Теплообмен в испытательных камерах и его особенности

Воздействие повышенной (пониженной) температуры на различные устройства приводит к изменению значений их параметров, рабочих характеристик и в ряде случаев к ограничению работоспособности. Температура изделий зависит от условий окружающей среды и от количества теплоты, выделяемой ими самими. В системе, образованной изделием и окружающей средой, имеет место изменение температуры и возникает теплообмен, являющийся сложным процессом, зависящим от способов переноса теплоты: теплопроводности, конвекции и теплового излучения.

Перенос теплоты осуществляется:

· при непосредственном соприкосновении тел с различной температурой за счет теплопроводности;

· при перемещении термопроводящего вещества (жидкости или газа) в пространстве – за счет конвекции;

· при переносе теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением тепловой энергии в энергию излучения и обратно – за счет теплового излучения.

В реальных условиях указанные явления в обособленном виде встречаются редко, поскольку они протекают одновременно и взаимосвязано.

Обмен теплотой между твердой поверхностью и газом (или жидкостью) происходит за счет теплопроводности и конвекции одновременно; этот процесс называется конвективным теплообменом, или теплоотдачей. Передачу теплоты от нагретого газа (жидкости) к холодному через разделяющую их стенку называют процессом теплопередачи. Распространение теплоты может быть стационарным и нестационарным. При стационарных процессах температурное поле остается постоянным во времени, при нестационарных – температурное поле является функцией времени. Нестационарность тепловых процессов обусловливается изменением теплосодержания (энтальпии) изделия и связана с его прогревом либо охлаждением. Для лучшего понимания физических процессов, происходящих в объектах при воздействии повышенной (пониженной) температуры во время эксплуатации и при испытаниях с помощью испытательного оборудования, кратко проанализируем приведенные выше явления теплообмена.

Обмен теплотой между окружающей средой – газом (воздухом) и твердой поверхностью объекта или стенками испытательной камеры происходит за счет теплопроводности, характеризующейся переносом тепловой энергии путем взаимодействия частиц, находящихся в непосредственном соприкосновении друг с другом и имеющих различную температуру. Распространение теплоты за счет теплопроводности зависит от природы и физического состояния вещества. В чистом виде теплопроводность наблюдается только в твердых телах (лучше всего это заметно в металлах) и определяется законом Фурье

(2.4-8.1.)

где q —тепловой поток, представляющий собой количество теплоты, переданной в единицу времени через единицу поверхности, Вт∙ м^-2; λ – коэффициент теплопроводности, Вт∙ (м∙ К)^-1; – гpaдиент температуры – предел отношения изменения температуры Δ t к расстоянию между изотермами по нормали Δ n (рисунок 2.4-8.1.).

Коэффициент теплопроводности определяется количеством теплоты, проходящим в единицу времени через единицу площади измерительной поверхности при температурном градиенте, равном единице:

(2.4-8.2.)

где Q количество теплоты; F —площадь поверхности теплообмена, м²; τ – время, с; Δ t – разность температур, °С; l – расстояние, на котором определена указанная разность температур, м.

Коэффициент теплопроводности в общем случае зависит от физических свойств вещества (структуры, плотности, влажности, давления и температуры) и его способности проводить тепло. Практически имеются решения задачи определения стационарной теплопроводности только для тел простой формы (пластина - стенка, многослойная стенка, цилиндрическая стенка, однородная шаровая стенка и т д.). Наибольший интерес с точки зрения испытаний и конструирования представляет расчет теплопроводности как плоских стенок испытуемых изделий или камеры, так и приспособлений для установки изделий в камеру, которые во многом определяют тепловой режим испытуемого изделия. Если в стационарном процессе рассмотреть теплопроводность плоской стенки толщиной δ с постоянным коэффициентом теплопроводности λ, то при изменении температуры в направлении t и разности температур t₁ и t₂ (См. рисунок 2.4-8.2.) тепловой поток будет определяться формулой

(2.4-8.3.)

Отношение λ /δ называют тепловой проводимостью стенки, а обратную величину δ /λ – термическим сопротивлением. Так как при распространении теплоты температура в различных точках тела различна, то важно определять λ в конкретных точках. При постоянном значении х температура однородной стенки изменяется по линейному закону:

(2.4-8.4.)

Вследствие зависимости коэффициента теплопроводности от температуры λ =f(t) величина λ оказывается переменной. Для большинства материалов зависимость λ =f(t) имеет линейный характер вида:

(2.4-8.5.)

где λ ₀ - коэффициент теплопроводности при t₀; b – постоянная, определенная опытным путем.

После ряда преобразований получим уравнение изменения температуры в стенке в зависимости от ее толщины х (т. н. температурная кривая):

(2.4-8.6.)

Характеристика изменения температуры в стенке зависит от знака коэффициента b . Так как стенки камер и кожухов изделий, как правило, имеют покрытия, то их следует рассматривать как многослойные, и тогда изменение температуры в такой стенке будет представлено ломаной линией.

При испытании теплопроводящих или теплорассеивающих изделий необходимо ввести в рассмотрение понятие мощности q_v внутренних источников теплоты. Величина q_v, определяет количество теплоты, выделяемое единицей объема тела в единицу времени. Очевидно, что в этом случае процесс нагрева изделия еще более усложнится и выразить его аналитически окажется чрезвычайно трудно. Идеализированные условия распространения теплоты характеризуются постоянством температурного поля ( стационарный процесс ). В реальных же условиях и при испытаниях температура изменяется во времени как в непрерывном режиме, так и в пределах одного цикла в циклическом режиме, т. е. имеет место нестационарный процесс.

Важный элементом обеспечения теплообмена при испытаниях является учет требований к теплопроводности монтажных приспособлений и соединений, используемых при установке изделий в камеру. Эти требования зависят в основном от двух причин, являются ли испытуемые изделия тепловыделяющими (теплорассеивающими) или нет, и проводятся ли испытания на воздействие сухого тепла или холода.

При испытании тепловыделяющих изделий на воздействие сухого тепла наилучшими считаются монтажные приспособления и соединения, обеспечивающие максимальную передачу и отвод теплоты от изделия за счет их высокой теплопроводимости.

При испытании нетепловыделяющих изделий на воздействие сухого тепла наилучшими считаются монтажные приспособления и соединения с низкой теплопроводностью, обеспечивающие длительное время их нагрева и соответственно замедление переноса тепла от стенок камеры к испытуемому изделию.

При испытании тeпловыделяющих и нетепловыделяющих изделий на воздействие холода наилучшими считаются монтажные приспособления и соединения с низкой теплопроводностью, обеспечивающие наименее интенсивный перенос тепла от испытуемого изделия к стенкам камеры.

Во всех указанных случаях желательно обеспечение равномерного теплового состояния изделия, зависящего не только от теплопроводности, но и от конвекции, которая проявляется в перемещении частиц воздуха (газа), находящегося в объеме испытательной камеры, и теплоносителя (жидкости), обеспечивающего нагрев (либо охлаждение) камеры. Таким образом, к причинам нестационарности температуры в камере можно отнести тепловой обмен за счет теплопроводности и конвекции.

Различают естественную (свободную) и вынужденную конвекцию. Причиной естественной (свободной) конвекции является неодинаковая плотность среды, вызванная разностью температур, которая приводит к движению теплоносителя (потоков воздуха или другого газа в камере или жидкости, используемой для нагрева или охлаждения камеры). Процесс свободной конвекции возникает вследствие различия плотностей нагретых и холодных частиц теплоносителя. Для большинства теплоносителей в рассматриваемом интервале температур зависимость плотности от температуры с достаточным приближением можно представить как линейную. Так как в процессе теплообмена при нагреве (охлаждении) температура теплоносителя изменяется, а одновременно изменяются и его физические свойства), то только знание температуры не позволяет во всех случаях автоматически учитывать зависимость теплоотдачи от изменения физических свойств. Вследствие этого в ряде случаев целесообразно учитывать влияние изменения физических свойств теплоносителя введением дополнительных поправок. Интенсивность конвективного теплообмена определяется по формуле Ньютона – Рихмана, согласно которой тепловой поток Q пропорционален площади поверхности теплообмена F и разности температур стенки и теплоносителя ( t_c—t_т, ).

(2.4-8.7.)

где α – коэффициент теплоотдачи, показывающий, какое количество теплоты отдается в единицу времени единицей поверхности при разности температур между поверхностью стенки и теплоносителем, равной одному градусу.

Причиной вынужденной конвекции в камере является принудительная циркуляция воздуха. Процессы теплообмена при вынужденном движении теплоносителя и при свободной конвекции протекают по-разному. При вынужденной конвекции теплообмен внутри камеры зависит от его геометрических размеров и формы, от конфигурации изделий, от направления и скорости движения воздуха (теплоносителя). Существенное влияние на теплообмен оказывает состояние испытуемого изделия. Нетепловыделяющие изделия характеризуются тем, что при постоянной и равномерно распределенной температуре окружающей среды, когда ее значение выше температуры внутри изделия, тепловой поток устремляется из окружающей среды внутрь изделия, а когда ниже – в обратном направлении. Этот процесс будет продолжаться до наступления теплового равновесия между изделием и окружающей средой.

Тепловыделяющие изделия характеризуются тем, что внутри них выделяется тепловая энергия и тепловой поток направлен от изделия в окружающую среду, в результате чего изделие охлаждается. Повышение температуры изделия будет иметь место только при возрастании температуры окружающей среды.

При испытаниях тепловыделяющих изделий в камерах значительную часть их общего теплообмена составляет вынужденная конвекция, существенно зависящая от скорости циркуляции воздуха. Чем больше скорость воздуха, тем эффективнее теплоотдача изделия. Следовательно, при одной и той же температуре окружающей среды температура поверхности изделия будет понижаться с увеличением скорости обтекающего его воздуха. От скорости циркуляции воздуха вокруг изделия зависит коэффициент теплопередачи λ (v). В таких условиях коэффициент теплопередачи, Вт/(м² *градус), согласно эмпирической формуле

(2.4-8.8.)

где а ~10; v - скорость воздуха, м∙ с^–1.

Экспериментальные данные показывают, что целесообразно выполнение условия

(2.4-8.9.)

При малой скорости воздуха (что обычно соответствует условиям испытаний) b~3, с возрастанием скорости воздуха значение b увеличивается и при v~3м ∙ с^–1, b =8. Если v =0, 3м∙ с^–1, погрешность при определении температуры испытуемого изделия не превышает 10%. Существенное влияние на теплообмен оказывает площадь поверхности изделия, перпендикулярная воздушному потоку (рисунок 2.4-8.3.). Таким образом, температура поверхности испытуемого изделия при одной и той же температуре окружающей среды определяется выражением

(2.4-8.10.)

где Р - количество тепла, переносимого в единицу времени, Вт; F – эффективная площадь тепловыделения, м².

Процесс теплоотдачи является сложным процессом, а коэффициент теплоотдачи является сложной функцией различных величин, характеризующих этот процесс. Очевидно, что коэффициент теплоотдачи α, в частности, определяется теплоносителем, от свойств которого зависит теплоотдача. В общем случае коэффициент теплоотдачи является функцией формы Ф и размеров l_1, l₂…l_i камеры, температуры t_с поверхности нагрева, скорости v движения окружающей среды (теплоносителя) и ее температуры t_т, а также ряда ее физических свойств, зависящих в свою очередь от температуры и иногда от давления:

(2.4-8.11.)

где С_р - удельная теплоемкость, ρ плотность вещества, μ – коэффициент вязкости, а=α /Ср коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость изменения температуры в теле.

В реальных условиях одновременно существуют вынужденная и свободная конвекции. Относительное влияние свободной конвекции зависит от объема пространства, напряженности гравитационного поля, разности температур в различных точках пространства и скорости принудительной циркуляции воздуха.

В результате распределение температуры по поверхности изделия и внутри него оказывается зависящим от скорости циркуляции воздуха, направления воздушного потока и формы изделия.

При использовании для испытаний камер с принудительной циркуляцией между входящим в камеру воздухом и выходящим из нее имеется следующий градиент температуры

(2.4-8.12.)

где Р количество тепла, переносимого в единицу времени; С_Р удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, G – масса входящего или выходящего воздуха в единицу времени, кг/с, S - площадь поперечного сечения камеры, f – плотность воздуха (1, 29 кг∙ м^–3).

Согласно этой формуле градиент температуры камеры в форме куба со стороной 0, 5 м при скорости воздушного потока в ней 0, 3 м/с и мощности рассеяния 100 Вт

Приведенные формулы и пример показывают, что создание камеры, позволяющей воспроизвести реальные условия эксплуатации, весьма затруднительно, так как между температурой поверхности изделия и распределением температуры в камере так же, как между скоростью воздушного потока и его направлением, нет простой зависимости. Сравнение результатов лабораторных и эксплуатационных испытаний возможно только при создании в камере так называемых «условий свободного обмена воздуха», когда на движение воздуха в камере оказывает влияние только теплота тепловыделяющего изделия и вся выделяющаяся им энергия поглощается в окружающем пространстве. Обеспечение указанных условий в процессе проведения лабораторных испытаний практически не выполнимо, поэтому возникает задача экспериментального определения влияния размеров камеры на температуру поверхности изделия в отсутствие принудительной циркуляции.

Тепловой режим испытуемого изделия зависит не только от теплопроводности и конвекции, но и от инфракрасного излучения, представляющего собой поток электромагнитных волн, который зависит от температуры и оптических свойств тела. Электромагнитные волны инфракрасного диапазона (0, 76 …750 мкм) характеризуются прямолинейным распространением, свойствами преломления и поляризации. При воздействии инфракрасной энергии на другие тела она частично поглощается, частично отражается, а частично проходит сквозь них. Поглощенная часть энергии излучения превращается в тепловую; отраженная и прошедшая сквозь тела – попадает на другие тела и поглощается ими.

Таким образом, каждое тело непрерывно излучает и поглощает энергию излучения, в результате чего имеет место двойное взаимное превращение энергии (тепловая – излучения – тепловая), т. е. осуществляется процесс теплообмена за счет излучения.

Этот процесс зависит от температуры тел. Если температура тел, участвующих во взаимном обмене энергии излучения, различна, то соответственно имеет место разность между количествами излучаемой и поглощаемой энергиями. При равенстве температур тел система находится в подвижном тепловом, или термодинамическом, равновесии, и все входящие в нее тела излучают и поглощают энергию излучения. При этом приход тепла равняется его расходу.

Лучистый теплообмен между испытуемым изделием и стенками испытательной камеры зависит от излучательной и поглощательной способности изделий и стенок камеры, а также от того, являются ли испытуемые изделия тепловыделяющими или нетепловыделяющими. В связи с этим для оценки поведения испытуемых изделий (особенно тепловыделяющих) необходимо знать излучательную и поглощательную способности поверхностей, участвующих в теплообмене.

Известно, что энергия Е, излучаемая телом в полусферу с единицы поверхности реального тела при определенной температуре, связана с соответствующей энергией излучения черного тела

(2.4-8.13.)

(закон Стефана – Больцмана) при той же температуре следующим выражением

(2.4-8.14.)

где с - коэффициент излучения, зависящий от свойств тела, состояния его поверхности и температуры ( с =0…5, 67); σ – постоянная Стефана-Больцмана, равная 5, 67∙ 10^–8 Вт/(м²∙ К²); Т – температура, К.

В технических расчетах пользуются несколько иной записью:

(2.4-8.15.)

где ε = С/С₀ - степень черноты; Е₀ - энергия излучения черного тела; С₀= σ ₀ ∙ 10⁸ = 5, 67 Вт/(м²∙ К⁴) — коэффициент излучения черного тела.

Значение ε изменяется в диапазоне 0...1 в зависимости от свойств материалов. Степень черноты ε характеризует полное или интегральное излучение тела, охватывающее все длины волн. Однако в ряде случаев бывает необходимо знать закон распределения энергии излучения по длинам волн при различных температурах E_λ =f(λ, Т).

Величина E_λ называется спектральной плотностью потока излучения. Она характеризуется отношением плотности потока излучения dE к рассматриваемому диапазону длин волн dλ.

(2.4-8.16.)

Распределение энергии излучения в спектре абсолютно черного тела при температуре Т характеризуется соответствующей спектральной плотностью потока излучения

(2.4-8.17.)

где C₁ =3, 74∙ 10^–16Вт∙ м² и С₂ =1, 44∙ 10^–2 м - постоянные излучения.

При спектральном анализе распределения излучения следует пользоваться спектральной степенью черноты

(2.4-8.18.)

Из графика (рисунок. 2.4-8.4.) следует, что с увеличением Т изменяется положение максимума спектральной плотности потока излучения.

Оно смещается в сто

рону все более коротких длин волн и достигает максимума в области инфракрасного излучения ( λ = 0, 78…3, 0 мкм) При этом энергия видимого излучения ( λ = 0, 4…0, 8 мкм) оказывается весьма незначительной. Следовательно, при повышении температуры в технических устройствах основное излучение имеет место в инфракрасном диапазоне волн. Закон Вина устанавливает связь между Т и λ _max.

. (2.4-8.19.)

Если для реальных технических изделий спектр излучения непрерывен и кривая E_λ =f(λ ) подобна соответствующей кривой для абсолютно черного тела при той же температуре и если для всех длин волн E_λ /E_0λ =const, то это излучение называют серым.

При фиксированной температуре величина ε _λ , в общем случае зависит от длины волны λ (она может изменяться в диапазоне 0...1). Для серого излучения, согласно определению, спектральная степень черноты есть постоянное число.

Зная законы излучения, поглощения и отражения, а также зависимость излучения от направления, можно вывести расчетные формулы для теплообмена за счет излучения между непрозрачными телами. При этом необходимо учитывать форму и размеры поверхностей тел, их взаимное расположение, расстояние между ними, качество поверхности и их степени черноты. Теплообмен, обусловленный излучением, является сложным процессом многократных затухающих поглощений и отражений.

Если допустить, что отражение диффузное и применить закон Ламберта, можно определить значение теплоизлучения Q₁₂ между двумя серыми поверхностями в замкнутом пространстве, когда одна из них охватывает другую и на первую поверхность F₁ попадает лишь часть энергии, излучаемой второй поверхностью F₂, а остальное количество энергии проходит мимо и снова попадает на вторую поверхность (рисунок 2.4-8.5.). Это теплоизлучение определяется формулой

(2.4-8.20.)

где T₁, T₂ - температуры поверхностей F₁ и F₂

- (2.4-8.21.)

коэффициент приведенной степени черноты системы тел, между которыми происходит процесс лучистого теплообмена. Он может изменяться в диапазоне 0…1. Значение ε _п зависит от конфигурации участвующих в теплообмене поверхностей, от коэффициента ε ₁, излучения изделия и коэффициента ε ₂ поглощения стенок камеры.

Приведенные формулы применимы для тел любой формы при условии, что меньшее из них должно быть выпуклым.

Теплообмен в процессе испытаний изделий в закрытой испытательной камере можно рассматривать как теплообмен между указанными выше телами. Тогда под F₁, F₂, ε ₁, и ε ₂; будем понимать – F₂ площадь поверхности стенок камеры, м², F₁ – площадь поверхности изделия, м², ε ₁ – коэффициент поглощения стенок камеры, ε ₂ – коэффициент излучения изделия.

Из сказанного следует, что чем меньше площадь поверхности изделия F₁ по сравнению с площадью поверхности стенок камеры F₂, тем меньше будет влияние коэффициента поглощения ε ₂ стенок камеры на коэффициент теплообмена ε _п.

Количество тепловой энергии Q, переносимой посредством излучения от изделия в испытательной камере к ее стенкам, определяется по формуле

. (2.4-8.22.)

где σ – постоянная Стефана Больцмана.

Для камеры со свободным обменом воздуха, т. е. для камеры с неограниченным объемом, когда F₂.> > F₁, а также для камеры с термически черными стенками ( ε ₂=1 ) независимо от ее размеров справедлива формула

(2.4-8.23.)

Упростив и преобразовав приведенную формулу, можно получить

. (2.4-8.24.)

Данное выражение показывает зависимость рассеянной теплоты Q от температуры поверхности изделия ( Т₁ ) и стенок камеры ( Т₂ ). При этом необходимо учитывать, что повышение температуры в камере зависит от коэффициента излучения, определяемого теплорассеиванием термически белых или термически черных изделий. Пользуясь графиком (рисунок 2.4-8.6.), можно определить влияние коэффициента излучения на увеличение теплорассеяния изделием при повышении температуры сверх имеющихся 70°С в камере с термически черными стенками.

На основании изложенного можно построить график зависимости отношения площадей стенок камеры ( F₂ ) и изделия ( F₁ ) от коэффициента ε ₂ поглощения стенок камеры (рисунок 2.4-8.7.). Данный график позволяет по известному коэффициенту поглощения стенок камеры ( ε = ε ₂ ) определить минимально допустимую площадь F₂; поверхности стенок камеры при известной площади F₁ поверхности изделия с любым коэффициентом излучения.

Приведенные выше соображения показывают, что теплообмен за счет излучения в камере зависит от свойств ее стенок. Если изделие и стенки камеры термически черные, то теплообмен изделия со средой внутри камеры за счет теплового излучения может составить половину общего теплообмена. Следовательно, результат испытаний будет зависеть от того, в какой камере (термически белой или термически черной) подвергается тепловыделяющее изделие воздействию определенной температуры окружающей среды. В реальных условиях большая часть изделий работает в среде, которая по своим характеристикам ближе к термически черной, чем к термически белой и имеет относительно высокий коэффициент поглощения. В связи с этим стенки камер можно считать термически черными, тем более что обеспечить сохранность стенок в течение длительного времени термически белыми, с неизменным коэффициентом излучения затруднительно. Если предположить, что температура стенок камеры изменяется в пределах 3% заданной температуры испытаний, а коэффициент поглощения изменяется от 0, 7 до 1, то в результате изменение температуры поверхности изделия не превысит 3К.

Поскольку мощность теплового излучения пропорциональна разности четвертых степеней температур поверхности изделия и стенки камеры, то тепловое излучение менее значительно при относительно низких температурах, что позволяет не предъявлять жестких требований к термическому цвету и температуре стенок при испытаниях на воздействие низких температур. При испытаниях на воздействие повышенной температуры желательно получать высокую температуру в объеме камеры.

Известно, что для обеспечения поглощения и отражения теплового излучения большое значение имеет состояние поверхности, поэтому, если приходится пренебрегать выполнением условия свободного обмена воздуха в неограниченном пространстве, необходимо предусматривать принудительную циркуляцию воздуха в камерах и делать их поверхность из полированной коррозионно-стойкой стали.

Эти меры особенно целесообразны в комбинированных камерах, предназначенных для испытаний на воздействие влажного тепла.

Пример. Поскольку в реальных условиях теплообмен в камере обеспечивается излучением и конвекцией, то оценим, к чему приводит их совместное воздействие на изделие.

Предположим, что стенки камеры имеют температуру, равную температуре воздуха в камере, тогда

где α – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт·м^–2 К^–1. Значение α зависит от разности T₁ – T₂ и среднего размера а изделия.

Для условий свободного обмена воздуха и для термически черных стенок в упрощенном виде можно записать

.

Эту формулу перепишем следующим образом:

Введя новые переменные, получим –

Проведение испытаний в камерах, обеспечивающих создание условий свободного обмена воздуха, является предпочтительным. Однако даже в очень больших камерах циркуляция воздуха и распределение температуры вокруг изделия не будут точно такими же, как в реальных условиях свободного обмена воздуха. В связи с этим возникает необходимость создания камер с принудительной циркуляцией воздуха для осуществления равномерного нагрева (охлаждения) при испытании крупногабаритных изделий или при одновременном испытании большого числа изделий. Кроме того, применение принудительной циркуляции воздуха оказывается целесообразным в камерах малых объемов, поскольку в противном случае равномерность нагрева в них не обеспечивается. Таким образом, наличие циркуляции воздуха в камере предотвращает перегрев изделий. Однако скорость воздушного потока не должна быть большой, чтобы изделие не охлаждалось. Установлено, что скорость воздушного потока, равная 0, 5 м/с, является практически достаточной. Для уменьшения влияния конвекции на однородность воздушного потока целесообразно направлять поток вертикально вверх.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: