Способ определения коэффициента теплопроводности коксующихся материалов
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ((() 535493
Союз Советских
Социалистических
Республик (61) Дополнительное к а(вт. свид-ву (22) Заявлено 04.03.75(21) 2111224/25 с присоединением заявки № (23) Приоритет
Опубликовано 15.11,76. Бюллетень № 42
Дата опубликования описания 14.12.76 (51) М. Кл, G 01N 25/18
Государственный комитет
Совета Министров СССР (53) УДК 536.2(088.8) ло делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения
Г. А. Беда и Ю. А. Лобанов (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭффИЦИЕНТА
ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ КОКСУЮЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ
Изобретение относится к способам определения теплофизических свойств коксующихся материалов при их нагревании и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности коксующихся материалов при высоких температурах (1200 — 3000 К).
Известен способ определения коэффициента теплопроводности неметаллических материалов в состоянии предельного разложения (1). Однако этот способ не позволяет определять искомый коэффициент при температурах выше 1500 К.
Известен также способ определения коэффициента теплопроводности коксующихся материалов при их нагревании (2), основанный на измерении стационарной скорости разрушения материала и профиля температуры в нем вплоть до температуры разрушения при одностороннем воздействии на них теплового потока. По этому способу профиль температуры регистрируется с помощью термопары, расположенной,внутри материала, на стационарном режиме разрушения. Полученные таким образом скорость разрушения материала и профиль температур позволяют из решения уравнения теплопроводности для коксующихся материалов получить температурную зависимость коэффициента теплопроводности материала.
Однако по этому способу в показания термопары при ее работе в прококсованном материале вносится существенная ошибка, которая обусловлена тем, что в материале в результате термического разложения связующего (коксования) образуются поры, приводящие к нарушению контакта термопары с материалом и, как следствие, к искажению в ее показаниях.
Для повышения точности определения коэффициента теплопроводности материала при высоких температурах (1200 — 3000 К) по предла10 гаемому способу измеряют толщину прококсованного слоя и температуру на его границе с исходным материалом, а искомую величину рассчитьввают по известным соотношениям.
15 В качестве примера осуществления способа рассматривается случай стационарного разрушения коксующегося материала при одностороннем,воздействии на него теплового потока.
Для прококсованного слоя уравнение тепло20 проводности в системе координат, связанной с поверхностью разрушения, имеет вид (1 ) = — (C„m+ C„o,„V „ ) ", (1) 25 где л — коэффициент теплопроводности;
Т вЂ” температура;
C„, C„. — теплоемкости газообразной фазы и прококсованного материала соответственно;
m — массовый поток газообразных продук30 тов разложения связующего;
53549 л
8а
;"о1тразрСко
8з (5) 8з
Тразр — Тт к 8з 1П где о ж 7 +
Ск
ЛОО
e„= т„р.„— т, »,Ск р — плотность прококсованного материала;
Vpaap — линейная скорость разрушения материала; х — координата.
В прококсованном слое
m : (Ро Рк) разр. (2)
Интегрируя уравнение (1) с учетом соотношения (2), баланса энергии на границе прококсованного слоя с исходным материалом и допущения, что С,=С, получаем л "т =,,лл„„с„(т — т,, " ), (з> где ЛН, — тепловой эффект термического разложения связующего, отнесенный к единице массы исходного материала; ро — плотность исходного материала;
Tp — начальная температура материала.
Исходя из того, что коэффициент теплопроводности для прококсованного материала близок к линейной функции от температуры, принимаем
k = >,„р. + А (Т вЂ” Т„.Ä), (4) где т.,р,к — коэффициент теплопроводности при температуре на границе прококсованного материала с исходным.
С учетом соотношения (4) и условий, что
Т=Трззр при х=0 и T=T,ð,„nðè х=о(б— толщина прококсованного слоя), получаем после интегрирования уравнения (3) выражение для коэффициента А.
Таким образом, зная Tpазр Vp»p, о и астр.к. можно рассчитать коэффициент теплопроводности материала,при Т) Т р.;.
Измерение толщины прококсованного слоя и температуры на его границе с исходным материалом является отличительными признаками предлагаемого способа и обеспечивает существенное повышение точности (50 — 60% ) в определении коэффициента теплопроводности материала при высоких температурах (1200—
3000 К) . Это повышение точностн обусловлено тем, что гредел работы термопары ограничен температурой 1200 — 3000 К на границе прококсоваш;ого слоя с исходным материалом.
На фиг. 1 показана модель для испытаний широкого класса коксующихся стеклопластиков в зысокотемпературном газовом потоке;
65 на фиг. 2 — разрез по А — А на фиг. 1. Модель состоит из кожуха 1 и вложенного в него цилиндрического тела 2, выполненных из исследуемого материала. Между днищем кожуха и торцом цилиндра размещена термопара 3 и датчик на замыкание 4, при помощи которого в эксперименте фиксируется положение границы прококсованного слоя с исходным материалом. Термопара, показания которой регистрируют при помощи осциллографа 5, и датчик расположены в плоскости, перпендикулярной продольной оси модели. Обе части модели склеиваются между собой с помощью связующего входящего в состав материала, с последующей термообработкой. Датчик на замыкание состоит из двух изолированных проволочек диаметром менее 0,1 мм, собранных в электрическую цепь по схеме, изображенной на фиг. 1. Датчик регистрирует положение границы прококсованного слоя с исходным материалом, используя высокую электропроводность кокса. Когда на стационарном режиме разрушения материала при одностороннем воздействии на него теплового потока граница прококсованного слоя с исходным материалом достигает концов проволочек, цепь датчика 4 замыкается и с помощью реле 6 выключается источник нагрева 7, например, электрическая дуга подогревателя газа. По показанию термопары в момент замыкания цепи датчика определяется температура на границе прококсованного слоя с исходным материалом, а по ее координате на ,препарированной после эксперимента модели определяется толщина прококсованного слоя б, соответствующая моменту выключения источника нагрева. Определение б проводилось при помощи измерительной лупы с точностью
0,05 мм. При темпах нагрева больших 200 град/с, соответствующих условиям испытаний, зона термического разложения коксующегося материала, содержащего, например, фенолформальдегидную смолу, составляет величину менее 0,2 мм, т. е. для рассматриваемого случая зону реакции термического разложения можно отождествить с границей прококсованного слоя и исходного материала. При этом толщина прококсованного слоя составляет величину 1 — 1,5 мм, температура на границе прококсованного слоя с исходным материалом
T„„„- — 1200 — 1300 К. Температуру Т»зр. и скорость разрушения V»aр определяют кинофотометрическим методом. T»aÄ.— — 2800 — 3000 К, V»» — — 0,25 — 0,3 мм/сек.
Таким образом, определены все необходимые для расчета коэффициента теплопровод|ости прококсованного материала величины
Tpa p Trp.ê. лз и Vpaap
Использование предложенного способа определения коэффициента теплопроводности прококсованного материала по сравнению с существующим прототипом обеспечивает существенное повышение точности (50 — 60%) в определении коэффициента теплопроводности при высоких температурах (1200 — 3000 К).
535493
Формула изобретения
Фие.2
Составитель А. Волков
Техред М. Семенов
1(орректор Л Орлова
Редактор И. глубина
Заказ 2477/15 Изд. № 1760 Тираж 1029 Подписное
ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Типография, пр. Сапунова, 2
Это объясняется тем, что тсмпсратурный диапазон работы термопары ограничен температурой на границе прококсованного слоя с исходным материалом Тр„=1200 — 1300 К.
Тем самым исключается основная ошибка, вносимая в определение коэффициента теплопроводности, от температурного искажения в показаниях термопары при работе ее в прококсованном материале, т. е. при Т)Тгр., Способ определения коэффициента теплопроводности коксующихся материалов, основанный на измерении скорости и температуры разрушения при одностороннем воздействии на них теплового потока, отличающийся тем, |то, с целью повышения точности определения коэффициента теплопроводности материала при высоких температурах (1200—
3000 К), измеряют толщину прококсованного слоя и температуру на его границе с исходным материалом, а искомую величину рассчитывают по известным соотношениям.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:
1. Ю. П. Менчев и Г. Е. Островский «Сборник методик теплофизических испытаний неметаллических материалов», Заводская лаборатория № 5 1972 r.
2. «Ракетная техника и космонавтика», т. 6, № 6, 1968 г., стр. 180 — 187 (прототип).
