Способ определения интегральной излучательной способности поверхности материалов

(5 ГОСУДАРСТБЕННЫИГ 10 ИЗОБРЕГЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР МИТЕТОТКРЫТИЯМ АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ(57) Изобрете ским исследо изобретения охлаждении ( ледуемых обр но отличающ ной способно вой и постоян ние относ ваниям ма заключает нагреве) д азцов в э ейся межд стью при ной их те ится к теплофизичетериалов. Сущность ся в параллельном вух идентичных исскранах с известной, у собой излучатель- заданной одинакомпературе, 2 ил,Ъ- ТИ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Всесоюзный заочный институт инжров железнодорожного транспорта(56) Авторское свидетельство СССРМ 550555, кл. О 01 М 25/00, 1975.Авторское свидетельство СССРМ 1592737, кл, 6 01 3 5/02, 1989.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛНОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЪНОЙ СПОСОБНОПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ Изобретение относится к теплофизическим 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 катаром 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 измеряютих температуру ИНедостатками этого способа являются необходимость проведения предварительной операции по нанесению на исследуемые образцы эталонных покрытий и высокие требования к термостойкасти и однозначности их излучательных характеристик, Последнее трудновыполнимо, особенна 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 Р 1Указанный способ (прототип), как и другие, связанные с использованием для сравнения поверхностей нагреваемых и ахлаждаемых совместно с исследуемыми образцами известных тел (эталонов), имеет следующие основные недостатки,1, Принципиально ошибочно предположение, что излучательная характеристика поверхности исследуемого образца Р(т) после первого и повторного нагревов одинаковы, Для всех известных материалов зависимость излучательной способности от температуры не сохраняется однозначной при нагревах особенно применительно к высокатемпературным исследованиям. Это исключает возможность использования вповторном 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 конвективнага и кондуктивного тепловых потоков.4, Расчетная формула для определения искомой излучательнай 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 нагрева емых эталонов, постоянство температуры экранных поверхностей, обеспечение полной одинаковости граничных условий в сравниваемых процессах и исключение повторных нагревов образцов, что особенно вакна при исследовании материалов, чьи излучательные свойства необратима 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 жиДкастью пРи Ро = сапвт), в которых охлаждаются (фиг,1). Излучательные способности поверхностей каждого из экра- НОВ Е,1 ИЕэ 2 ПРИтЕМПЕРатУРЕтоПРЕДПО- лагаются известными.В процессе охлаждения измеряют время с начала охлаждения температуры поверхностей образцов 1 и т 2 и температуры внутри образцов на одинаковой глубине 71 ит 2 (Указанная глубина берется исходя изформы образца чтобы измеряемая температура была близка к среднеинтегральной по5 объему). Для термически тонких образцов(8 0,1) Г:т.Температуры т 1 (к), т 2 (т), О (г) иБ (х) фиксируются во времени самопишущими или цифровыми приборами (фиг.2),10 Время начала охлаждения каждого образцаможет и не совпадать,Для любого одинакового значения температуры 1 поверхностей охлаждаемых образцов справедливы следующие уравнения:15- 6 с =еп 1 Со 0011+273)бЪ4бх- (0,01 то+2,73) ) Е+Ок 1 (1)20- 6 с = е и 2 Сс( 0,01 т + 2,73 )б 124бГ- ( 0,01 1 о + 2,73 ) ) Е + О к 2 (2) Здесь 6 - масса образца, кг;с - приведенная массовая теплоемкостьобразца, Дк/кг, К;Со = 5,67 Вт/м К - коэффициент излучения абсолютно черного тела;30 ь - температура поверхности экранов,Е - площадь теплаатдающей поверхности образцов, м;2,Ок 1 и Ок 2 - конвективные и кондуктив 35 ные тепловые потоки ат образцов к экранам, Вт;Приведенные излучательные способности первой и второй системы(Еп 1 ИЕп 2 ) ВЫРажаЮтСЯ фОРМУЛаМИ:40 1 1 ЕЕп 1 =14 - +( - 1) - 1Еэ 1 Еэгде е- искомая излучательная способностьповерхности исследуемого материала (образца);45-- отношение площадей паверхноЕэстей охлаждения (нагрева) образца и экрана;Так как геометрические и другие крае 50 вые условия обеспечиваются полностьюодинаковыми для обеих образцов, то канвективно-кондуктивные составляющих потоков Ок 1 и Ок 2 в уравнениях (1) и (2) будутодинаковы прис = бее. Следовательно, раз 55 ность полных тепловых потоков можно выразить следующим уравнением в конечныхразностях:(0,011 о+2,73) )Г=бс( Л. Л., ) где - , - --- интенсивность изменет 1Ьтгния температур образцов во времени в интервалах, соответствующих одинаковым температурам их поверхности:Выражая массу образца через его объем (геометрические размеры) и плотность р, получим из уравйения (5) с учетом выражений (3) и (4) следующую формулу для определения искомой излучательной способности исследуемой поверхности;я =1/( югю (а .аг) +(а 2 - а ) А -- а 1 аг 3 - 0,5 (а 1+ аг)гдеа 1 =( -- 1) - ,аг =( - 1) - ;1 Г, 1 Г,Еэ 1 Рэ Еэ 2 ЕзА = 5,67( 0,01 1 + 2,73 ) - ( 0,01 то + 2,73 ) )4// гпрс (Л 11 Л ю 1 - Лтг/Лтгв = д /2 - для пластины толщиной д, м; 30в = д - для полого цилиндра (трубки) толщиной стенки, м;в = 074 - для сплошного цилиндра диаметром О, м;р, с - приведенные плотность, кгlм и 353 массовая теплоемкость, Дж/кг К, образцов,Особый интерес представляет возможность определения иэлучательной способности материалов, для которых теплоемкость и плотность неизвестны, 40 Предлагаемый метод решает и эту задачу, если провести предварительный тарировочный опыт с таким же образцом из материала известных физических свойств (эталоном), с целью нахождения конвективно-кондуктив ной составляющей теплового потока Ок(1), которая при одинаковых краевых условиях в данной установке будет однозначна. Зависимость величины Ок от температуры поверхности 1 может быть найдена из уравнения; 50-ОэтСзт ( - ) з т = Е зт 1 Ь + Ок (7)С 1с 1 югде Озт и Сзт - масса и приведенная массовая теплоемкость эталона, кг, Дж/кг К;Езт 1 = 1/( + а 1) - ПРИВЕДЕННаЯ1Еэтиэлучательная способность системы (эта- . лон-первый экран);(Я)Переходя к конечным разностям температур с учетом зависимостей (12) и (13), получим после несложных преобразований следующую р;счетную формулу для определения искомой излучательной способности поверхности исследуемых образцов:а 2 )ф где В = - + 31 +э 2ЬОкОк=бзтСзт(Лт 1/Лт 1) зт - Езт 1 Ь,), Вт Формула (9) не содержит величин, отражающих физические свойства исследуемого материала (плотность, теплоемкость), что является существенным преимуществом этого метода перед известными методами нестационарного теплового режима.С целью оценки степени необратимых изменений излучательных характеристик поверхности с ростом температуры, используют в качестве измерительного процесса первичный нагрев исследуемых образцов в экранах путем обогрева их насыщенным паром, высококипящей жидкостью или электрическим регулируемым подводом теплоты ПРИ 10 = СОПЭ 1,Формула изобретения Способ определения интегральной излучательной способности поверхности материалов, состоящий в нагреве образцов исследуемого материала одной формы и размеров до заданной температуры, последующем охлаждении их в экранах, определении температур в процессе нагрева и охлаждения в характерных сечениях и оас-. чете интегральной степени черноты на осно- вании измеренных значений температуры и излучательной способности эталонных поверхностей, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения производительности и точности измерения при исследовании материалов, чьи излучательные свойства необратимо изменяются в процессе нагрева, производят параллельное охлаждение двух образцов в геометрически одинаковых экранах-термостатах с разной известной иэлучательной способностью, при этом величину я для ма ериалов с известной плотностью и теплоемкостью вычисляют по формуле:, Еэ 2 - ИНтЕГРаЛЬНЫЕ ИЗЛУЧатЕЛЬобности поверхностей экранов приной температуре то;отношение плаща а 2) Еэ 1ыеспосостоян1 ого цилиндра Еэт веденная истемы эт ласс Р вая теизлучательнаэталона;7 Ц 0,01 т + 2,73) особность по 01 то+ 2,73 ЦР. а =1/0,25 (а 1+ аг ) + (аа - а 1) А -- ааа) -05(а +аа1/2 а 1 =( - 1) - ; а 2 =(- -- 1) - ; 1 Е, 1 Р, Еэ 1 (э Еэ 2 Гэ- приведенные плотност оемкость образцов; Л 11 Л т 2-., ---- интенсивность изменеЪт 1т 2ния температуры образцов во времени в интервалах, соответствующих одинаковым температурам их поверхности, а для материалов с неизвестной плотностью и тепло- емкостью вычисляют величины е по формуле е =1/ 10,25 В 2+2 2т 1 Л 1 конвективно-кондуктивная состав- теплового потока, определенная оведения тарировочного опыта с м известных физических свойств м) по уравнению теплового баланса эт( Л т 1/Л Т 1 ) эт Е эт 1 Ь, - масса и приведенная м ость эталона,излучате лон-экраЕэт верхносЬ=5177419 Л Составитель К, Аксе Техред М.Моргентал Милюков Корректор Редактор Б. Фед Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 3920 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5