокопористых теплоизоляционныхматериалах можно положить учет теплового излучения Стефана-Больцмана впоровое пространство [81].Для плоского случая примем, что теплота, поступившая в слой толщинойdx, расходуется не только на нагрев материала до температуры T, но и на85излучение энергии в поровое пространство. Мощность излучения в соответствиис законом Стефана – Больцмана равна:R = σT 4 ,(3.5)где σ - константа Стефана – Больцмана, Вт/(м2 К4), Т – температура тела, К.В соответствии с законом теплопередачи Фурье на границах слоя толщинойdx через поверхности площадьюSформируются тепловые потоки, разностькоторых: ∂T  ∂T ∂ 2T  dt ,∆q = −λS − +dx2 ∂x  ∂x ∂xгде ∆q - разность тепловых потоков, Вт/м2;S(3.6)- площадь поверхности, м2.Поступающая в слой теплота за время dt :∂ 2T∆Q = λS 2 dxdt ,∂x(3.7)где λ - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала, Вт/(м К);t - время, с.Часть поступившей в слой теплоты расходуется на излучение энергии впоры.

Поэтому эффективная теплота на нагрев наполнителя будет равна: ∂ 2T0∆ Q * =  λ 2 − σ S порT 4  Sdxdt ∂x,(3.8)0где Sпор- удельная площадь поверхности пор в единице объема материала.Уравнение теплопроводности принимает следующий вид:1 ∂T ∂ 2T= 2 − a1 (T − Т 0 ) 4 ,a ∂t ∂xгде a1 = χ ⋅ a2 ; a2 =поправка,(3.9)0σ S пор; Т0 – начальная температура, К; χ - эмпирическаяλучитывающаямногократноевзаимодействиепотокатепловогоизлучения между смежными волокнами наполнителя, а также хаотичностьпространственной ориентации волокон и несовершенство контактов междуволокнами.86Полученное уравнение выгодно отличается от уравнения (3.4), и встационарном случае принимает вид:d 2T− a1 (T − Т 0 ) 4 = 0 .2dx(3.10)Дальнейшее интегрирование полученного выражения дает общее решение:TdTx= −∫a 1TTГ5+ C1,(3.11)где TГ - температура горячей стенки, К; x - координата горячей стенки.5Для случая C1 = −a1TН решение принимает видTГdT∫5x = 3 T2 − 1 ,TН a1Tгде T =(3.12)T.

Обработка представленных на Рис. 3.7 и Рис. 3.8 экспериментальныхTН−63данных позволила установить величину параметра a1 = 5,8⋅10 ,1/(м⋅ К ) , котораяобеспечивает их аппроксимацию со средней погрешностью 3 %.Взаимосвязь относительной величиныT, координаты x и температурыгорячей стенки представлено на Рис. 3.8.Соотношение (3.12) показывает, что если теплоизоляционный материалрассматривать как сплошную среду, то особенностью этой среды являетсяфункциональная зависимость теплопроводности от температуры горячей стенки.Полученное решение позволяет предложить соотношение для проектногорасчета толщины δстенки теплоизолирующей конструкции по требуемомуперепаду температур TГ и TХ горячей и холодной стенокTГ∫dT5δ = 3 T2 − 1 .TН a1TХ(3.13)87Рис.

3.8.Зависимость градиента темературы от координаты поверхности трубыВрезультатеанализасвойствиособенностейфункционированиявысокопористых теплоизоляционных материалов на основе базальтового волокнаполучено уравнение теплопроводности, описывающее стационарный режимизменения температуры в теплоизоляционном материале. Учет тепловогоизлучения Стефана-Больцмана в поровое пространство позволяет сделать вывод онелинейностисвязитемператургорячейихолоднойстенокобразца.Предложенное решение позволяет вести расчет толщины теплоизолирующегослоя с одновременной оптимизацией пористости материала. Полученныерезультаты создают основу для выбора технологического решения.3.5. Математическая оценка параметров конструкции и условий испытанийтеплоизолированных трубопроводовДля анализа параметров конструкции теплоизолированных трубопроводов иусловий их испытаний необходимо провести оценку динамики изменения88температуры стенки трубы с различными способами подвода теплоты квнутренней поверхности комбинированной трубы.Для решения поставленной задачи предложена математическая модель,принцип построения которой включают следующие допущения:Комбинированная труба диаметром d, м имеет два слоя:1.•слой металла диаметром dм, м и толщиной δ, м•слой теплоизоляционного материала толщиной δT, м;Тепловой поток в единицу времени в ТИМ равен соответствующему2.закону (3.14) [83]:q = λ 2πd мTв − Т н,δТ(3.14)где λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К); dм – диаметр слоя металла, м;δ Т – толщина теплоизоляционного материала, м; Tв – температура внутреннегослоя (металла), К; Тн - температура наружного слоя (теплоизоляции), К.В окружающую среду происходит теплоотдача по закону (3.15):3.q0 = 2π(dм + 2δТ )µλ0ρ0с0Тн ,(3.15)где параметры окружающей среды: λ0 - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К);ρ0-плотность, кг/м3;с0 -коэффициенттеплоемкости, Дж/(кгК);µ-эмпирический коэффициент.Разница между тепловым потоком и теплоотдачей определяет увеличениетемпературы теплоизоляции.

Составляя баланс энергии, получается уравнениероста температуры теплоизоляции:TН =η1аf1АТ В (1 −1 − е− Аt),At(3.16)где A = η 1 af 1 + η 2 f 2 , здесь коэффициенты имеют следующий вид:f1 =r1δ T (r + δ T )22, η1 =1χ, η2 =1µ, f 2 = λ В с В ρ В ( r + δ T ) , TВ = β t , (3.17), a = λTсТ ρTχδTсТ ρ T ( r +2)δ T89где β- скорость нагрева внутренней поверхности трубы, К/с; r – внутреннийрадиус трубы, м; χ - эмпирическая поправка; µ - эмпирический коэффициент;λT-коэффициент теплопроводности ТИМ, Вт/(м К); с Т - коэффициент теплоемкостиρTТИМ, Дж/(кг К);- плотность ТИМ, кг/м3; λв ; св ; ρв- соответственнокоэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м К); коэффициент теплоемкостивоздуха, Дж/(кг К) и плотность воздуха, кг/м3.В качестве исходного момента времени принимается момент [78, 84]τ =δ м2ам+δТ2аТ, соответствующий выходу тепловой волны на расстояние отвнутренней поверхности комбинированной трубы до наружной поверхности, гдеδ м - толщина металла, м; δТ - толщина слоя ТИМ, м; aм = λмучитывающих свойства металла, м2/с; aТ = λТ1сТ ρТ1см ρ м- коэффициент,- коэффициент, учитывающихсвойства ТИМ, м2/с.К этому моменту начальные температуры внутренней и наружнойповерхности будут соответственно равны: TВо = βτ ; TНо = 0 , где TВо - температуравнутри трубы в начальный момент времени; TНо - температура наружной стенки вначальный момент времени.Температура изменения внутренней поверхности подчиняется закону:ТВ = TВо + βτ = β (t +τ ) .(3.18)Решая уравнение, получаем зависимость наружной ( Tн ) и внутренней ( Tв )температур в виде (3.19):1 − е− А(t +τ )ТВTН =(1 −),ВA(t + τ )гдеB = 1+η2 f 2;η1af1A = η 1 af 1 + η 2 f 2коэффициенты (3.17).-значения(3.19)которыхзаписанычерез90Проведенныеэксперименты,описанныевп.3.1даннойработы,подтверждают адекватность математической модели.

Результаты экспериментов,представленныенаРис.подтвердили,3.9,чтозависимостьизменениятемпературы во времени можно считать линейным [85].Рис. 3.9.Зависимость изменения температуры во времениОбработка данных температур наружных поверхностей с помощью методовнаименьших квадратов позволяет принять значение эмпирической константы22 η = 0 , 0356  K ⋅ м  =  K ⋅ с  . Дж   кг В результате получена модель нагрева поверхности трубы, котораяучитывает и диаметр трубы, и параметры теплоизоляции, и свойства окружающейсреды.

Характеристики

Список файлов диссертации