Страница 5: ГОСТ 28236-89. Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов часть 3 дополнительная информация раздел 1 испытания на холод и сухое тепло (77364)

Способы, основанные на использовании чашечных анемометров и термо­метра Ката, приемлемы только для больших камер (например, таких, в ко­торые может войти человек), тогда как способы, основанные на использовании термоанемометров, приемлемы для малых камер.

Другие способы, пригодные для измерения скорости воздуха в климати­ческих камерах, описаны в популярной литературе.ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИЗЛУЧЕНИЯ И ЛУЧЕПОГЛОЩЕНИЯ

1. Введение

Как уже упоминалось в приложении С, теплообмен лучеиспусканием меж­ду двумя телами, имеющими разные температуры поверхности, например, меж­ду испытуемым образцом и стенками испытательной камеры, зависит от излу­чательной способности образца и лучепоглощательной способности стенок ка­меры. Поэтому для того, чтобы иметь возможность сделать вывод относитель­но поведения образцов в условиях эксплуатации на основании результатов испытания, необходимо знать излучательную и лучепоглощательную способность поверхностей, участвующих в теплообмене лучеиспусканием. Особенно это важ­но для теплорассеивающих образцов.

В настоящем приложении рассматриваются, главным образом, методы оп­ределения излучательной и лучепоглощательной способности, обеспечивающие достаточную точность и имеющие практическое значение для климатических испытаний, а также требующие сравнительно небольшого количества обору­дования и малых затрат времени. Точные измерения, такие, как определение излучательной и лучепоглощательной способности в камерах, имитирующих условия в космическом пространстве, требуют применения более дорогостоя­щих методов. Если имеет место солнечная радиация, то необходимо принимать во внимание различие спектров падающих и уходящих волн и, следовательно, степень поглощения солнечной радиации. Относительно данных методов долж­ны быть сделаны ссылки на соответствующую литературу.

2. Теория излучения

Приведенная ниже теория излучения относится к методам определения коэффициента излучения и лучепоглощения, изложенным в п. 4.

Мощность излучения М, излучаемая в полусферу с единицы поверхности реального тела при определенной температуре, связана с соответствующей мощ­ностью излучения черного тела М_в при той же температуре следующим выра­жением

М гМ_л.

М_в— определяется по закону Стефана-Больцмана

М^-аТ*, (14)

где Т — температура, К;

о — постоянная Стефана-Больцмана

а= 5,67-10~⁸ Вт ■ м^-2-К^-4;

е - интегральный коэффициент полусферического излучения.

Распределение энергии излучения в спектре абсолютно черного тела при температуре Т определяется по формуле Планка, а длина волны Х_маКс макси­мальной интенсивности излучения — по закону смещения (Вина)

Х._чакс7’-=2,89-10~³м-К. (15)

На практике равенство (14) обычно применяется в таком виде

где C_s= 5,67 Вт • м~² • К^-4 = 20,4 кДж■ м-²-/г-> • К^-4, где h — время, ч.

Для реального тела имеем следующее выражение

Т

(16)

I = еС J ' I . loo } Ч loo )

Для теплообмена излучением между двумя телами при температурах Ті и Т₂ поток тепла на единицу поверхности Qi₂ определяется по формуле

„ (/ T, V / Г» V)

Q1, = еі,б — — . (17)

^{12 12} юо / loo / J ^}

Величина 812 коэффициента лучистого теплообмена зависит от конфигура­ции участвующих в теплообмене поверхностей, от коэффициента излучения об­разца 8₂ И коэффициента лучепоглощения 81 стенок камеры.

Рассмотрим формулу коэффициента лучквтого теплообмена двух концент­рических сфер, расположенных одна в другой, или двух бесконечно длинных цилиндров, расположенных аналогичным образом, характеризующих случай, часто встречающийся при испытаниях на воздействие внешних факторов, когда испытанию в закрытой испытательной камере подвергается трехмерный обра­зец. Допуская диффузное отражение и применимость закона Ламберта, получим

8

(18)

^Аг I ^Ег „
. І ^Є2

А ^fi

где — площади рассматриваемых поверхностей. На практике это озна­чает, что чем меньше площадь поверхности (образца) Л₂ по сравнению с пло­щадью поверхности (стенок камеры) .4_Ь тем меньше будет влияние коэффи­циента лучепоглощения Єї стенок камеры на величину коэффициента лучистого теплообмена 812-

3. Практическое применение теории излучения

   1. Величина ошибки

Логарифмическое дифференцирование равенства (16) дает

d'Af de dT

И——. (19)

М е Г

'Точность определения e выражается ошибкой измерений Т и М. Так как в обычных условиях испытаний (исключая имитацию условий космического пространства) Т находится в пределах от 200 до 400 К, ошибка в измерении температуры, например, при измерении температуры 200 К, равная 0,25 К, приведет к общей ошибке в 0,5%. При теплообмене излучением ошибки изме­рений двух температур имеют большое значение, т. е. необходимо точное из­мерение разности обеих температур (Д—Г₂) и одной из двух температур Т, или Ті.

В величины М и Q входит электрическая мощность, которая рассеивается в образце и отводится через его поверхность. Эта мощность становится равной мощности излучения только в том случае, когда теплопередача конвекцией ста­новится равной нулю (т. е. только при барометрических давлениях ниже ве­личины, лежащей около 0,01 Н • м^-2 в случае отсутствия отвода тепла через монтажные приспособления).

На рис. 12 приведены длины волн Л_макс для различных температур, выра­женных в Кельвинах, при которых согласно закону смещения (Вина) (урав­нение (15) интенсивность теплового излучения достигает максимума. В пре­делах температурного диапазона, представляющего особый интерес для кли-

Рис. 13

Л максмагических испытаний, Х_макс в большинстве случаев находится в дальней ин­фракрасной области спектра.

Если формулу Планка в приведенном виде проинтегрировать в пределах от 0 до X и взять отношение величины М_й... X к суммарной мощности излу­чения M_s при той же температуре Т, то получим приведенную на рис. 13 зави­симость этого отношения от величин ХГ и Х/Хмакс соответственно.

Отсюда следует, что доля мощности излучения в диапазоне от 0 до Хца_Кв составляет только 25% суммарной мощности излучения, поскольку 72% мощ­ности излучается в диапазоне от 0 до 2Х_маКс, а 88% суммарной мощности из­лучения — в диапазоне от 0 до 3 Хмакс. Таким образом, для измерения излу­чения в пределах вышеупомянутого диапазона температур требуются детекто­ры излучения, которые сохраняют чувствительность в дальней инфракрасной области спектра. Для оптической системы таких устройств можно использо­вать, например, материал KPS 5 (44% Т1Вг ,и 56% T1J) с предельной длиной волны около 45 мкм

Значения удельной суммарной мощности излучения, полученные для ряда температур Т по закону Стефана-Больцмана (уравнение (14), приведены в табл. 3. Уровни минимальной мощности излучения, которые могут быть изме­рены имеющимися в настоящее время детекторами, лежат в пределах от ГО^-10 до 10~⁸ Вт. При сравнении измеряемых уровней мощности излучения с данными, приведенными в табл. 3, следует обратить внимание на то, что по­верхность, с которой улавливается излучение, и детектор образуют телесный угол, представляющий сравнительно малую часть полусферы. Поэтому в этом случае измеряется коэффициент излучения, перпендикулярного к поверхности

Єп •

Таблица 3

Полусферическое суммарное излучение для различных температур

условиям внешней среды. Эффективная лучепоглощательная способность сте­нок камеры в таком случае может быть определена путем вычислений на основе данных, полученных при измерениях. Этот метод применяется только тогда, когда разность температур стенок камеры невелика (т. е. находится в пределах, предписанных для испытаний на сухое тепло).

Для этого метода можно с успехом применять детекторы излучения с до­полнительными делениями, полученными в результате калибровки по коэффи­циенту излучения е, что дает возможность проводить сравнительные измерения.

Для калибровки часть поверхности в непосредственной близости от уча­стка поверхности, коэффициент излучения которой следует определить, покры­вается пленкой с известным коэффициентом излучения. Тепловое сопротивле­ние этих двух выбранных участков поверхности? должно быть, по возможности, мало так, чтобы обе поверхности имели одинаковую температуру.

Сначала измеряют температуру излучения участка поверхности с известным коэффициентом излучения, при этом на шкале коэффициента излучения уста­навливается известное значение. Затем детектор направляют в сторону испы­туемой поверхности, а шкалу коэффициента излучения регулируют до тех пор, пока не дойдут до прежнего показания температуры излучения. Значение е, считываемое со шкалы коэффициента излучения, представляет среднюю вели­чину, которая выше фактической. Прибор улавливает как отраженные, так и испускаемые лучи; величина отраженного излучения меняется в зависимости от расстояния между поверхностью и детектором. Поскольку среднее значение ® включает оба вида изменения, а истинная величина е относится только к не­посредственному излучению, то из этого следует, что среднее значение е больше истинной величины. Тем не менее, на практике точность измерений этим мето­дом достаточна.

Если требуются более точные измерения, то можно произвести сравнение эталонов с известным коэффициентом излучения и испытуемых частей стенок, которые для этого извлекаются из камеры, при этом возникает необходимость в соответствующих специалистах и оборудовании.

4.3. Проверка поверхности стенок камеры на мини­мальную величину коэффициента лучепоглощения

В требованиях к лучепоглощательной способности стенок камеры, которые представляются при испытаниях А и В, указаны минимальные значения коэф­фициентов лучепоглощения. Поэтому во многих случаях достаточно убедиться, что коэффициент лучепоглощения стенок камеры превышает определенную ве­личину. Этого можно достичь, укрепив на стенке камеры пластину, коэффи­циент лучепоглощения которой равен заданной минимальной величине. Скани­руя стенки и пластину с помощью детектора излучения, достаточно отметить большую или меньшую степень черноты пластины по сравнению со степенью черноты стенок камеры.

5. Величины коэффициентов излучения

Величины коэффициентов лучепоглощения различных материалов приво­дятся в соответствующей литературе и в табл. 4.

5. Способы повышения лучепоглощательной способности стенок камеры

   1. Покрытия и другие способы обработки поверхности Для того чтобы получить коэффициенты лучепоглощения больше мини­мальных величин, предписанных для испытаний А и В, поверхность можно покрыть соответствующим лаком или обработать другим способом (например, •подвергнуть пескоструйной обработке, химическому чернению).

Следует заметить, что термически черный цвет не обязательно предпола­гает оптический черный цвет стенки камеры; так, например, признаны вполне приемлемыми стенки камеры, покрытые соответствующим белым лаком.

Лучепоглощательную способность можно значительно повысить, используя для стенок камеры ячеистые структуры. Этот способ применим, главным об­разом, для камер, имитирующих условия в космосе. Для испытательных камер, которые, кроме испытаний на холод и сухое тепло, применяются при испыта­ниях образцов в условиях влажности, он менее пригоден из-за трудности чи­стки таких поверхностей.

ВЕЛИЧИНЫ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

В табл. 4 приведены величины интегральных коэффициентов полусфериче­ского излучения е и коэффициентов излучения, перпендикулярного к поверх­ности е_пдля различных материалов.

Можно отметить, что для тел с гладкими чисто металлическими поверх­ностями средняя величина отношения е/е_п равна 1,2; для неметаллических тел с гладкими поверхностями средняя величина равна 0,95, а для неметалличе­ских тел с шероховатыми поверхностями величина е/е_п равна 0,98.

Коэффициент излучения металлов с повышением температуры увеличи­вается, а коэффициент излучения неметаллов* и окисей металлов с повышением, температуры уменьшается.

Таблица 4-

Коэффициенты излучения при температуре t, °С