Natural-model tests of materials and coatings in simulated intense radiant and convective heat transfer of elements of heat and power equipment. Part 2: Physical and technical characteristics of thermal stand for testing of materials and coatings of diesel engine thermally insulated combustion chamber
- Authors: Merzlikin V.G1,2, Maximov A.D1, Tovstonog V.A1,2, Chirin K.V1,2, Abdulmyanov R.N1,2
-
Affiliations:
- Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)
- Bauman MSTU
- Issue: Vol 8, No 3-2 (2014)
- Pages: 19-25
- Section: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/2074-0530/article/view/67619
- DOI: https://doi.org/10.17816/2074-0530-67619
- ID: 67619
Cite item
Full Text
Abstract
Full Text
Представленная концепция экспериментального стенда радиационно-конвективного нагрева [1] позволяет предложить методологию тепловых модельных (близких к натурным) испытаний материалов и покрытий для теплоизолированной камеры сгорания быстроходных дизелей. Станет возможным проведение исследований процессов генерации комбинированного теплового потока с моделированием спектрального распределения лучистой компоненты, ее частоты и сдвигов по фазе относительно конвективной составляющей, соответствующих заданным эксплуатационным режимам при имитации сложного теплообмена с существенной долей лучистой компоненты [2, 3]. В рассматриваемом тепловом стенде (рисунок 1) излучатель тепловой энергии выполнен в виде унифицированного однолампового модуля (на основе водоохлаждаемой ксеноновой лампы), снабжённого отражателем в виде полого корпуса с патрубками для подвода и отвода хладагента. Излучение ксеноновой лампы генерируется в диапазоне длин волн 0,3 - 1,5 мкм со значительными локальными максимумами в ближней ИК области (левый спектр на рисунке 1) с интегральным тепловым потоком излучения до ~ 105 Вт/м2. Это совпадает со спектром излучения раскаленных частиц сажи в теплоизолированной камере сгорания дизеля. Поток излучения может быть увеличен до нескольких МВт/м2 за счет применения набора ламп с водоохлаждаемыми рефлекторами (на рисунке 1 показан один модуль). Рисунок 1. Принципиальная схема теплового стенда имитации лучисто-конвективного воздействия в теплоизолированной камере сгорания дизельного двигателя Для этапа спектральной селекции терморадиационных потоков используются дисперсные фильтры, поглощающие и незначительно рассеивающие лучистую энергию в заданном диапазоне длин волн. Первый фильтр сконструирован для селективного ослабления излучения в видимой части спектра излучения ксенона слабо рассеивающими и поглощающими частицами неорганического пигмента, например, частицами окиси алюминия в составе проточного хладагента (средний спектр на рисунке 1). Выбор требуемого размера частиц и их концентрации основан на применении разработанных методов решения уравнений переноса излучения [4] в полидисперсной среде, характеристики которой оцениваются с использованием теории рассеяния Г. Ми [5]. Например, полидисперсные частицы корунда с размерами в диапазоне 1 - 10 мкм могут обеспечить заданное ослабление излучения в видимой части спектра [6]. С этой целью средство для подвода и отвода хладагента снабжено каналом ввода пигмента-поглотителя с изменяющейся объемной концентрацией до 10%, определяемой условиями селекции исходного излучения Хе-лампы (1-й динамический спектральный фильтр на рисунке 1). Второй этап селективного ослабления излучения обеспечивается вторым фильтром за счет легирования слабо рассеивающими и сильно поглощающими инородными примесями в составе внешней полупрозрачной оболочки (2-й статический спектральный фильтр). Двухоболочечная высокоинтенсивная газоразрядная трубчатая лампа может быть изготовлена из кварцевого стекла (лейкосапфира) с показателем поглощения не более 0,3 м-1 и показателем рассеяния менее 0,01 м-1 [7, 8]. При легировании оболочки добавками инородных слабо рассеивающих и сильно поглощающих примесей (например, оксиды циркония, алюминия, кремния) должно обеспечиваться ослабление излучения Хе-лампы в видимом и частично ИК диапазонах (см. левый спектр на рисунке 2). Для эффективного охлаждения стеклянных оболочек газоразрядных ламп коэффициент теплопроводности должен быть не менее 1,5 Вт/(м·K) [9] . Рисунок 2. Схема стенда моделирования конвективного нагрева и лучистого теплового воздействия с помощью высокоинтенсивной газоразрядной ксеноновой лампы со спектром, формируемым полидисперсными спектральными динамическим (1) и статическим (2) фильтрами Интегральный тепловой поток, воздействующий на тестовый образец, формируется совместно с заданным конвективным потоком при обдуве поверхности тестируемого образца высокотемпературными газами. Имитация временного режима нагрева обеспечивается заданной импульсно-периодической силовой электрической нагрузкой для ксеноновой лампы с согласованием по частоте и сдвигу фазы лучистых и конвективных компонент, соответствующих модельных индикаторных диаграмм дизеля. Технические характеристики установки [10 - 13]: · модульный принцип размещения нагревательных элементов, что позволяет обеспечивать наилучшее соответствие распределения тепловых потоков натурным (реальным) распределениям; · автоматическая регулировка в процессе теплового воздействия как нагревательных элементов индивидуально для облучаемых поверхностей объекта, так и взаимного расположения набора отдельных модулей. Это позволяет, например, моделировать изменение тепловых нагрузок при изменении угла атаки, когда изменяется режим нагрева поверхностей объекта, а также оценивать влияние манёвренности объекта на его характеристики в широком диапазоне режимов эксплуатации двигателя (турбины); · совмещение моделирования условий нагрева с одновременным силовым и динамическим воздействием путём приложения силовых статических сосредоточенных (точечных) и распределённых нагрузок в заданных точках (узлах) или областях поверхностей объекта, что позволяет приблизить условия испытаний к различным режимам эксплуатации, вплоть до натурной имитации тепловых потоков по величине и времени воздействия. Предлагаемый способ тепловых испытаний материалов и изделий реализуется следующим образом: · размещают и регулируют положение различного размера панелей терморадиационных нагревателей относительно криволинейных поверхностей объекта, до их облучения; · терморадиационные нагреватели размещают набором отдельных модулей, индивидуально для каждой облучаемой поверхности объекта; · устанавливают параметры теплового воздействия, как по величине теплового потока, так и по требуемому диапазону длин волн; · регулируют положение терморадиационных нагревателей относительно облучаемых поверхностей объекта (в процессе теплового воздействия для достижения требуемых его параметров) как индивидуально, так и изменением взаимного расположения отдельных модулей по результатам контроля температурными датчиками; · одновременно с тепловым воздействием осуществляют контролируемые воздействия на поверхности объекта силовыми и динамическими нагрузками, а также окислительной средой; · воздействие окислительной средой осуществляют на режимах, приближённых к натурной эксплуатации поверхностей объекта; · силовые и динамические воздействия в условиях окислительной среды осуществляют путём приложения силовых статических сосредоточенных (точечных) и распределённых нагрузок в заданных точках (узлах) или областях поверхностей объекта; · режимы силовых, динамических воздействий и окислительной среды выбирают с учётом условий теплового воздействия на облучаемые поверхности объекта. Согласно заложенному в предлагаемом способе принципу испытаний материалов и изделий, реализуются и режимы испытаний в условиях воздействия вибрации с параметрами частоты и амплитуды воздействий, соответствующих натурным режимам, что позволяет определять спектр собственных частот всего изделия, в том числе и в условиях нагрева. Таким образом, реализация одновременного теплового, силового и динамического воздействий в режимах, соответствующих натурным, позволяет получать функциональные характеристики объекта и существенно сокращать стоимость создания реальных образцов. Воздействия одновременно с ранее указанными факторами окислительной средой на поверхности (реальных размеров) с нанесёнными защитными покрытиями позволяют оценить стойкость этих покрытий на режимах, соответствующих условиям эксплуатации (что невозможно осуществить на малых (лабораторных) образцах, когда проявляется масштабный эффект). На малых образцах и реальных поверхностях (в силу существенного различия их резонансных частот), покрытие (в условиях воздействия совокупности тепловых, силовых и динамических нагрузок) может иметь совершенно разные характеристики стойкости (расслоение, отслоение и т.п.). Возможность многократного повторения испытания при вариации режимов моделирования внешних условий воздействия повышает их эффективность, чего нельзя достичь, например, при ограниченном числе испытаний на моторном стенде в силу их большой трудоемкости и высокой стоимости. Заключение Предлагаемый метод и разрабатываемая на его основе установка обеспечивают уникальные тепловые режимы лучистого воздействия в заданных спектральных диапазонах (в интервале ~ 0,3 - 2 мкм) с плотностью потока излучения до 4 МВт/м2 моделируемых тепловых источников на значительных (десятки кв. см) площадях нагрева с возможностью дополнительной конвективной, кондуктивной, силовой нагрузок и обеспечивают стендовые теплопрочностные испытания, физическую диагностику, а также становится возможна реализация режима лучевой обработки (формообразования) фрагментов изделий и деталей машин. Разработанная установка позволяет впервые получить интенсивный модельный во времени и в пространстве лучистый нагрев (подобно лазерному или солнечному), но на больших площадях облучения: · крупногабаритных изделий (стенок камер сгорания печей, дизелей и турбин, оболочек ловушек перегретого теплоносителя ядерных реакторов, корпусов летательных аппаратов при аэродинамическом нагреве излучением погранслоя и пр.); · значительных природных образований (фрагментов биологических, снежно-ледяных массивов и мёрзлых грунтов, водных бассейнов и пр.) при моделировании заданного селективного спектра внешних терморадиационных источников (различного рода ИК-нагревателей, солнца, природных и промышленных пожаров и пр.). Применяемые для данной установки методики натурно-модельных испытаний или технологии формообразования материалов и сред (при имитации заданного режима терморадиационного и конвективного воздействия) позволяют решать многие актуальные естественнонаучные проблемы и научно-технические задачи [14 - 20]: 1) создание и тестирование новых и штатных материалов тепло-огнезащитных спецсредств, термостойких (термобарьерных, теплозащитных и теплоизолирующих) материалов и покрытий элементов теплоэнергетического оборудования и транспортных средств, включая аэрокосмические (особенно для перспективных разработок нового поколения космических самолетов); 2) разработка технологии получения медицинских керамических и керамометаллических биосовместимых имплантатов, ИК термообработки пищевых продуктов и пр.; 3) прогнозирование и анализ процессов и явлений, обусловленных терморадиационным воздействием техногенных и природных источников излучения, включающих: o выбор режимов эксплуатации промышленных и транспортных объектов и их влияние на природную среду при соответствующих экологических ограничениях, o оценку влияния катастрофических пожаров на природные среды, промышленные и бытовые сооружения, o изучение процессов непрерывного (импульсно-периодического) солнечного облучения различных объектов, в частности, представляющих особый интерес - космических, арктических и антарктических станций и оборудования, загрязненных ледников и морских акваторий и др. Кроме того, данная установка позволит исследовать оптические и терморадиационные характеристики тестируемых материалов и сред путем диагностирования вариаций их спектральных пропускательных (отражательных) способностей в зависимости от спектров моделируемой терморадиационной лучистой нагрузки внешней среды. Предлагаемое техническое решение позволяет сократить количество натурных испытаний изделий машиностроительного производства и транспортных средств, например, гиперзвукового космического самолета, натурные испытания которого в настоящее время ограничиваются однократным пуском и являются чрезвычайно дорогостоящей разработкой. Указанный способ позволяет смоделировать возникающие тепловые нагрузки с применением тепловых стендов различного назначения в условиях, характерных для машиностроительного производства, эксплуатации деталей машин, энергетического оборудования и транспортных средств (включая аэрокосмические), тестирование которых в реальных условиях невозможно или сопряжено с существенными эксплуатационными, техническими и технологическими проблемами и ограничениями.About the authors
V. G Merzlikin
Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI); Bauman MSTU(495) 223-05-23, ext. 1327
A. D Maximov
Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)(495) 223-05-23, ext. 1327
V. A Tovstonog
Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI); Bauman MSTU(495) 223-05-23, ext. 1327
K. V Chirin
Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI); Bauman MSTU(495) 223-05-23, ext. 1327
R. N Abdulmyanov
Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI); Bauman MSTU(495) 223-05-23, ext. 1327
References
- Мерзликин В.Г., Максимов А.Д., Товстоног В.А., Крохалев И.Н. Натурно-модельные испытания материалов при имитации радиационно-конвективного теплообмена в камере сгорания дизеля. Часть 1. Физико-математическое моделирование тепловых режимов термостойких материалов и покрытий // Известия МГТУ «МАМИ». 2014. № 2(20), т. 2. С. 63 - 67.
- Чирков А.А. Об уровне научных исследований теплопередачи в двигателях внутреннего сгорания. Ярославский технологический институт. - М. «Вестник машиностроения». 1962. № 6. - С. 112-124.Pflaum W. Die Warmeubertragung bei Dieselmaschinen mit unci ohne Auflagung. «Motor Technische Zeitung». - 1961. - № 3. - S. 570.
- Адзерихо К.С. Лекции по теории переноса лучистой энергии. - Минск: Изд. БГУ, 1975. 192 с.
- Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 664 с.
- Петров В.П., Рябцев Е.И., Сутугин В.Г., Мерзликин В.Г. Оптические свойства высокоотражающей керамики // Тематический сб. «Вопросы авиационной науки и техники». ВИАМ. Сер. авиационные материалы. -1989. - С. 39-43.
- Мерзликин В.Г., Сутугин В.Г., Стифеев Л.К., Худяков С.В. Методика регистрации оптических и терморадиационных характеристик с компенсацией влияния индикатрисы отражения теплоизолирующих и теплозащитных материалов и покрытий камер сгорания быстроходных дизелей. Известия МГТУ МАМИ. Т. 10, № 2(12), 2011.
- Товстоног В.А., Мерзликин В.Г., Мосолов Ф.Ф. Постановка и решение задачи радиационно-кондуктивного теплообмена в многослойных рассеивающих средах. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2008, № 2, с. 12- 27.
- Елисеев В.Н., Товстоног В. А. Анализ технических возможностей создания высокоэффективных установок радиационного нагрева для тепловых испытаний объектов аэрокосмической техники. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. № 1. С. 57 - 70.
- Товстоног В.А., Мерзликин В.Г. и др. Излучатель тепловой энергии. Правообладатель машиностроительный университет (МАМИ). Положительное решение о выдаче патента от 09 июня 2014 г. по заявке № 2013123324.
- Мерзликин В.Г., Товстоног В.А. и др. Способ тепловых испытаний материалов и изделий. Заявка на способ. Правообладатель машиностроительный университет (МГМУ МАМИ). Заявка на способ. Регистрационный № 2013123326 от 22 мая 2013 г.
- Елисеев В.Н., Товстоног В. А. Анализ технических возможностей создания высокоэффективных установок радиационного нагрева для тепловых испытаний объектов аэрокосмической техники. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2011. № 1. С. 57 - 70.
- Merzlikin V., Elieseev V., Gazhur A., Prediger V. Stand modeling of radiant and convective impact for the heat-insulated combustion chamber. FISITA World Automotive Congress. Maastricht, 01 - 06 June 2014. Congress CD-ROM, paper № F2014-CET-143, p.p. 1 - 8.
- Dannecker R., Noll B., Hase M., Krebs W., K Schildmacher.-U., Koch R., Aigner M. Impact of radiation on the wall heat load at a test bench gas turbine combustion chamber: measurements and CFD simulation. URL: http://inzhenery.su/slovar/sapr/vliyanie-teploobmena-izlucheniem-na-sumarnyy-teplovoy-potok-v-stenku-modelnoy-kamery-sgoraniya-gazov.html (дата обращения 12.12.2012).
- Siegel R. Internal Radiation Effects in Zirconia Thermal Barrier Coatings. AIAA J. Thermophysics Heat Trans. 1996.- Vol. 10, no. 4, p. 707-709.
- Manara J., Arduini-Schuster M., Rätzer-Scheibe H.-J. and Schulz U. Infrared-optical properties and heat transfer coefficients of semitransparent thermal barrier coatings. Surface and Coatings Technology. 2009. Vol. 203. Issue 8. P. 1059-1068.
- Merzlikin V.G., Sidorov O.V., Cheranev S.V., Rettberg R. Development of principles and methods of estimation of thermal condition of semitransparent coatings in complex heat exchange combustion chambers for low-heat-rejection diesel engines. FISITA World Automotive Congress. Budapest, 30 May - 4 June 2010. Book of Abstracts, 2010. P.198. Congress CD-ROM, paper № F2010-C081, p.p. 8.
- Красс М.С., Мерзликин В.Г. Радиационная теплофизика снега и льда / Л. Гидрометеоиздат. 1990. 261 с.
- Kathiravan Krishnamurthy, Harpreet Kaur Khurana, Soojin Jun, Joseph Irudayaraj, and Ali Demirci. Infrared Heating in Food Processing: An Overview// Comprehensive Reviews in Food Science and food safety. 2008. Vol. 7. С. 2 -13.
- Спирин Р.И. Разработка технологии хлеба из целого зерна пшеницы с предварительной ИК-обработкой зерна. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / М.: Московский государственный университет пищевых производств. 2007. 24 с.