Устройство для измерения теплового потока к поверхности материала, нагретого в струе высокоэнтальпийного газа до высоких температур

Предлагаемая полезная модель относится к области теплотехники, применяется в экспериментальных исследованиях для измерения теплового потока к поверхности образца материала, нагретого до высоких температур в струе высокоэнтальпийного газа.
Полезная модель позволяет измерять тепловой поток к фронтальной стороне исследуемого материала, при этом температура фронтальной стороны исследуемого материала регистрируется средствами оптической пирометрии. Точное измерение тепловых потоков к поверхности материалов, нагретых в струях высокоэнтальпийных газов необходимо для корректного определения их каталитических свойств по отношению к реакциям рекомбинации диссоциированных атомов газа и при исследованиях термохимической стойкости образцов высокотемпературных материалов. Тепловой поток к поверхности материала, нагретого до высокой температуры в струе высокоэнтальпийного газа, определяется из уравнения Стефана-Больцмана по результатам измерений равновесной радиационной температуры методами оптической пирометрии. При нагреве образца материала до высоких температур точность измерения теплового потока может снижаться из-за потерь тепла в области контакта образца материала с водоохлаждаемой державкой. Для снижения тепловых потерь между исследуемым образцом и поверхностью державки устанавливаются теплоизолирующие вставки, но их использование не позволяет полностью исключить передачу тепла от нагретого образца материала к водоохлаждаемой державке. Требуется проводить измерение тепловых потерь.
Известно устройство калориметрического зонда для измерений тепловых потоков в струях высокоэнтальпийных газов, описанное в статье: «Измерения тепловых потоков на покрытиях различного состава в дозвуковом потоке ВЧ-плазмотрона», Красильников А.В., Залогин Г.Н., Рудин Н.Ф., Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2016, Т.17, вып. 2. Принцип его работы основан на измерениях расхода охлаждающей жидкости и разности ее температур на входе и выходе из калориметра, помещенного в струю высокоэнтальпийного газа. Тепловоспринимающая поверхность калориметра выполняется непосредственно из исследуемого материала либо на нее наносится покрытие на основе исследуемого материала. Преимуществом данной модели является возможность проведения длительных экспериментов в струях высокоэнтальпийных газов, поскольку все элементы устройства охлаждаются водой и тепловоспринимающая поверхность калориметра не разрушается в процессе эксперимента.
Основным недостатком данной модели является возможность измерения теплового потока только при низких температурах тепловоспринимающей поверхности, температурный диапазон которой ограничен температурой кипения охлаждающей жидкости в калориметре.
Известно устройство для определения теплового потока к поверхности материала, нагретого до высоких температур, описанное в работе «Методика исследования неравновесного теплообмена и каталитических свойств высокотемпературных материалов», Ваганов А.В., Жестков Б.Е., Сенюев И.В., Целунов М.М., Штапов В.В., Сахаров В.И., Материалы XXX научно-технической конференции по аэродинамике, 2019. В данном устройстве тепловой поток к образцу находится по распределению радиационно-равновесной яркостной температуры. Образцы поддерживается с помощью соломки из корунда, карбонитрида бора или высокотемпературных оксидов, что позволяет проводить испытания при температуре образцов до 3500 K. Достоинством данного устройства является возможность определения теплового потока при высоких температурах.
Недостатками устройства являются сложность закрепления и позиционирования в потоке высокоэнтальпийного газа образца с помощью поддерживающей соломки, возможность разрушения соломки в процессе эксперимента, а также отсутствие учета тепловых потерь путем теплопередачи через поддерживающую соломку.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство, описанное в статье «Экспериментальное исследование уноса массы углеродных материалов в потоке чистого диссоциированного азота» Гордеев А.Н., Залогин Г.Н., Колесников А.Ф., Физико-химическая кинетика в газовой динамике, 2010, Т. 9. Устройство представляет собой водоохлаждаемую модель (цилиндр диаметром 50 мм со скругленной кромкой, радиусом 11.5 мм) с гнездом для установки образца материала в носовой части. Чтобы минимизировать тепловые потери от образца в модель, тыльная сторона образца прикрыта слоем высокотемпературного теплоизолятора, вырезанного из углеродного войлока. Три тонких жгутика из углеродной ваты, используются для установки образца (диска диаметром 26 мм и толщиной 3 мм) в модель на трении. Внутри центрального канала модели с использованием центрующей и теплоизолирующей втулки из фторопласта устанавливается водоохлаждаемый калориметр, тепловоспринимающая поверхность которого упирается в слой теплоизолятора на тыльной стороне образца. Достоинством данного устройства является возможность средствами оптической пирометрии определить тепловой поток к поверхности нагретого до высоких температур образца и частично учесть тепловые потери от нагретого образца в водоохлаждаемую державку с помощью калориметра, установленного на тыльной стороне образца. Использование слоя теплоизоляции между калориметром и образцом снижает риск перегрева воды в проточном тракте калориметра.
Недостатком данного устройства является отсутствие учета тепловых потерь через боковую поверхность образца и край тыльной стороны образца, поскольку тепловоспринимающая поверхность калориметра по площади меньше тыльной поверхности образца.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности измерения теплового потока к поверхности материала, нагретого в струе высокоэнтальпийного газа до высоких температур (более 2000 К) за счет учета тепловых потерь от теплопередачи между образцом материала и водоохлаждаемым устройством.
Технический результат полезной модели – создание устройства для измерения теплового потока к поверхности материала, нагретого в струе высокоэнтальпийного газа до высоких температур (более 2000 К) за счет учета тепловых потерь от теплопередачи между образцом материала и водоохлаждаемым устройством.
Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство для измерения теплового потока к поверхности материала, нагретого в струе высокоэнтальпийного газа до высоких температур, состоящее из  водоохлаждаемой державки,  в  которой установлен  водоохлаждаемый калориметр с трубопроводами, теплоизолирующей втулки, теплоизолирующей шайбы и теплоизоляции, дополнительно имеет  экранирующую втулку, выполненную из материала с высокой теплопроводностью, закрывающую  боковую поверхность  водоохлаждаемого калориметра, который, в свою очередь, имеет гнездо для  установки  испытываемого образца.
Таким образом, технический результат достигается благодаря особенностям конструкции интегрированного в модель калориметра, позволяющим фиксировать исследуемый образец и измерять тепловые потери на боковой и тыльной поверхностях образца, а также благодаря использованию экранирующей втулки из материала с высокой теплопроводностью (например, меди), которая препятствует нагреву калориметра струями высокоэнтальпийных газов.
Предлагаемая полезная модель состоит из водоохлаждаемой державки 1 (фиг. 1), в которой установлен водоохлаждаемый калориметр 2 с водяными трубопроводами 3, для теплоизоляции калориметра используются теплоизолирующая втулка 4 и теплоизолирующая шайба 5, за счет упругой деформации теплоизолирующей втулки 4 водоохлаждаемый калориметр 2 фиксируется в водоохлаждаемой модели 1. Испытываемый образец 6 устанавливается в гнезде водоохлаждаемого калориметра 2 на трении, для ограничения тепловых потерь перед установкой  испытываемого образца 6 в зазор между стенками водоохлаждаемого калориметра 2 и образцом 6 помещается высокотемпературная теплоизоляция 7. Экранирующая втулка 8 предотвращает прямой нагрев калориметра набегающим потоком высокоэнтальпийного газа.
Водоохлаждаемая державка 1, водоохлаждаемый калориметр 2 и экранирующая втулка могут быть изготовлены из меди. Теплоизолирующая втулка 4 и теплоизолирующая шайба 5 могут быть изготовлены из фторопласта. Образец 6 изготавливается из исследуемого материала. В качестве высокотемпературной теплоизоляции 7 может использоваться углеродный войлок или иной термостойкий упругий материал.
Для подключения водоохлаждаемых элементов устройства (1, 3) к сети водоснабжения и закрепления модели в рабочей части высокотемпературной газодинамической установки могут применяться стандартные интерфейсы используемой установки. В таблице 1 представлены результаты эксперимента по нагреву в дозвуковом потоке высокоэнтальпийного воздуха графитового образца, установленного в предлагаемом устройстве.
Таблица 1. Доля теплопередачи излучением (Q<sub>rad</sub>) и тепловых потерь в стенки водоохлаждаемого калориметра (Q<sub>loss</sub>) в уравнении теплового баланса графитового образца диаметром 15 мм и толщиной 5 мм, нагретого в струе высокоэнтальпийного воздуха до температуры 2273°К.
Q<sub>rad</sub>, Вт
Q<sub>loss</sub>, Вт
Q<sub>total</sub> = Q<sub>rad</sub> + Q<sub>loss</sub>, Вт
(Q<sub>loss</sub>/Q<sub>total</sub>)*100%
280
200
480
41.6%
Как видно из таблицы 1, доля тепловых потерь в стенки водоохлаждаемого калориметра в эксперименте с графитовым образцом диаметром 15 мм и толщиной 5 мм, нагретым в струе высокоэнтальпийного воздуха до температуры 2273 К, составляла более 40%, несмотря на применение теплоизоляции из углеродного войлока при установке образца в калориметр. Учет данных потерь с помощью предлагаемой полезной модели позволяет уточнить на указанную величину результаты измерения теплового потока к поверхности нагретого образца по сравнению с тепловым потоком, определяемым по распределению равновесной радиационной температуры без учета потерь.