Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теплофизические свойства окислов металлов 7
1.1. Теплопроводность окислов 7
1.2. Теплопроводность пористых тел 22
Глава 2. Анализ механизмов теплопроводности окислов металлов 35
2.1. Окись бериллия 35
2.2. Двуокись титана 41
2.3. Пятиокись ванадия 47
2.4. Закись никеля 50
2.5. Окись кальция 53
2.6. Окись алюминия 59
Глава 3. Расчетное определение температуры внешней поверхности трубчатых керамических теплообменных аппаратов 85
Глава 4. Экспериментальное исследование температуры внешней поверхности трубчатого алундового теплообменника 101
4.1. Конструкция лабораторного стенда для исследования теплообмена в каналах трубчатого оксидного теплообменника 101
4.2. Описание тепловизионной системы 103
4.3. Результаты и анализ испытаний керамического теплообменного аппарата с алундовыми трубками 105
Выводы 109
Литература
- Теплопроводность пористых тел
- Двуокись титана
- Расчетное определение температуры внешней поверхности трубчатых керамических теплообменных аппаратов
- Описание тепловизионной системы
Введение к работе
В отечественной и зарубежной литературе все чаще появляются сведения об использовании для нужд энергетической промышленности изделий и материалов из высокоогнеупорных окислов: АІ2О3, ВеО, ТЮг, MgO и др. Электро - и теплоизоляция из чистых окислов находит применение в кабельной промышленности, трансформаторостроении, в ряде конструкций. Пористая и плотная керамика из окислов в качестве конструкционных элементов широко применяется в теплообменных аппаратах с химически агрессивными средами (жидкие металлы, химические растворы). Использование материалов из окислов целесообразно при высоких температурах, высоких частотах, воздействии агрессивных сред и в случае, когда рядовые материалы уже не пригодны. Достаточно сказать, что термическая устойчивость наиболее распространенных материалов (А120з, ВеО, ТЮ2) намного превышает устойчивость жаропрочных сталей и сплавов. Многие виды керамик не окисляются и имеют существенно более высокие температуры плавления, чем наиболее тугоплавкие металлы. Модуль упругости керамического волокна и усов на порядок выше, чем у металлов.
Применение жидкометаллических теплоносителей в энергетических установках связано с рядом сложных проблем. Одной из таких проблем является выбор конструкционных материалов для работы при высокой температуре в контакте с жидкометаллическими теплоносителями. Условия работы этих материалов в значительной степени отличаются от условий работы в высокотемпературных установках с другими средами. Важным качеством конструкционных материалов является их коррозионная стойкость. Некоторые ответственные детали энергетических установок являются тонкостенными трубками, поэтому уже небольшие коррозионные повреждения могут оказаться недопустимыми.
Особое применение нашли корундовые огнеупоры, в том числе плотноспеченная корундовая керамика.
Производство и использование корундовых изделий является перспективным, так как корунд обладает термической, механической и химической устойчивостью, высокой технологичностью, позволяющей изготавливать из корунда разнообразные изделия от беспористых (спеченная керамика) до высокопористых (теплоизоляционных), при этом используются все известные способы формованных огнеупоров и керамики. Производство пористых огнеупорных и особенно высокоогнеупорных материалов является одной из сравнительно новых областей техники.
Специфические условия использования керамики из окислов требуют расчета не только механической и электрической прочности изделий из нее, но и расчета теплового режима их в службе.
В представленной работе анализируются данные по
теплофизическим свойствам, накопленные отечественными и
зарубежными специалистами. Теплофизические характеристики материалов, в том числе и одно из наиболее важных — теплопроводность, описываются в связи со структурой и технологией их изготовления, обусловливающей эту структуру, так как известно, что свойства керамики (при одном и том же химическом составе) зависят в значительной мере от
» их пористости и строения.
Учитывая низкую теплопроводность окислов по сравнению с
(j металлами, теплообменные аппараты, изготовленные из окисных
материалов, имеют существенные отличия в тепловых режимах, особенно на начальных и концевых участках теплообмена. Для изучения этих особенностей и предназначена данная работа. Анализ особенности распределения температур в окисных теплообменниках проводился как расчетный, с помощью специально разработанной программы на ЭВМ, так и приведением расчетных данных с использованием тепловизионной системы Therma САМ SC 3000.
В диссертационной работе проведен подробный анализ зависимостей теплопроводности от температуры с помощью модели подвижности и релаксации для плотных и пористых окислов металлов, используя накопленные данные рядом авторов. Причем особое внимание было уделено анализу теплофизических свойств окиси алюминия при различном содержании пористости. Результаты исследований
* подтверждаются программой для вычисления температурных полей и
данными, полученными в ходе проведения эксперимента.
ч В работе приведены результаты теплофизических характеристик
плотных и пористых материалов из окислов. Приведенные данные в сочетании с другими характеристиками могут в известной мере облегчить выбор конструктивных материалов из окислов.
Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации является теоретическое и экспериментальное определение температурного поля внешней поверхности керамической трубки для более качественного выбора конструктивного материала при проектировании теплообменных аппаратов в энергетической промышленности. Полученные результаты были сравнены с экспериментальными данными на созданной для этого установке с использованием тепловизионной системы Therma САМ SC 3000.
Научная новизна диссертации заключается в:
- уточнении механизма теплопроводности в окислах металлов на
основе модели подвижности и релаксации;
> - разработке вычислительной программы, которая позволяет
рассчитывать температурные поля на поверхности труб теплообменных
4 аппаратов;
- подтверждении результатов расчета с помощью вычислительной
программы и экспериментальных данных по определению температурных
полей материалов с использованием тепловизионной системы Therma САМ SC 3000 с высокой точностью.
- определении использования окислов металлов в той или иной области применения;
Достоверность достигнутых результатов подтверждается совпадением теоретических результатов, полученных с помощью программы для ЭВМ, и эмпирических данных в сравнении с результатами эксперимента, полученными на лабораторной установке с высокой точностью.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволяют уточнить методику расчетов теплообменных аппаратах с керамическими трубками для работы с жидкими и агрессивными средами. Расчет для теплообменников возможно проводить как экспериментально, так и с помощью вычислительной программы.
Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения работы, были опубликованы в следующих печатных работах:
Особенности расчетов процессов теплопереноса на основе моделей подвижности и релаксации носителей тепла. - М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2001,233с, ил. (монография в соавторстве)
Friedlichen Nutzung der Atomenergie. Материалы научно-практической конференции аспирантов университета на иностранных языках. - М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2002, с.4-5.
Влияние температурной зависимости свойств на перенос тепла в керамических теплообменниках с нестабилизированным потоком. Материалы всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль 2002) 26-27 ноября 2002 г. - М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2003,с.167.
Анализ механизма теплопроводности в окислах металлов. Сборник научных трудов аспирантов. - М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина. 2003, Выпуск 7, с. 73-78.
Современные аспекты определения теплофизических характеристик пористых керамических тел. Материалы всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль 2003) 18-19 ноября 2003г. — М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2003, с.220.
Докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТУ в 2001-2003ГГ.
Содержание работы. Представленная работа состоит из введения и четырех глав.
В первой главе проведен анализ зависимостей теплопроводности от температуры с помощью модели подвижности и релаксации для плотных и пористых окислов металлов.
Во второй главе проведен анализ механизмов теплопроводности окислов металлов и влияния переменности теплофизических параметров на свойства материала. Подробно проанализированы теплофизические свойства окиси алюминия при различной пористости.
В третьей главе описана разработанная программа для вычисления температурных полей и представлены результаты расчетов, выполненные с помощью данной программы, с подробным описанием для материалов различного содержания пористости и значений температуры теплоносителя.
В четвертой главе приведена схема лабораторной установки для
определения температурных полей материалов керамических
теплообменников. Представлены результаты эксперимента с подробным описанием полученных данных и сравнения их со значениями, полученными с помощью вычислительной программы.
Теплопроводность пористых тел
В литературе имеется довольно много данных по теплопроводности чистых материалов (кристаллических и аморфных твердых тел, металлов, газов, жидкостей). Рассматриваемые здесь пористые материалы представляют собой композицию чистых веществ. В природе много материалов, состоящих из десятка и более различных компонентов, где очень трудно определить, в каком соотношении они входят и как взаимодействуют друг с другом. Например, если чистый кварц - это только двуокись кремния, то базальт - это композиция, состоящая из 12 компонентов и более. Однако многие материалы, используемые в технике, состоят из композиций двух и трех компонентов (например, вакуумно-порошковая изоляция с добавкой металлического порошка в среде разреженного газа или порошок в среде бинарной газовой смеси). Из композиции двух - трех компонентов состоят такие материалы, как бетоны, огнеупоры, некоторые растворы, смеси газов и др.
Исследование тепловых свойств пористых систем может проводиться двумя путями. Первый путь - экспериментальное исследование теплофизических характеристик (теплопроводности, температуропроводности и удельной теплоемкости) пористых материалов при помощи известных методов, базирующихся на решении задач теплопроводности для тел различной формы. Хотя теоретические предпосылки при этом в большинстве случаев соблюдаются с некоторым приближением, этот путь дает возможность определить эффективные значения теплофизических характеристик с достаточно высокой точностью. Надежные измерения теплопроводности гетерогенных систем в широком диапазоне условий необходимы для понимания явлений переноса тепла в этих системах, так как хорошо поставленный эксперимент дает возможность изучить зависимость тепловых свойств материалов от пористости, величины зерен твердой фазы, давления, температуры и других факторов.
Однако чисто эмпирический подход к проблемам переноса тепла в сложных системах, как и при рассмотрении других явлений, явно недостаточен. Акцентирование внимания на многочисленных эмпирических и полуэмпирических соотношениях без теоретического анализа, без рассмотрения взаимовлияния различных факторов уводит от понимания фундаментальных процессов переноса тепла, имеющих место в гетерогенных системах.
Поэтому весьма распространенным является второй путь, основанный на рассмотрении реальной структуры гетерогенной системы (число компонентов, пористость, размеры частиц и способы их контактирования между собой и др.), моделировании такой системы и последующего расчета эффективной теплопроводности для определенных реальных условий, определяемых давлением газа в системе, температурой, механической нагрузкой, наличием конвективной и радиационной составляющих теплопроводности и др.
Может показаться, что неопределенность формы и размеров частиц, разнообразие способов их контактирования между собой, различная ориентация их по отношению к тепловому потоку и наличие большого числа неопределенных факторов делает процесс переноса тепла в твердых и зернистых гетерогенных системах безнадежно сложным, не поддающимся математическому описанию и теоретическому анализу. Однако факты говорят об обратном. В настоящее время уже существуют теоретические зависимости, позволяющие с большей или меньшей точностью рассчитать эффективную теплопроводность пористых систем. Развитие работ и дальнейшие успехи в этой области могут привести к выявлению расчетных зависимостей для определения эффективной теплопроводности различных классов пористых материалов, сложных систем, что позволит сократить необходимость проведения сложных экспериментальных исследований, использовать последние в основном для проверки получаемых теоретических зависимостей.
Широко распространенным и достаточно эффективным методом теоретического исследования теплопроводности гетерогенных систем является применение для этой цели принципа обобщенной проводимости, базирующегося на аналогии между дифференциальными уравнениями стационарного потока тепла, электрического тока, электрической и магнитной индукции, потока массы. Такая аналогия дает возможность использовать для расчета тепловой проводимости системы основные соотношения электростатики и электродинамики.
Достаточно полная сводка формул, полученных на основе использования принципа обобщенной проводимости, приведена в работе [4].
Необходимо отметить, что использование принципа обобщенной проводимости оказывается наиболее эффективным, если оно сопровождается рассмотрением реальной структуры материала, оценкой пористости системы, размеров частиц и пор, способов контактирования частиц между собой, оценкой влияния кондуктивной, конвективной и радиационной составляющих на эффективную теплопроводность системы. По пути анализа реальной структуры материала пошли многие советские и зарубежные исследователи [5, 6, 7]. При этом принимались самые разнообразные предпосылки о химическом составе и структуре пористых систем, о форме, размерах и способе контактирования частиц, рассматривались различные способы их ориентации по отношению к тепловому потоку. Все эти работы, результаты которых в ряде случаев иллюстрированы многочисленными экспериментами, позволили выявить влияние многих физических, химических, структурных и других свойств системы на величину ее эффективной теплопроводности. Роль конвекции в общей теплопроводности огнеупорных, абразивно-керамических материалов незначительна по данным ряда авторов [8-13]. В работе [14] показано, что теплопередача излучением пропорциональна третьей и четвертой степени абсолютной температуры для твердых прозрачных тел. Для некоторых веществ, согласно опытам, эта степень возрастает до 5 (плавленый кварц) и даже до 8 (А12Оз). Проблема эта трактуется также [15] с точки зрения влияния пористости и излучения на температурный ход теплового сопротивления. Именно этими причинами объясняется отклонение от закона Л- const J "1 у поликристаллов по сравнению с монокристаллами. Незначительность роли излучения в материале даже при высоких температурах (1000 С и выше), если поры малы, и необходимость учитывать эту роль при возрастании диаметра пор, особенно при d 0,l см, доказано в [16, 17].
Раскрытию функции зависимости теплопроводности от пористости посвящено много исследований. Детальный разбор вопроса о характере функции Л = f(p) дан в работе [18] в широком интервале температур 200 С - 1200 С с достаточной точностью («7% в пределах 200 С - 300 С и 3,5%- в пределах 800 С - 1200 С) при самых различных степенях пористости керамических материалов. Для установления зависимости Я = /(р) испытывались материалы со средним размером зерен 400 и 35 мк (черепки электрокорунда) и 400 мк (черепки карбида кремния). При этом соотношение объема основной массы к связке оставалось неизменным. В результате выявлено, что для обожженных корундовых материалов функция Л = f(p) линейна, а для карбида кремния она отражает падение Л с ростом р, причем более интенсивно на малой пористости р.
Двуокись титана
Молекулярная масса двуокиси титана равна 79,8988 кг/кмоль, а теоретическая плотность - 4240 кг/м3. Для ТІО2 температура плавления равна 2113К. При температуре 25 00К начинает происходить кипение данного соединения. Двуокись титана имеет тетрагональную кристаллическую структуру с двумя молекулами кислорода в одной ячейке. Энергия кристаллической решетки равна 12159000 кдж/кмоль. Параметры решетки имеют значения: «а»=4,501А и «с»=2,8988А.
Как видно из графика, во всем исследуемом интервале температур 400К - 1400К подвижность фононов двуокиси титана убывает от 4,3806Е-09(м2/Вс) до 5,8134Е-10(м/Вс). До температуры 700К подвижность носителей тепла уменьшается быстрее, а выше 700К наблюдается плавное убывание подвижности фононов.
В таблице 2.11 представлены значения коэффициента теплопроводности двуокиси титана в виде функции А,ф=АТх, а в таблице 2.12 температурные изменения подвижности фононов в виде u=BTY. Для более точного определения механизма рассеяния в рассматриваемом материале температурный интервал разделен на два (400К-700К) и (800К-1400К), так как характер изменения коэффициента теплопроводности неравномерный.
Как показали расчеты, теплопроводность двуокиси титана до температуры 700К убывает по закону, определяемому степенью (-0,9), что практически совпадает с теоретической (-1) для фононной теплопроводности. Выше температуры 800К теплопроводность уменьшается согласно степени (-0,22), что значительно меньше теоретической, и может быть объяснена только их неупругим взаимным рассеянием. Подвижность изменяется в интервале температур 400К — 700К по закону (-2,15), что очень сильно приближается к теоретическому значению (-2), а выше 800К подвижность фононов изменяется согласно степени (-1,29), что подтверждает наличие неупругого рассеяния. В таблице 2.13 представлены значения теплофизических параметров в зависимости от температуры, а также значения скорости звука двуокиси титана. Используя модель релаксации, описанную в параграфе 1, проведен расчет коэффициента рассеяния фононов «п». Здесь же приведена функциональная зависимость этого коэффициента в виде п=А Т8.
Графическая зависимость теплопроводности от температуры имеет убывающий характер в интервале температур ЗООК - 650К в точке Т=650К Х= 1,9Вт/(мК) и является точкой минимума, выше 65 ОК наблюдается незначительный рост коэффициента теплопроводности до значения 2,5 Вт/(мК).
Как видно из графика с ростом температуры от 300К до 75 ОК наблюдается уменьшение величины подвижности материала от 6,20996Е-09(м2/Вс) до 9,27979Е-10(м2/Вс). Выше этой температуры происходит незначительное увеличение значений подвижности носителей до значения 9,00477Е-10 (м2/Вс), связанное с характером изменения теплопроводности материала.
Для данного вещества анализировались значения коэффициентов теплопроводности и подвижности на основе модели переноса тепла, результаты расчета представлены в таблице 2.19 и 2.20 в виде степенных зависимостей А,=АТ и и=ВТ от температуры. Расчет проводился с учетом характера изменения коэффициента теплопроводности, поэтому температурный интервал разделен на участки.
Видно, что теплопроводность пятиокиси ванадия до 700К убывает с ростом температуры по степенному закону (-1,18), что несколько больше теоретического (-1) и объясняется дополнительным рассеянием фононов на ионах. Выше температуры 700К теплопроводность начинает увеличиваться в соответствии со степенью (1,59). Механизм такого роста нельзя отнести к фотонному из-за малой степени и дать его точную интерпретацию затруднительно. Подвижность фононов до 700К уменьшается по степенному закону (-2,6), что немного выше теоретического значения (-2) и подтверждает наличие дополнительного рассеяния, скорее всего на ионах. Выше 700 К подвижность увеличивается согласно температурной степени (0,58), что также не позволяет дать однозначной рекомендации механизму рассеяния и переноса. Возможно, предположить только наличие у пятиокиси ванадия сложной валентной зоны.
Расчетное определение температуры внешней поверхности трубчатых керамических теплообменных аппаратов
Для эффективного использования керамики из окислов металлов была написана программа, которая дает теоретические представления о характере поведения рассматриваемых материалов в представленной работе. В качестве образца (Рис. 3.1) взяли металлическую трубку di= 18мм и сІ2= 20мм, покрытую слоем из окиси алюминия толщиной 5= 2мм, (d3= 24мм) при различном содержании пористости: 0%, 10%, 78%.Температура теплоносителя составляет 593К, 893К и 1023К, скорость жидкости на входе - 0,1 м/с. Давление на входе в трубу составляет 1,0Е+05Па. Температура окружающей среды равна 293,15К, а коэффициент теплоотдачи в окружающую среду равен 4 Вт/(м2К). Задача состояла в том, чтобы определить температуру внешней поверхности слоя, изготовленного из окиси алюминия по длине трубы в различных точках образца.
Для решения поставленной задачи сделаны некоторые допущения: движение жидкости - ламинарное, температура теплоносителя в центре потока постоянна и равна температуре жидкости на входе в трубу. Поскольку при этом в граничных условиях предполагается одинаковость температуры по толщине стенки трубы на входе и на выходе, необходимо задать условия теплоизолированности концов трубы от окружающей среды. Такое условие может иметь различный физический смысл в зависимости от способов поддержания изотермичности концов трубы, но так или иначе, поток теплоты с концов трубы (очень малых участков вблизи концов - є) должен отсутствовать.
На рисунке 3.4 представлен аналогичный вариант температурных зависимостей с температурой теплоносителя на входе в трубу Т=893К. В конце рассматриваемого участка температура поверхности исследуемого образца составляет 880,779К, а температура стенки трубы равна 881,341 К с Ттеплоносителя«889,7К на конце образца. Рисунок 3.5 наглядно демонстрирует температурные изменения, происходящие в экспериментальном образце, с температурой теплоносителя на входе в трубу равной 1092К.
При длине трубы 1=0,45м температура поверхности образца из А12Оз достигает 1076,3К, при температуре стенки трубы равной порядка 1077,2К. Температура теплоносителя опускается до 1088,6К. Температурные падения исследуемого образца из пористого AI2O3 и материала стенки трубы имеют одинаковый характер изменения, температурные линии на графиках параллельны.
Для металлической трубы: RBHyrp=9 мм, RBHeuj=10 мм, покрытой AI2O3 с пористостью 10% температурные изменения для различных свойств теплоносителя представлены на графиках (Рис. 3.6 — 3.8).
Для теплоносителя с температурой на входе в трубу Т=593К (Рис. 3.6) температурная кривая поверхности пористого материала падает до 586,725К при длине трубы равной 0,45м. При этом температура самой трубы достигает порядка 587К, а Ттепло„осетеля«591,2К.
На рисунке 3.7 температура поверхности образца AI2O3 с пористостью 10% достигает 880,23К, при этом температура внешней стенки металлической трубы составляет 881,253К. Здесь уже заметно увеличивается температурный перепад между пористой поверхностью и металлической стенкой трубы.
Для теплоносителя с Т=1092К на входе в трубу, температура пористой поверхности опускается до 1075,32К, а Тст. трубы составляет « 1076,8К, причем температурный перепад между кривыми возрастает еще заметнее.
И, наконец, для материала пористостью 78% температурные зависимости представлены на рисунках 3.9-3.11. Как видно из графиков температурный перепад Тпористой пов.-Тст. трубы значительно отличается от предыдущих вариантов и составляет порядка 2 - 6К в зависимости от температуры теплоносителя и содержания пористости в АЬОз.
При Ттепл0носителя=593К на входе в трубу температура поверхности из А120з с пористостью 78% падает до 585,24К, при температуре стенки трубы « 587,04К и Ттеплоноскгеляй!591,2К. Для другого варианта теплоносителя (ТтеПлоносителя=893К) температурные изменения составляют Туристов пов = 876,59К при длине трубы 0,45м, а Тст. ТрУбы=881,13К, при этом температура самого теплоносителя опускается до 889,6К.
На рисунках 3.21-3.23 изображены температурные кривые при условии, что внешняя поверхность трубы изготовлена из А12Оз с пористостью 10% и различными температурами теплоносителя. Для воды с Т=593К в центре потока на расстоянии 0,05м от входа в трубу температура в точке г=9мм составляет 5 89,91 К, а при длине 1 м вода охлаждается до 584,466К. На внешней поверхности пористого материала температура составляет при х=0,05м 589,584К; при х= 0,3 м - t = 587,64К; х= 0,5м - t = 586,48К, а при х=1,0м температура пористой поверхности составляет порядка 584,15К. Температурный перепад между металлической стенкой трубы и пористой поверхностью составляет: х=0,05м - А=0,311К, х=0,3м - Д=0,308К, х=0,5м - А=0,305К, х=1,0м -А=0,302К. Когда температура теплоносителя в центре потока составляет 893К, на границе жидкость - внутренняя стенка трубы (г=9 мм) температура жидкости при х=0,05м составляет 887.494К; при х=0,3м td= 883,25IK; х=0,5м - tci = 880,75IK , а при длине трубы 1,0м температура на границе жидкость - стенка трубы составляет 876,357К. Температура внешней поверхности материала из А12Оз с пористостью 10% составляет 886,457К; 882,225К; 879,732К и 875,349К соответственно для поперечных разрезов на расстоянии 0,05м, 0,3м, 0,5м и 1м от входа в трубу, при этом Д соответственно равны 1,037К, 1,026К, 1,019К и 1,008К. Случай, когда температура теплоносителя имеет значение 1092К, представлен на рисунке 3.23. Для этого варианта в точках разреза температура воды опускается до 1085,59К (х=0,05м), tci =1080,17К при х=0,3м , на расстоянии 0,5м температура теплоносителя на границе жидкость - стенка трубы составляет 1076,25К, а при х=1,0м температура воды опускается до 1070Д7К. При г =10мм температура на границе двух разделов фаз стенка трубы - пористая поверхность в случае х=0,05м равна 1085,55К, а температура внешней поверхности АЬОз с пористостью 10% составляет 1084,0К и Д равна 1,55К . Для х=0,3м tc2=1080,13K, а температура пористой поверхности (г=12мм) 1078,59К, при этом Д составляет 1,54К. На расстоянии 0,5м от входа в трубу температура в точке г=10мм составляет 1076,21 К, а при г=12 мм — Т=1074,68К. Перепад температур Тст.-фубы.- ТПОр.ПОверх составляет 1,53К. В случае х=1,0м tc2 1070,13К, а температура внешней поверхности пористого материала равна 1068,61 К и температурный перепад равен 1,52К.
Описание тепловизионной системы
Тепловизионная система применяется для эффективного измерения температуры и температурных полей, в основу которой заложен принцип визуализации объектов с использованием излучения в инфракрасной области спектра.
В основе большинства современных тепловизоров лежат полупроводниковые многоэлементные фотоприемные устройства, изготовленные на базе узкозонных полупроводниковых соединений (InSb, InAs, CdHgTe) или мультиплицированных квантовых ям в системе GaAs/AlGaAs или GaAsflnGaP. В техническом отношении любой тепловизор можно рассматривать как сплав самых высоких технологий из области полупроводникового материаловедения, интегральной схемотехники и оптического приборостроения.
Наиболее универсальной при решении практических и научных задач является тепловизионная система на базе инфракрасной камеры ThermaCAM SC 3000. Ультравысокая восприимчивость температуры, чрезвычайно широкий динамический диапазон и революционный способ работы в диапазоне длинных волн делает камеру самым передовым решением для инфракрасного измерения температуры и термального анализа.
Система ThermaCAM SC 3000 включает в себя: прочную и надежную ИК - камеру (в корпусе исполнения IP54) со встроенным 20 объективом, пульт дистанционного управления, кабели и разъемы, набор дополнительного оборудования и программного обеспечения. Система ThermaCAM SC3000, отличающаяся новым QWIP детектором (Quantum Well Infarared Photon) с холодильником Стерлинга, предназначена для расширенных научно - технических исследований, где предъявляются исключительно высокие требования к тепловому анализу в широком диапазоне температур.
QWIP детектор обладает рядом важных преимуществ: - Исключительно высокое качество изображения в длинноволновом спектральном диапазоне; - Исключительно высокая разрешающая способность с FPA QWIP детектором 320x240; - Высокое отношение сигнал/шум - обеспеченное порогом чувствительности менее ЗООтК; - Широкий диапазон измеряемых температур вследствие работы в длинноволновом спектральном диапазоне и оцифровывание с разрешением 14 бит; - Высокая стабильность и однородность изображения. Система ThermaCAM SC 3000 , объединяющая в себе комплекс аппаратных и программных средств записи данных в реальном масштабе времени и анализа температуры Tracer Plus фирмы FLIR Systems, включая программу Agema Research, обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики и расширенные возможности анализа для практических задач, требующих детального изучения температуры высокодинамичных объектов. Измеряемое тепловизором излучение зависит не только от температуры объекта, но и от его излучательной способности. Излучение также исходит из окружающей среды и отражается объектом. Излучение объекта и отражаемое излучение, кроме этого, будут поглощаться атмосферой. Таким образом, для точного измерения температуры необходима компенсация влияния целого ряда источников излучения. Это автоматически выполняется тепловизором ThermaCAM SC 3000 в ходе съемки. Однако для этого в камеру должны быть введены следующие параметры объекта: - излучательная способность объекта; - температура окружающей среды; - расстояние между объектом и тепловизором; - относительная влажность воздуха. Из всех вышеперечисленных параметров, от которых зависит точность измерений, важнейшим является излучательная способность или коэффициент излучения, т.е. величина, характеризующая излучение исследуемого объекта по отношению к излучению абсолютно черного тела. В тепловизионной системе ThermaCAM SC 3000 излучательная способность исследуемых тел может быть определена с достаточной точностью при помощи входящих в комплект пирометра и термопары. Температура окружающей среды вводится для компенсации влияния излучения, отображаемого от объекта, равно как и излучения, испускаемого атмосферой на участке между камерой и объектом. Причем особенно важно установить значение температуры окружающей среды, если излучательная способность мала, расстояние до объекта велико и его температура близка к температуре окружающей среды.
На графике (Рис. 4.4), помимо экспериментальной кривой изменения температуры на внешней поверхности стенки образца по длине, построенной на основе программного обеспечения тепловизионной системы ThermaCAM SC 3000 в виде кривой с осредненными значениями температуры, представлена также теоретическая кривая, полученная в результате расчета с помощью вычислительной программы, описанной в Главе 3, для более наглядного понимания.
При длине трубы 1=0,45м, изготовленной из А1203 пористостью 0%, ( =18мм и d2=22MM, с температурой теплоносителя Т=353К на входе в трубу эксперимент дает следующие результаты: в интервале 0,005м - 0,05м от начала трубы наблюдается резкое падение температуры внешней поверхности стенки образца от 352,92К до 352,64К, сравнивая с расчетной кривой изменения температуры внешней поверхности, имеем следующее: более резкое падение температуры происходит в интервале 0,005м - 0,02м с температурами 352,916К - 3 52,63 8К, что объясняется различными начальными условиями, при расчете задавалось условие теплоизолированности начального конца трубы. Эксперимент же проводился в лабораторных условиях, где невозможно добиться таких условий. От 0,05м и до конца трубы (1=0,45м) экспериментальная кривая плавно убывает до значения температуры внешней поверхности образца на конце трубы равного 352,29К. Расчетная кривая ведет себя немного иначе: на участке 0,02м - 0,05м происходит стабилизация процесса охлаждения и далее по длине трубы наблюдается дальнейшее снижение температуры внешней поверхности до 352,191К. Как видно из графиков характер изменения температуры расчетный и экспериментальный отличаются на значение величины А=Тс2 ЭКСпеРим-Тс2 расчет. Порядок величины А лежит в интервале от 0,004К до 0,099К. На участке 0,05м - 0,1м стабильно и составляет 0,025К. Далее по длине трубы из графиков заметно увеличение разности значений температур эксперимента от расчетных значений. Это разрыв возможен из-за условий проведения эксперимента и заданных условий при теоретическом вычислении, замкнутости лаборатории и следствие этого - отсутствие свободной конвекции. Порядок отличия расчетных значений от экспериментальных составляет в среднем 0,05К, что дает право говорить о том, что определение температуры внешней поверхности возможно как экспериментально, так и с помощью разработанной программы вычисления с высокой точностью, достаточной для технических расчетов.
