Способ определения интегральной излучательной способности поверхности материалов

 

Изобретение относится к теплофиэическим исследованиям материалов. Сущность изобретения заключается в параллельном охлаждении (нагреве) двух идентичных исследуемых образцов в экранах с известной, но отличающейся между собой излучательной способностью при заданной одинаковой и постоянной их температуре. 2 ил.

СОЮЗ СОИ:ТСКИХ

СОЦИАЛИС ГИЧЕСКИХ

РЕСГГУБЛИК (я) G 01 J 5/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

Г10 ИЗОБРЕ ГЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4812962/25 (22) 14.02,90 (46) 07.11.92, Бюл. ¹ 41 (71) Всесоюзный заочный институт инженеров железнодорожного транспорта (72) К.Ф,Аксенов (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 550555, кл. G 01 N 25/00, 1975.

Авторское свидетельство СССР № 1592737, кл, G 01 J 5/02, 1989. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ

ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к теплофизическим излучениям материалов, точнее, к методам определения интегральной излучательной способности твердых тел, основанным на сравнении излучения исследуемой поверхности с эталонной.

Известен способ определения интегральной полусферической излучательной способности поверхности, в катаром на обе стороны плоского эталонного образца и на одну (обращенную к излучателю) сторону исследуемого образца предварительно наносят эталонное покрытие, после чего их устанавливают в одной плоскости в поле лучистых потоков нагревателя и измеряют их температуру (Ч

Недостатками этого способа являются необходимость проведения предварительной операции по нанесению на исследуемые образцы эталонных покрытий и высокие требования к термостойкости и однозначности их излучательных характеристик, Последнее трудновыполнимо, особенно в области относительно высоких температур.,. Ж,, 1774192 А1 (57) Изобретение относится к теплофиэическим исследованиям материалов. Сущность изобретения заключается в параллельном охлаждении (нагреве) двух идентичных исследуемых образцов в экранах с известной, но отличающейся между собой излучательной способностью при заданной одинаковой и постоянной их температуре, 2 ил.

Известен способ определения интегральной излучательной способности материалов, состоящий в двухкратном нагреве и охлаждении образца и эталона, сначала в двойных экранах (с малой излучательной способностью), а затем беэ экранов с измерением температур на оси и поверхности цилиндрических образца и эталона, а также времени, прошедшего с начала охлаждения

f2)

Указанный способ (прототип), как и другие, связанные с использованием для сравнения поверхностей нагреваемых и охлаждаемых совместно с исследуемыми образцами известных тел (эталонов), имеет следующие основные недостатки, 1. Принципиально ошибочно предположение, что излучательная характеристика поверхности исследуемого образца Р (t) после первого и повторного нагревов одинаковы, Для всех известных материалов зависимость излучательной способности от температуры не сохраняется однозначной при нагревах особенно применительно к высокатемпературным исследованиям. Это исключает возможность использования в

1774192 повторном измерительным процессе охлаждения тех же образцов и обуславливает необходимость проверять и сам эталон.

2, Двухкратные нагревы и охлаждения образца и эталона в каждом опыте существенно увеличивают потребное время измерения, 3. В первом и повторном измерительных процессах охлаждения не обеспечивается одинаковость граничных условий. При равных температурах поверхностей образца и эталона температуры окружающих их экранов существенно различны вследствие неодинакового воздействия на них конвективного и кондуктивного тепловых потоков.

4, Расчетная формула для определения искомой излучательной способности поверхности включает плотность и теплоемкость исследуемого материала, а также плотность, теплоемкость и излучательную способность эталона, причем все они входят как функции от температуры, что снижает точность и ограничивает возможность использования этого способа.

Цель изобретения — сокращение времени и повышение точности измерений, Указанная цель достигается путем одноразового параллельного охлаждения (нагрева) двух одинаковых исследуемых образцов в экранах с известной излучательной способностью при заданной одинаковой и постоянной их температуре.

Новым в предлагаемом относительном методе определения излучательной способности материалов является отсутствие нагреваемых эталонов, постоянство температуры экранных поверхностей, обеспечение полной одинаковости граничных условий в сравниваемых процессах и исключение повторных нагревов образцов, что особенно ва>кно при исследовании материалов, чьи излучательные свойства необратимо изменяются в процессе нагрева.

Сущность предлагаемого метода заключается в следующем:

Два одинаковых исследуемых образца 1 (в форме пластины, трубки или сплошного цилиндра) нагревают до требуемой температуры. Затем нагретые образцы помещают в полые, одинаковые по форме и размерам, экраны-термостаты 2 (с тающим льдом или кипящей жидкостью IlpM Pp = c0Ast), B которых охлаждаются (фиг.1). Излучательные способности поверхностей каждого из экраНОВ Яэ 1 И Еэ 2 ПРИ тЕМПЕРатУРЕ to ПРЕДПОлагаются известными.

В процессе охлаждения измеряют время с начала охлаждения температуры поверхностей образцов 71 и t2 и температуры внутри образцов на одинаковой глубине71 и

t2 (Указанная глубина берется исходя из формы образца чтобы измеряемая температура была близка к среднеинтегральной по

5 объему). Для термически тонких образцов (В < 0,1) t:т.

Температуры t1(т ), t2 (т), tl (г) и

t2 (s) фиксируются во времени самопишущими или цифровыми приборами (фиг.2).

10 Время начала охлаждения каждого образца может и не совпадать, Для любого одинакового значения температуры t поверхностей охлаждаемых образцов справедливы следующие уравнения:

15 — 6 с =еи1 Co((0,01 т+2,73)

dt1

dT — (0 01 то + 2.73 ) ) F + 0 к 1 (1)

20 — G С = Я п 2 Co ((0,01 t + 2,73 )

de 4

Πà — (0,01 to + 2,73 ) ) F + О к 2 (2) Здесь G — масса образца, кг; с — приведенная массовая теплоемкость образца, Д к/кг, К;

Со = 5,67 Вт/м К вЂ” коэффициент излучения абсолютно черного тела;

30 ь — температура поверхности экранов, OC

F — площадь теплоотдающей поверхности образцов, м;

2, QK1 и Ок2 — конвективные и кондуктивные тепловые потоки от образцов к экранам, Вт;

Приведенные излучательные способности первой и второй системы (Е и 1 И Е и 2 ) ВЫРажаЮтСЯ фОРМУЛаМИ;

40 1 1 F

Е.1 =1/(— +(— 1) — )

Еэ1 Еэ где 8- искомая излучательная способность поверхности исследуемого материала (образца);

45 — — отношение плаща ей поверхноРэ стей охлаждения (нагрева) образца и экрана;

Так как геометрические и другие крае50 вые условия обеспечиваются полностью одинаковыми для обеих образцов, то конвективно-кондуктивные составляющих потоков Ок1 и Ок2 в уравнениях (1) и (2) будут одинаковы при t= idem. Следовательно, раз55 ность полных тепловых потоков можно выразить следующим уравнением в конечных разностях:

17.,1 1 (F. п (-" t и 2 ) Си ((0.01 t + 2 73 } (0.01 си+2,73) ) Г =(с(Л Л } где -, — — — — интенсивность измене- 5

УЛТ1 и т2 ния температур образцов во времени в интервалах, соответствующих одинаковым температурам их поверхности:

Выражая массу образца через его объем (геометрические размеры) и плотность р, получим из уравйения (5) с учетом выражений (3) и (4) следующую формулу для определения искомой излучательной способности исследуемой поверхности; я =1/((025(as +az> +(a2 81)A— — àt 82 } — 0,5 (а)+ az } где

at =(— — 1} — -;а2 =(— 1} —;

1 F, 1 F, э 1 Рэ э2 F

А = 5,67 ((0,01 t + 2,73 } — (0,01 to + 2,73 } ) /

/(mP с (6(1 Лт1 — h,(2/1rz })

m = д /2 — для пластины толщиной д, м; 30

m = д — для полого цилиндра (трубки) толщиной стенки, м;

m = О/4 — для сплошного цилиндра диаметром О, м; р, с — приведенные плотность, кг/м и 35

3 массовая теплоемкость, Дж/кг К, образцов, Особый интерес представляет возможность определения излучательной способности материалов, для которых теплоемкость и плотность неизвестны.

Предлагаемь(й метод решает и эту задачу, если провести предварительный тарировочный опыт с таким же образцом из материала известных физических свойств (эталоном), с целью нахождения конвективно-кондуктив- 45 ной составляющей теплового потока QK(t), которая при одинаковых краевых условиях в данной установке будет однозначна. Зависимость величины Ок от температуры поверхности t может быть найдена из уравнения; 50

-6этСзт (— }з т = Eэт q Ь + Ок (7) с т

cI т где (ззт и Сзт — масс" и приведенная массовая теплоемкость эталона, кг, Дж/кг К; е 3T < = 1/(+ а1 } — и риведенная

Еэ( иэлучательная способность системы (эта- . лон-первый экран);

h.-= 5.67((0,01t (- 2,73) - (0.01t (2.73) j Г, Вт.

Разделив левые и правые я(;ти уравнения (1) и (2), будем иметь (при (- ido(n);

dt>/dr » Ь+О

dт2/б т в..z b + 0„

Переходя к конечным разностям температур с учетом зависимостей (12) и (13), получим после несложных преобразований следующую р;счетную формулу для определения искомой излучательной способности поверхности исследуемых образцов: а2 }" к=1/ (0,25з +

Х2/ Т2

Л%/ 6 Ь/О, — а1 àz ) " — 0,5 В, 1/2 (9) где В = — + а1 + э2

Ь

Ок

QK=Gý(Ñ3T(At(/Ati }„— яз. ) Ь,), Вт

Формула (9) не содержит величин, отражающих физические свойства исследуемого материала (плотность, теплоемкость), что является существенным преимуществом этого метода перед известными методами нестационарного теплового режима.

С цель(о оценки степени необратимых изменений излучательных характеристик поверхности с ростом температуры, используют в качестве измерительного процесса первичный нагрев исследуемых образцов в экранах путем обогрева их насыщенным паром, высококипящей жидкостью или электрическим регулируемым подводом теплоты и ри to = const.

Формула изобретения

Способ определения интегральной излучательной способности поверхности материалов, состоящий в нагреве образцов исследуемого материала одной формы и размеров до заданной температуры, последующем охлаждении их в экранах, определении температур в процессе нагрева и охлаждения в характерных сечениях и оас-. чете интегральной степени черноты на осно- вании измеренных значений температуры и излучательной способности эталонных поверхностей, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и точности измерения при исследовании материалов, чьи излучательные свойства необратимо изменяются s процессе нагрева, производят параллельное охлаждение двух образцов в геометрически одинаковых экранах-термостатах с разной известной иэлучательной способностью, при этом величину я для ма .ериалов с известной плотностью и теплоемкостью вычисляют по формуле:

17 74192 а = 1/((025 (аг + аг ) + (аг — аг ) А— — а» аг j — 0 5 (a» + az )I

1/2

) где а1 =(— 1) —; а2 =(- — — 1) —;

1 F, 1 F

Еэ1 Fý э 2 F5

10 е>i, e>2 — интегральные излучательные способности поверхностей экранов при постоянной температуре то;

F — — отношение площадей поверхно. э 15 стей охлаждения (нагрева) образца и экрана;

А = 5 67 f (0,01 t + 2 73 ) (0 01 tp + 2 73 ) ) /

/ (m 0ñ (Ьtô Ti — Лt2/ËÕ2 ) ), 20 д

m = — — для пластины толщиной д.;

m = д — для полого цилиндра (трубки) толщиной стенки д; 25

m = О/4 — для сплошного цилиндра диаметром О; р, с — приведенные плотность и массовая теплоемкость образцов;

30 г.".а t i A т2

- — --, — -- — интенсивность изменеЛzi Х2 ния температуры образцов во времени в интервалах, соответствующих одинаковым температурам их поверхности, а для материалов с неизвестной плотностью и теплоемкостью вычисляют величины е по формуле е =1/ (0,25 В

2 2

Ai17Ari

b/Q» — аг aa) — 0,5 В(, а2) где В = — + а1+ а2;

Ь

Ок

Ок — конвективно-кондуктивная составляющая теплового потока, определенная путем проведения тарировочного опыта с образцом известных физических свойств (эталоном) по уравнению теплового баланса

Ок = ОэтСэт(Лт1/ЛХ1 ) эт Eэт 1 Ь )

Оэт, Сэт — масса и приведенная массовая теплоемкость эталона, 1 еэт =1/(— + ai ) — приведенная

Еэт излучательная характеристика системы эталон-экран; а т — излучательная способность поверхности эталона;

Ь = 5,67((0,014 + 2.73) — (0,01 (о + 2,73) )F.

177419) Составитель К. Аксенов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н. Милюкова

Редактор Б.Федотов

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 3920 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5