Диссертация (1026327), страница 14
Текст из файла (страница 14)
2.1) в интервале температур от 20 °С до 500 °Стакже можно выразить линейной зависимостью:возд (Т)= λKв [1 + \([ − [K )],(4.3)где λKв - коэффициент теплопроводности воздуха при температуре [K = 20 °С, λKв= 0,0257 Вт/(м·К); \ = 1/(380 К).Без учета тепловых потерь на излучение и спокойного состояния воздуха впорахтеплоизоляционногоматериалакоэффициенткондуктивнойтеплопроводности может быть записан на основании правила смесей:(], Т) =конд=]срвозд+ (1 − ])срБВ ,где ] – пористость волокнистой теплоизоляции, ] = 1 −плотность теплоизоляционного материала;БВБВ(4.4)тим ⁄ БВ ;тим–– плотность базальтовых волокон,= 2750 кг/м3. Средние значения коэффициентовсрвозд= 0,0406 Вт/(м·К) исрБВ=0,0734 Вт/(м·К) для интервала температур от 60 °С до 420 °С определены наоснование зависимостей (4.2) и (4.3).Согласно выражению (4.4) и средних значений коэффициентов длябазальтовых волокон и воздуха на Рис.
4.1, а, показано изменение среднегокоэффициента кондуктивной теплопроводностикондплотности ТИП в интервале температур 60 – 420 °С.(кривая 2) от пористости и98абРис. 4.1.Зависимости коэффициентов эффективной теплопроводноститеплоизоляционного покрытия НКТ из коротких базальтовых волокон с учетомлучистого переноса тепла (1) и кондуктивной теплопроводности (2),определенной без учета тепловых потерь на излучение (а);Зависимости толщины слоя (1) и погонной массы (3) покрытия НКТ из короткихбазальтовых волокон с учетом лучистого переноса тепла и толщины покрытия(2), определенная без учета тепловых потерь на излучение (б)Ориентация коротких волокон в плоскостях, перпендикулярных тепловомупотоку, существенно повышает термическое сопротивление материала лучистомупереносу тепла. Однако при высокой пористости ТИМ из коротких базальтовыхволокон лучистая составляющая в переносе тепла от стенки НКТ к защитнойстеклопластиковой оболочке может иметь существенную или определяющуювеличину.
Теория лучистого переноса тепла через высокопористую волокнистуютеплоизоляцию основана на приближение Росселанда [96]. Коэффициентлучистой теплопроводности для волокнистых материалов λрад определяется спомощьюследующейзависимости[97],исследовательским центром ОАО «Теплопроект»:опубликованнойнаучно-99λ рад =σ 0Tm3 π d вK осл (1 − m ),(4.5)где σ0 - константа Больцмана, равная 5,67·10- 8 Вт/(м К); Tm - средняя температураизоляции, К; т – пористость; dв - диаметр волокна, м; Kосл - коэффициентослабления, константа, определяемая для различных видов волокон поэмпирическим формулам [97]. Для базальтовых волокон:Kосл = 70m dвTm + 5 ⋅103 (1 − m) / Tm .(4.6)В зависимостях (4.5) и (4.6) средняя температура, диаметр волокна икоэффициент ослабления определяются по формулам:()Tm = 3 T13 + T23 / 2 ; d в = ∑ i =1 d i ( n i ) ; K осл = ∑ i =1 K i (d i , ni ) ,nn(4.7)где Т1 - температура теплоизоляционного покрытия НКТ, Т1 = 693 K; Т2 температура стальной стенке НКТ, Т2 = 333 K; Tm - среднее расчетное значение,Tm = 570 K; ni - относительное число волокон с диаметром di .Обработка электронных фотографий полуфабриката и теплоизоляционногоматериала (Рис.
4.2, Таблица 11) дает следующее распределение по усредненнымдиаметрам базальтовых волокон di = 3,0 мкм – 23 %, 2,0 мкм – 46 %, 1,0 мкм –31 %.Результаты расчета коэффициента радиационной теплопроводности λрад ,согласно выражениям (4.5)–(4.7) для среднего диаметра волокна dв = 1,92 мкм, всуммескоэффициентомкондуктивнойтеплопроводностиконд(4.4),определяющие значение эффективного коэффициента теплопроводности λэфф (4.1)теплоизоляционного покрытия НКТ, показаны на Рис. 4.1, б.100абРис. 4.2.Электронные фотографии микроструктуры теплоизоляционных материалов наоснове короткого базальтового волокна различного диаметра без связки (а) и сосвязкой из оксида алюминия (б)Сравнительные показатели теплопроводности и проницаемости жидкостьюили воздухом волокнистых теплоизоляционных материалов равной плотности припрочих равных условиях зависят, прежде всего, от качества базальтового волокна,а именно, от среднего диаметра волокон и наличия неволокнистых включений.Материалы с меньшим диаметром волокна характеризуются более низкимизначениями теплопроводности и проницаемости и, соответственно, более высокойтеплотехнической эффективностью.Величинаизменениясуммарногокоэффициентатеплопроводностиизоляции из коротких базальтовых волокон (Рис.
4.1) показывает, чторадиационная составляющая оказывает существенное влияние лишь при малойплотности материала и пористости выше 96 %.101Таблица 11.Обработка микрофотографий (Рис. 4.2) по распределению диаметров волоконДиаметр волокнаБез связки, Рис. 4.2, аСо связкой, Рис.4.2, бAв^ , мкмA^ , штA^ /124, %A^ , штA^ /179, %0,5-071512,11810,00,7-1,02217,73720,71,5-2,03729,82514,02,0-2,52116,95832,43,0-3,52116,93117,34,0-5,086,5105,60Сумма124, шт100 %179, шт100 %Приэтомоптимальнымзначением пористостикоротковолокнистойтеплоизоляцией с точки зрения, как обеспечения рациональной погонной массы,так и прочности на сжатие, следует считать пористость равную 94 – 96 %, чтосоответствует плотности материала базальтовой теплоизоляциисл= (1 − ])БВ= 110 – 165 кг/м3.Удельный тепловой поток q для известных числовых значений параметровизделия и коэффициента теплопроводности λ тип теплоизолирующего покрытияНКТ из коротких базальтовых волокон в виде цилиндрических скорлуп можетбыть определен из формулы:q=qlλ ⋅ (Т 1 − Т 2 )2=⋅ тип,π ⋅ d тр d тр ln (1 + 2 hтип / d тр )(4.8)где dтр – наружный диаметр НКТ, dтр= 60 мм; Т1 - температура на внутреннейстенке НКТ, Т1=420 °С; Т2 - на наружной стороне покрытия НКТ, Т1=63 °С; hТИПтолщина теплоизоляции НКТ.Ориентируясь на характеристики вакуумно-изолированных НКТ [89](термокейсов), для которых допустимой считается потеря удельного тепловогопотока по длине трубы ql =150 Вт/м, на основании формулы (4.8) определим102необходимую толщину теплоизолирующего покрытия НКТ из короткихбазальтовых волокон h тип ( λ тип ) без учета hконд( λконд) и с учетом hрад ( λэфф)лучистого переноса тепла в высокопористом волокнистом теплоизоляционномматериале:h тип =d тр λ тип ∆ Т exp 2π2 q1 − 1 (4.9)где ∆T = (Т1 −Т2 ) = 360 °С – перепад температур на внешней и внутреннейстенках теплоизоляции.
Результаты расчетов толщины слоев теплоизолирующегопокрытия НКТ по формуле (9) и значение погонной массы эффективной M эффтеплоизоляции трубы показаны на Рис. 4.1, б.АнализРис.4.1показывает,чтосувеличениемпористоститеплоизоляционного материала, изготовленный из измельченных и очищенныхбазальтовых волокон, выше 96…97 % - в разы возрастает эффективныйкоэффициент его теплопроводности в интервале температур от 60 до 420 °С засчет лучистого переноса тепла, приводящий к резкому увеличению как толщины,так и массы теплоизолирующего покрытия конструкции НКТ.4.2.
Исследование деформативных характеристикплоскихобразцовтеплоизоляционного материала на основе коротких базальтовых волоконпри сжатии перпендикулярно плоскости плитыОпределены напряжения сжатия образцов, кривые деформирования впроцессе нагрузки-разгрузки и значения секущего модуля упругости придеформации материалов образцов равной 12 %.Заготовки для изготовления образцов из коротких базальтовых волокон,полученные методом фильтрационного осаждения (6 штук), представляли собойплитки с номинальным размером 160×160×Н мм, где Н – высота плитокотличалась для различных заготовок.
Каждая заготовка разрезалась на четыреравные части (образцы), которые имели размеры: 78×78×Н мм.103Образцы из плиток № 1-3 и №6 (Протоколы испытаний, Приложение П.5),изготовленные из коротких базальтовых волокон со связкой из Al2O3, имелиплотность 146 кг/м3 и пористость 94,7 %, а образцы из плиток № 4-5, былиизготовлены без связки, имели плотность 162 кг/м3 и пористость 94,1 %.Изготовленные образцы с размерами 78×78×Н мм для испытаний не имеливидимых дефектов: трещин, расслоений, раковин, вмятин и разрывов. Передпроведением испытаний образцы выдерживали в воздушной среде с температурой(20 ± 2) °С и влажностью (65 ± 5) % в течение 24 часов.Испытания образцов на сжатие проводились на испытательной машине FP10/1 с использованием реверсивного устройства (Рис.
4.3) и на испытательноймашине Zwick/Roell (Рис. 4.4). При испытании образца на его поверхности, накоторые прикладывалась нагрузка, устанавливались стеклянные пластинки. Этопозволяло снизить трение на торцах образца.На испытательной машине FP 100 образец нагружался на сжатие довеличины деформации сжатия порядка 20 % затем проводилась разгрузка.Зависимость перемещения w от приложенной силы F записывалась с помощьюдиаграммного аппарата испытательной машины. Эти диаграммы обрабатывалисьи строились графики зависимости деформация ε – напряжение σ.При этом деформация определялась по формулеε = w/H*(4.10)где w – перемещение, Н* - средняя толщина образца.Напряжения определялись по формулеσ = F/ a*b*(4.11)где F нагрузка, действующая на образец, a* средняя длина образца, b* - средняяширина образца.104Рис.
4.3.Вид испытательной машины FP 100 с образцом:1 – образец; 2 – реверсивное устройство; 3 – стеклянная пластинкаРис.4.4.Вид испытательной машины Zwick/Roell с образцомПолученные диаграммы: нагрузка – перемещение и напряжение деформация для четырех образцов № 2-1…2-4 с исходной толщиной 28 мм иплотностью 146 кг/м3, приведены на Рис. 4.5.105абРис. 4.5.Зависимости изменения силы нагрузки и разгрузки от перемещения при сжатииобразцов № 2-1…2-4 из коротких базальтовых волокон и минеральной связки изAl2O3 (а) и изменение напряжения и восстановление толщины образцов № 21…2-4 при их деформации (б)На Рис. 4.5 показаны зависимости напряжений от деформации для четырехобразцов № 2-1…2-4 до величины деформации сжатия около 20 % и зависимостипоследующей разгрузки материала, а также осредненная по четырем образцамкриваянапряжениясжатия.Вплотьдо20 %деформациисжатиятеплоизоляционный материал из коротких базальтовых волокон и минеральнойсвязки из Al2O3 с массовым содержанием 5 % ведет себя упруго, что иподтверждается полным восстановлением толщины образцов, как по отдельнымдиаграммам сжатия, так и по осредненной диаграмме деформирования четырехобразцов № 2-1…2-4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
