Способ определения интегральной излучательной способности поверхности материалов Советский патент 1992 года по МПК G01J5/02 

Изобретение относится к теплофизиче- ским 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 котором 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 1.

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.

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 без экранов с измерением температур на оси и поверхности цилиндрических образца и эталона, а также времени, прошедшего с начала охлаждения 2.

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 f(t) после первого и повторного нагревов одинаковы. Для всех известных материалов зависимость излучательной способности от температуры не сохраняется однозначной при нагревах особенно применительно к высокотемпературным исследованиям Это исключает возможность использования в

Јъ

ю

го

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 важно 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 при Р0 const),-в которых охлаждаются (фиг.1). Излучательные способности поверхностей каждого из экранов еЭ1 иЈЭ2 при температуре to предпо- лага.ются известными.

В процессе охлаждения измеряют время с начала охлаждения температуры поверхностей образцов ti и ta и температуры

внутри образцов на одинаковой глубине и г (Указанная глубина берется исходя из формы образца чтобы измеряемая температура была близка к среднеинтегральной по

объему). Для термически тонких образцов (Bi 0,1)tct.

Температуры ti(r),t2 (r),(r)n t2 (т) фиксируются во времени самопишущими или цифровыми приборами (фиг.2).

Время начала охлаждения каждого образца может и не совпадать.

Для любого одинакового значения температуры t поверхностей охлаждаемых образцов справедливы следующие уравнения:

dt1 Јni Со ( 0,01 t +2,73 )4 Gc

dr

-(0,01to+2.73)4 F+CUl

О)

-Ос-Ц- Јп2 Сс(0,01 1+ 2,73 )4- -(0,01 to + 2,73 У F +QK2

(2)

Здесь G - масса образца, кг;

с - приведенная массовая теплоемкость образца, Дж/кг, К;

Со 5,67 Вт/м2 К4 - коэффициент излучения абсолютно черного тела; to - температура поверхности экранов, °С;

F - площадь теплоотдающей поверхности образцов, м2;

Ок1 и QK2- конвективные и кондуктив- ные тепловые потоки от образцов к экранам, Вт;

Приведенные излучательные способности первой и второй системы (ЈП1 иЈП2 ) выражаются формулами:

em / l-fC- -1)

где е- искомая излучательная способность поверхности исследуемого материала (образца);

отношение площадей поверхноГЭ

стей охлаждения (нагрева) образца и экрана;

Так как геометрические и другие краевые условия обеспечиваются полностью одинаковыми для обеих образцов, то кон- вективно-кондуктивные составляющих потоков QK1 и Ок2 в уравнениях (1) и (2) будут одинаковы npnt idem. Следовательно, разность полных тепловых потоков можно выразить следующим уравнением в конечных разностях:

(fn i - гп2 )С0 (0.01 t + 2.73У1 - (0.01to+2,73)()

A A-(5)

Ati Дт.2

где jrf тгр - интенсивность изменения температур образцов во времени в интервалах, соответствующих одинаковым температурам их поверхности:

Выражая массу образца через его объем (геометрические размеры) и плотность р , получим из уравнения (5) с учетом выражений (3) и (4) следующую формулу для оп- ределения искомой излучательной способности исследуемой поверхности:

е 1/1 0,25 ( ai + 32)2 +(а2 -31 )А 1/2

-31 32

где

(6)

31

-0,5 ( 31 +32) ..3, .

( Јэ1 Рэ 2

А 5,67 ( 0,01 t + 2,73 У1 - ( 0,01 to + 2,73 ) V

(ATi Дг1 - )

m д 12 - для плзстины толщиной (5 , м;

m б- для полого цилиндра (трубки) толщиной стенки, м;

m D/4 - для сплошного цилиндра диаметром D, м;

р , с - приведенные плотность, кг/м и массовая теплоемкость, Дж/кг К, образцов,

Особый интерес представляет возможность определения излучательной способности мэтериалов, для которых теплоемкость и плотность неизвестны. Предлагаемый метод решает и эту задачу, если провести предварительный тзрировоч- ный опыт с таким же образцом из материала известных физических свойств (эталоном), с целью нахождения конвективно-кондуктив- ной составляющей теплового потока Qic(t), которая при одинаковых краевых условиях вданнойустановке будет однозначна. Зависимость величины QK от температуры поверхности t может быть найдена из уравнения;

-СэтСэт (-f|)3T Јзт1 Ь+0к (7) где GST и Сэт - масс и приведенная массовая теплоемкость эталона, кг, Дж/кг К;

Јэт1 1/(+ ai)- приведенная

ЕЭГ

излучательная способность системы (эта- лон-пераый экран):

b - 5.67(О.ОШ 2,73) - (O.OIto 2.73V1 Г, Вт. Разделив левые и правые «лети урчрно- ния (1) и (2), будем иметь (при t idem):

з JLDlJ ±,9/IK

d l27dr Fn2 b +QV(

Переходя к конечным разностям температур с учетом зависимостей (12) и (13). получим после несложных преобразований следующую ргсчетную формулу для определения искомой излучательной способности поверхности исследуемых образцов:

Ј ,25В2+«2. -а2).

1

-Ь/QK -ai 32у - -0,5 в ,

1/2

АТ2/ ДГ2

Дг1/Дп

(9)

20

гдеВ

QK

+ 31 +32;

Ок 6этСзт(Л11/ДГ1 )3т -Јэт1 Ь,). Вт

Формула (9) не содержит величин, отражающих физические свойства исследуемого материала (плотность, теплоемкость), что

25 является существенным преимуществом этого метода перед известными методами нестационарного теплового режима.

С целью оценки степени необратимых изменений излучательных характеристик

30 ,п°веРхности с ростом температуры, используют в качестве измерительного процесса первичный нагрев исследуемых образцов в экранах путем обогрева их насыщенным паром, высококипящей жидкостью или элект35 рическим регулируемым подводом теплоты при to const.

Формула изобретения Способ определения интегральной излучательной способности поверхности ма40 териэлов, состоящий в нагреве образцов исследуемого материала одной формы и размеров до заданной температуры, последующем охлаждении их в экранах, определении температур в процессе нагрева и

45 охлаждения в характерных сечениях и оас- чете интегральной степени черноты нэ осно- вании измеренных значений температуры и излучательной способности эталонных поверхностей, отличающийся тем, что, с

50 целью повышения производительности и точности измерения при исследовании ма- териалов, чьи излучательные свойства необратимо изменяются в процессе нагрева, производят параллельное охлаждение двух

55 образцов в геометрически одинаковых экра- нах-термостатах с разной известной излучательной способностью, при этом величину Ј для ма ( ериалов с известной плотностью и теплоемкостью вычисляют по формуле:

Ј 1 /| 0,25 ( ai Ч-э)2 4- ( aa - ai ) A -ai323 /2 -0,5 (ai +82)}

где

1

-(ггг-1) « (т;г- к

Ati At2

--тг---,---- интенсивность изменения температуры образцов во времени в интервалах, соответствующих одинаковым температурам их поверхности, а для материалов с неизвестной плотностью и теплоемкостью вычисляют величины е по формуле

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

32 -ai

М2/АГ2

Ј 1/ 0,25 В2 +

1 Sfi/Arr b/QK -aia2J1/2 -0.5BJ,

-аа)

где В тт + а1 + а2.

UK

Јэ1 , Јэ2 - интегральные излучатель- ные способности поверхностей экранов при постоянной температуре t0;

отношение площадей поверхно-

стей охлаждения (нагрева) образца и экрана;

QK - конвективно-кондуктивная составляющая теплового потока, определенная 20 путем проведения тарировочного опыта с образцом известных физических свойств (эталоном) по уравнению теплового баланса

Ок СэтСэт(Ати/АГ1 )зт Јэт1 Ь,),

Сэт, Сэт масса и приведенная массовая

Л 5.67 ( 0,01 t + 2,73 )4 - ( 0,01 to + 2,73 ) f/ ( - At2/Ar2 ) ,

m -я- - для пластины толщиной о ;

т - д - для полого цилиндра (трубки) толщиной стенки д ;25 теплоемкость эталона,

m D/4 - для сплошного цилиндра ди-еэт 1/(-bai)- приведенная

аметром D;эт

л с - приведенные плотность и массо- излучательная характеристика системы этаЛОН ЭКОЭН4

вая теплоемкость образцов;к

30Сэт - излучательная способность поверхности эталона;

b 5,67(0,01t + 2.73Г - (0,01t0 2,73).

32 -ai

М2/АГ2

Ј 1/ 0,25 В2 +

1 Sfi/Arr b/QK -aia2J1/2 -0.5BJ,

-аа)

где В тт + а1 + а2.

UK

b 5,67(0,01t + 2.73Г - (0,01t0 2,73).

Фиг.1