УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области теплофизических исследований и может быть использована для определения комплекса теплофизических характеристик теплотехнических материалов, а именно коэффициента теплопроводности и теплоемкости в широком диапазоне температур по результатам единичного эксперимента с использованием методов обратных задач теплообмена [Алифанов О.Μ Обратные задачи теплообмена. - М.: Машиностроение, 1988, 280 с., О.М. Alifanov, S.A. Budnik, A.V. Nenarokomov, V.V. Mikhaylov and V.M. Ydine, Identification of Thermal Properties of Materials with Applications for Spacecraft Structures. Inverse Problems in Science and Engineering, 2004, vol. 12, pp. 771-795].
Методы определения теплофизических свойств материалов, основанные на решении коэффициентных обратных задач теплообмена, получили широкое распространение [Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена. - М.: Машиностроение, 1988, 280 с., Алифанов О.М., Артюхин Е.А., Румянцев С.В. Экстремальные методы решения некорректных задач и их приложения к обратным задачам теплообмена. М.: Наука, 1988, 288 с]. Данные методы имеют ряд преимуществ перед традиционными методами измерения теплофизических характеристик, особенно для материалов, используемых в широком диапазоне температур (в том числе экстремальных температур), в условиях нестационарного нагрева, при больших скоростях и градиентах изменения температуры, а часто и при наличии фазовых превращений в материале. Такие условия нагрева характерны для конструкционных, теплоизоляционных и теплозащитных материалов, используемых в конструкциях аэрокосмической техники, ядерной энергетики и металлургии.
Известно устройство [Харламов А.Г. Измерение теплопроводности твердых тел. М., Атомиздат, 1973, 152 с.], реализующее стационарный метод определения коэффициента теплопроводности материалов, устанавливаемое в газовакуумную рабочую камеру, состоящее из плоского тонкого ленточного нагревательного элемента, размещенного горизонтально, к обеим сторонам которого с контролируемым усилием прижимаются два одинаковых плоских образца исследуемого материала, на обратных поверхностях которых размещаются плоские теплосъемники (неподвижный нижний и подвижный верхний). На нижних и верхних (по отношению к нагревательному элементу) поверхностях образцов устанавливаются термопары. Боковые поверхности образцов защищаются охранными теплоизолирующими элементами, что обеспечивает в центральной части нагревательного элемента реализацию достаточно равномерного поля температур. Симметричная схема размещения образцов обеспечивает возможность определения плотности теплового потока на его поверхности по электрической мощности, выделяемой на расчетной площади рабочей зоны нагревательного элемента.
Недостатками данного устройства являются: отсутствие компенсации термической деформации нагревательного элемента в продольном и поперечном направлениях, что может приводить к короблению нагревательного элемента, вызывающему искажение равномерного температурного поля в рабочей зоне нагревательного элемента, и как следствие к снижению точности определения коэффициента теплопроводности; размещение вне газовакуумной рабочей камеры пневматического устройства, создающего контролируемую сжимающую нагрузку на образцы для уменьшения тепловых сопротивлений и компенсации возможной усадки материала, значительно усложняет конструкцию устройства в связи с необходимостью передачи сжимающего усилия в камеру с обеспечением герметичного ввода силового штока.
Наиболее близким по технической сущности к настоящей полезной модели является устройство [О.М. Alifanov, S.A. Budnik, A.V. Nenarokomov, V.V. Mikhaylov and V.M. Ydine, Identification of Thermal Properties of Materials with Applications for Spacecraft Structures. Inverse Problems in Science and Engineering, 2004, vol. 12, pp.771-795, Алифанов Ο.Μ., Будник С.А., Михайлов В.В., Ненарокомов А.В. Экспериментально-вычислительный комплекс для исследования теплофизических свойств теплотехнических материалов. Космонавтика и ракетостроение, 2006, т. 42, №1, с. 126-139], реализующее нестационарные методы определения комплекса теплофизических характеристик материалов (коэффициента теплопроводности и теплоемкости) на основе решения обратных задач теплообмена в широком диапазоне температур по данным единичного эксперимента, устанавливаемое в газовакуумную рабочую камеру теплового стенда и состоящее из основания, на котором установлены водоохлаждаемые подвижная и неподвижная прижимные планки, снабженные электроизолирующими пластинами из текстолита и креплениями гибких токоподводов и выполняющие роль контактов плоского тонкого ленточного электрического нагревательного элемента прямоугольной формы из термостойкого металла или сплава, узлов натяжения, обеспечивающих контролируемое натяжение нагревательного элемента в продольном направлении, двух одинаковых плоских образцов исследуемого материала, которые установлены симметрично на верхней и нижней поверхностях нагревательного элемента вплотную к поверхности или с контролируемым зазором относительно поверхности нагревательного элемента, двух датчиков нестационарного теплового потока, установленных на обратных поверхностях образцов, управляющей термопары, установленной в центральной части нагревательного элемента, термопар, установленных на поверхности и внутри образцов в их центральной части (в точках измерений, соответствующих принятой схеме измерений для используемой постановки обратной задачи теплообмена), термопар, установленных в датчике нестационарного теплового потока, двух проводников, установленных на нагревательном элементе для измерения напряжения на границах рабочей зоны нагревательного элемента для определения плотности теплового потока на поверхности нагревательного элемента по его электрическим параметрам, защитных теплоизолирующих элементов боковых поверхностей образцов, защитных теплоизолирующих элементов обратных поверхностей образцов, нижнего и верхнего узлов подвеса для фиксации образцов в устройстве и их прижатия к нагревательному элементу.
Недостатками данного устройства являются: необходимость водяного охлаждения прижимных планок нагревательного элемента при высоких температурах, что приводит к увеличению оттока тепла из рабочей зоны нагревательного элемента; значительные термические деформации нагревательного элемента в поперечном направлении, возникающие вблизи прижимных планок в процессе нагрева, что приводит к нарушению теплового контакта между образцами и нагревательным элементом в этой области; жесткая фиксация образцов в узлах подвеса, не позволяющая надежно регулировать усилие и равномерность прижатия образцов к поверхности нагревательного элемента и компенсировать возможную усадку материала образцов в процессе нагрева. Все это приводит к возможному искажению равномерного поля температуры в рабочей зоне нагревательного элемента и, как следствие, к уменьшению точности определения теплофизических характеристик исследуемого материала.
Указанное устройство принято в качестве прототипа.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение точности моделирования равномерного температурного поля в центральной рабочей зоне нагревательного элемента устройства, обеспечивающее реализацию одномерной модели нестационарного прогрева образцов. Техническим результатом является повышение точности определения комплекса теплофизических характеристик исследуемого материала в условиях нестационарного нагрева с использованием методов обратных задач теплообмена в одномерных постановках.
Заявленный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для определения комплекса теплофизических характеристик материалов, включающем: основание, плоский тонкий ленточный электрический нагревательный элемент из термостойкого металла или сплава, установленные на основании и выполняющие роль электрических контактов нагревательного элемента подвижную и неподвижную прижимные планки с электроизолирующими пластинами и креплениями гибких токоподводов, два узла натяжения нагревательного элемента в продольном направлении, два одинаковых плоских образца исследуемого материала, установленные симметрично на верхней и нижней поверхностях нагревательного элемента вплотную к поверхности или с одинаковыми зазорами относительно поверхности нагревательного элемента, управляющую термопару на нагревательном элементе, термопары, установленные на поверхности и внутри образцов, защитные теплоизолирующие элементы обратных поверхностей образцов с установленными в них датчиками нестационарного теплового потока, термопары, установленные в датчиках нестационарного теплового потока, два проводника для измерения напряжения на границах рабочей зоны нагревательного элемента, защитные теплоизолирующие элементы боковых поверхностей образцов, нижний и верхний узлы подвеса образцов, отличающемся тем, что прижимные планки нагревательного элемента выполнены неохлаждаемыми, электроизолирующие пластины прижимных планок изготовлены из высокотемпературной керамики, нагревательный элемент имеет форму с трапециевидными уширениями на краях в области прижимных планок нагревательного элемента, узлы подвеса снабжены пружинными устройствами регулируемого прижатия образцов к нагревательному элементу.
Использование в устройстве при высоких температурах электроизолирующих пластин прижимных планок нагревательного элемента, изготовленных из высокотемпературной керамики, позволяет отказаться от водяного охлаждения планок и, как следствие, существенно снизить отток тепла от нагревательного элемента в продольном направлении, что приводит к повышению равномерности температурного поля в центральной рабочей зоне нагревательного элемента. Использование в устройстве плоского тонкого ленточного электрического нагревательного элемента, имеющего форму с трапециевидными уширениями в зонах его крепления в жестких прижимных планках, позволяет существенно снизить термические деформации нагревательного элемента в поперечном направлении, возникающие вблизи прижимных планок в процессе нагрева и, как следствие значительно улучшить тепловой контакт между образцами и нагревательным элементом, что также способствует формированию равномерного температурного поля в центральной рабочей зоне нагревательного элемента. Использование в устройстве в узлах подвеса образцов пружинных прижимных устройств обеспечивает заданное равномерное регулируемое прижатие образцов к поверхности нагревательного элемента, тем самым уменьшая термическое сопротивление, и обеспечивает компенсацию возможной усадки материала образцов по толщине в процессе нагрева. Проведенные экспериментальные исследования показали, что предлагаемые решения приводят к повышению точности моделирования равномерного температурного поля в центральной рабочей зоне нагревательного элемента устройства, что обеспечивает реализацию одномерной модели нестационарного прогрева исследуемых образцов и, как следствие, обеспечивает повышение точности определения комплекса теплофизических характеристик исследуемого материала в условиях нестационарного нагрева с использованием методов обратных задач теплообмена в одномерных постановках.
Заявленная полезная модель поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 изображен вид спереди предлагаемого устройства для определения комплекса теплофизических характеристик материалов. На фиг. 2 изображен вид сбоку. На фиг. 3 изображен вид сверху (позиции: 10, 13, 14, 16, 18, 23, 24, 30 и 31 условно сняты). На фиг. 4 изображен плоский нагревательный элемент устройства.
Предлагаемое устройство для определения комплекса теплофизических характеристик материалов (фиг. 1-3) состоит из основания 1, на котором установлены подвижная 2 и неподвижная 3 прижимные планки, снабженные электроизолирующими пластинами 4 и 5 из высокотемпературной керамики и винтами 6 крепления гибких токоподводов рабочей камеры испытательного стенда. Прижимные планки 1, 2 выполняют роль электрических контактов плоского тонкого ленточного электрического нагревательного элемента 7 из термостойкого металла (например, тантала при нагреве до температур 1650°С в вакууме или в среде инертных газов) или термостойкого сплава (например, термостойкой нержавеющей стали при испытаниях до 1100°С на воздухе). Нагревательный элемент 7 имеет форму с трапециевидными уширениями на краях в зонах крепления в прижимных планках 2, 3 (фиг. 4). Два узла натяжения 8 и 9 обеспечивают контролируемое натяжение нагревательного элемента 7 и компенсируют его термические деформации в продольном направлении. Два одинаковых плоских образца (верхний 10 и нижний 11) исследуемого материала установлены симметрично на верхней и нижней поверхностях нагревательного элемента вплотную к поверхности или с одинаковыми контролируемыми зазорами (от 0 до 5 мм) относительно поверхности нагревательного элемента 7. Управляющая термопара 12 установлена в центральной части нагревательного элемента 7, ее показания используются в качестве сигнала обратной связи в системе управления нагревом испытательного стенда. Термопара 13 установлена на поверхностях и внутри образцов в их центральной части (в точках измерений, количество и координаты которых соответствуют принятой схеме температурных измерений для используемой постановки обратной задачи теплообмена [Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена. - М.: Машиностроение, 1988, 280 с., О.М. Alifanov, S.A. Budnik, A.V. Nenarokomov, V.V. Mikhaylov and V.M. Ydine, Identification of Thermal Properties of Materials with Applications for Spacecraft Structures. Inverse Problems in Science and Engineering, 2004, vol. 12, pp.771-795, Алифанов O.M., Артюхин E.A., Румянцев С.В. Экстремальные методы решения некорректных задач и их приложения к обратным задачам теплообмена. М.: Наука, 1988, 288 с.]). Два защитных теплоизолирующих элемента 14 и 15 из термостойкой керамической теплоизоляции, установлены на обратных поверхностях образцов 10, 11 (на поверхностях образцов обратных нагреваемым поверхностям) с установленными в них датчиками нестационарных тепловых потоков 16 и 17 (датчики изготовлены из такого же материала, что и защитные теплоизолирующие элементы 14 и 15). Термопары 18 и 19 установлены в датчиках нестационарных тепловых потоков 16, 17. Два проводника 20 и 21 установлены на нагревательном элементе 7 с целью измерения напряжения на границах его центральной рабочей зоны 22 для определения плотности теплового потока на поверхности нагревательного элемента 7 по его электрическим параметрам. Защитные теплоизолирующие элементы 23, 24, 25, 26, 27 и 28 боковых поверхностей образцов 10, 11 выполнены из термостойкой керамической теплоизоляции. Нижний 29 и верхний 30 узлы подвеса обеспечивают фиксацию образцов в устройстве и оборудованы каждый четырьмя пружинными узлами регулируемого прижатия 31, обеспечивающих заданное равномерное регулируемое прижатие образцов 10, 11 к поверхности нагревательного элемента 7 для уменьшения термического сопротивления экспериментальной сборки и компенсации возможной усадки материала образцов в процессе нагрева. Все основные металлические элементы конструкции устройства изготовлены из жаростойкого сплава (например, термостойкой нержавеющей стали). В устройстве используются термопары различного типа, выбор которого зависит от уровня максимальных температур нагрева (например, малоинерционные микротермопары с диаметром проводов 100 мк и менее типа Хромель-Алюмель, Вольфрам-Рений и других). Использование в устройстве тонких (например, с толщиной 100 мк) малоинерционных нагревательных элементов позволяет реализовать нестационарный нагрев поверхности образцов с темпом до 100°С/с при различных законах изменения температуры и плотности теплового потока, соответствующих реальным условиям работы исследуемых материалов.
Устройство работает следующим образом. Собранное и подготовленное устройство устанавливается в газовакуумную рабочую камеру испытательного стенда [Алифанов О.М., Будник С.А., Михайлов В.В., Ненарокомов А.В. Эксперментально-вычислительный комплекс для исследования теплофизических свойств теплотехнических материалов. Космонавтика и ракетостроение, 2006, т.42, №1, с. 126-139]. Прижимные планки 2 и 3 нагревательного элемента 7 с помощью винтовых креплений 6 подключаются к гибким токоподводам рабочей камеры. Управляющая термопара 12 подключается к системе управления нагревом испытательного стенда. Остальные термопары и проводники для измерения напряжения подключаются к измерительным линиям системы измерения испытательного стенда. Проводится вакуумирование рабочей камеры стенда или камера заполняется воздухом или рабочим газом. В соответствии с заданной программой изменения температуры нагревательного элемента (с использованием в качестве сигнала обратной связи показаний управляющей термопары) на нагревательный элемент 7 подается электропитание и производится симметричный нагрев исследуемых образцов 10, 11. В процессе нагрева с помощью приборов системы измерений испытательного стенда с использованием термопар 13 проводятся измерения температур в образцах с использованием термопар 20 и 21 измерения температур в датчиках теплового потока 16 и 17, а также с использованием проводников 20 и 21 проводятся измерения напряжения на границах рабочей зоны 22 нагревательного элемента и измерение силы тока в цепи нагревательного элемента. Результаты измерений фиксируются системой измерений испытательного стенда. Измерения электрических параметров нагревательного элемента в дальнейшем используются для расчета по формулам плотности нестационарного теплового потока на поверхности нагревательного элемента. Результаты измерения температур в датчиках нестационарных тепловых потоков используются для определения плотности тепловых потоков на обратных поверхностях образцов с использованием методов решения граничных обратных задач теплообмена [Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена. - М.: Машиностроение, 1988, 280 с.]. Результаты измерения нестационарных температур в образцах исследуемых материалов и результаты определения плотности тепловых потоков на границах образцов используются для определения комплекса теплофизических характеристик с использованием методов обратных задач теплообмена [Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена. - М.: Машиностроение, 1988, 280 с., О.М. Alifanov, S.A. Budnik, A.V. Nenarokomov, V.V. Mikhaylov and V.M. Ydine, Identification of Thermal Properties of Materials with Applications for Spacecraft Structures. Inverse Problems in Science and Engineering, 2004, vol. 12, pp.771-795, Алифанов O.M., Артюхин Ε.Α., Румянцев СВ. Экстремальные методы решения некорректных задач и их приложения к обратным задачам теплообмена. М.: Наука, 1988, 288 с.].
Предлагаемое устройство может применяться для определения комплекса теплофизических характеристик (коэффициента теплопроводности и теплоемкости) теплотехнических материалов в широком диапазоне температур (в том числе экстремальных) и темпов нагрева по результатам единичного эксперимента при нестационарном нагреве, характерном для конструкций аэрокосмической техники, ядерной энергетики и металлургии.