Способ определения интегральной полусферической степени черноты поверхностей твердых тел и покрытий
METHOD FOR DETERMINING THE INTEGRAL HEMISPHERICAL DEGREE OF EMISSIVITY OF SURFACES OF SOLID BODIES AND COATINGS

Изобретение относится к теплофизике в области теплообмена излучением и заключается в разработке способа определения интегральной полусферической степени черноты поверхностей твердых тел и покрытий.
Известны способы определения интегральной полусферической степени черноты, использующие материалы с эталонными радиационными и теплофизическими характеристиками.
В патентах RU 2510491 С2, МПК G01J 5/12, 27.03.2014; SU 770333 А1, МПК G01J 5/12, 20.11.2005; RU 2521131 С1, МПК G01N 25/20, 27.06.2014 реализованы способы, основанные на сравнении результатов испытания в одних и тех же условиях исследуемой поверхности, интегральную полусферическую степень черноты которой требуется определить, с результатами испытания эталонной поверхности с известной интегральной полусферической степенью черноты.
В патентах RU 2598699 С1, МПК G01J 5/12, 27.03.2016; RU 2295720 С1, МПК G01N 25/18, 20.03.2007; RU 2192000 С1, МПК G01N 25/18, 27.10.2007 реализованы калориметрические способы, основанные на использовании в качестве калориметра пластины из эталонного материала с известной объемной теплоемкостью.
В литературе (Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2016. Т. 327. №5. 106-115) также описаны способы, использующие для фиксации подводимого к образцу теплового потока элементов из эталонного материала с известным коэффициентом теплопроводности.
Недостатками вышеуказанных способов является увеличение объема испытаний, необходимость иметь запас эталонных образцов, наличие погрешности в значении эталонных характеристик.
Известен способ, сведения о котором опубликованы в "Ученых записках ЦАГИ", 2018. Т. XLIX. №4. с. 83-88. В данном способе не используются никакие дополнительные эталонные материалы и их свойства. Именно этот способ и был взят в качестве прототипа.
Способ определения температурной зависимости интегральной полусферической степени черноты, реализованный в прототипе, состоит в испытании образца, состоящего из двух параллельно расположенных пластин (с минимальным размером в плане не менее 100 мм и толщиной не более 8 мм в зависимости от материала пластины) в вакууме. Пластины расположены на расстоянии 2-3 мм друг от друга. Наружную поверхность одной из пластин образца последовательно нагревают до различных температур в заданном диапазоне, а внешняя поверхность второй пластины излучает радиационный тепловой поток в окружающую среду.
1
2
3
В процессе испытания, при достижении на каждой ступени нагрева стационарного состояния фиксируют с помощью термопар температуры на внутренних поверхностях пластин Т и Т и на внешней поверхности второй пластины Т. Из условия равенства радиационных тепловых потоков между пластинами и с наружной поверхности второй пластины
имеем расчетное выражение для температуры  на каждой ступени нагрева.
2
Температурную зависимость интегральной полусферической степени черноты (ε(Т)) представляют в виде линейного сплайна, параметры которого определяются из условия наилучшего совпадения расчетных и экспериментальных температур Т на всех ступенях нагрева решением обратной задачи
где K - число обрабатываемых ступеней нагрева, М - число узлов сплайна.
Недостатками этого способа являются сложная конструкция образца, состоящего из двух параллельно расположенных пластин, достаточно большое число измерений в эксперименте и сложный алгоритм обработки результатов испытаний.
Задачей и техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа, позволяющего уменьшить число измерений, упростить обработку экспериментальных данных, повысить точность и достоверность получаемых результатов, обеспечить испытания в вакууме или в газовой среде.
n
m
с
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в способе определения интегральной полусферической степени черноты поверхностей твердых тел и покрытий, состоящем в том, что испытывают в вакууме или в газовой среде образец в виде пластины, нагревают пластину со стороны, противоположной исследуемой поверхности, до заданной температуры и выдерживают до установления стационарного состояния, при этом исследуемая поверхность пластины излучает радиационный тепловой поток в окружающую среду, на расстоянии 2-3 мм от исследуемой поверхности размещают горизонтально и параллельно поверхности пластины свободную термопару, определяют температуру исследуемой поверхности T, фиксируют показание свободной термопары T и температуру окружающей среды Т и вычисляют интегральную полусферическую степень черноты поверхности по формуле
nm
где ϕ - коэффициент облученности термопары поверхностью образца,
α - коэффициент теплоотдачи от термопары при свободной конвекции
m
ε - степень черноты термопары
Изобретение поясняется фигурами
На фиг. 1 приведена схема прототипа
На фиг. 2 приведена схема предлагаемого изобретения
На фиг. 3 приведена полученная данным способом температурная зависимость интегральной полусферической степени черноты углерод-углеродного материала в интересующем диапазоне температур.
n
m
с
с
Поставленная задача решается согласно настоящему изобретению тем, что испытывают в вакууме или в газовой среде образец 1, состоящий из одной пластины с одной исследуемой поверхностью 2, и размещенной в газовой среде вертикально (при испытании в вакууме расположение образца произвольно). Для обеспечения высокой величины коэффициента облученности термопары поверхностью образца на расстоянии 2-3 мм от исследуемой поверхности размещают горизонтально и параллельно исследуемой поверхности пластины 2 свободную термопару 3, сваренную встык. Со стороны, противоположной исследуемой поверхности 2, нагревают пластину до заданной температуры и выдерживают до установления стационарного состояния, при этом исследуемая поверхность пластины излучает радиационный тепловой поток в окружающую среду, определяют температуру поверхности T, фиксируют показание свободной термопары T и температуру окружающей среды Т (при испытании в атмосфере Т равна температуре воздуха, в вакуумной камере-температуре стенки камеры).
При этом уравнение теплового баланса термопары имеет вид
nm
где ϕ - коэффициент облученности термопары поверхностью образца,
m
ε - степень черноты термопары;
n
ε - интегральная полусферическая степень черноты поверхности;
σ - постоянная Стефана-Больцмана;
m
D - диаметр термопары, м;
π - число пи.
α - коэффициент теплоотдачи от термопары при свободной конвекции.
Последний вычисляется по формуле
где
где  - критерий Нуссельта
- критерий Прандтля
rD
G - критерий Грасгофа
ƒ
λ - коэффициент теплопроводности,
ƒ
α - коэффициент температуропроводности,
ƒ
v - коэффициент кинематической вязкости,
b - коэффициент температурного расширения,
g - ускорение свободного падения.
Индекс ƒ указывает, что физические свойства газа должны браться при
Из уравнения теплового баланса имеем следующее выражение для вычисления степени интегральной полусферической черноты поверхности
nm
где ϕ - коэффициент облученности термопары поверхностью образца,
α - коэффициент теплоотдачи от термопары при свободной конвекции.
m
ε - степень черноты термопары
Проводя нагрев до различных температур, получают температурную зависимость интегральной полусферической степени черноты в интересующем диапазоне температур. Полученные величины интегральной полусферической степени черноты находятся в зоне значений степени черноты для углерод-углеродных материалов (фиг. 3).
В разработанном способе не используются материалы с эталонными радиационными или теплофизическими характеристиками, существенно упрощены конструкция образца (одна пластина вместо двух) и эксперимент (вместо измерений температуры на трех поверхностях измерение проводится только на одной), а также обработка экспериментальных данных. Все это обеспечивает повышение точности и достоверности определения интегральной полусферической степени черноты,