Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов - Афанасьев В.А.
ISBN 5-7035-0318-3
Скачать (прямая ссылка):
По применяемым частотам индукционные установки разделяют на установки с промышленной, повышенной и высокой частотой, подразумевая под повышенными частотами диапазон от 500 до 10 ООО Гц, а под высокими — от 70 кГц и выше.
Преимущества индукционного нагрева: возможность прямого нагрева проводниковых материалов, что повышает эффективность нагрева материалов и исключает перенос массы с нагревателя на образец; возможность применения этого метода в условиях вакуума и защитных сред.
Тепловой поток в нагреваемом теле определяется по формуле
Ф= с12Я ,
где Ф — тепловой поток, Вт; / — ток, А; /? — сопротивление тела — проводника, Ом; с — поправочный.коэффициент, учитывающий рассеивание магнитного поля в пространстве между нагреваемым телом и соленоидом:
201
с-
°2,
Х>! — диаметр нагреваемого тела; П2 — диаметр витков соленоида; е — постоянная, характеризующая удаленность витков от поверхности нагреваемого тела и принимаемая равной 1 — 1,3. С уменьшением зазора между нагреваемым материалом и соленоидом КПД нагревателя повышается. Глубина проникновения вторичного тока в нагреваемы! материал определяется по уравнению
1=50,3^,
\4
где 5 — глубина, см; р — удельное сопротивление материала, Ом мм^/ц (I — магнитная проницаемость материала, Ом с/см; / — частота тока, Гц.
Отсюда видно, что глубина проникновения тока уменьшается с повышением частоты тока, а при повышении частоты увеличивается энергия, выделяемая в том же объеме, т.е. увеличивается ее концентрация.
При соответствующей конструкции охлаждаемых индукционных катушек можно получить плотность теплового потока до 2000 кВт/м2. При этом температура нагрева образцов может быть 700 К и выше, а темп нагрева — до 200 К/с.
Индукционный нагрев принципиально может быть применен в двух вариантах:
1. Наведение токов непосредственно в испытуемом объекте.
2. Нагрев при помощи промежуточного (например, вольфрамового) цилиндра.
Второй вид индукционного нагрева по воздействию на образец аналогичен лучистому нагреву.
К недостаткам индукционного метода нагрева следует отнести ограничения, связанные с электропроводностью образца, громоздкость вспомогательного оборудования для генерирования токов высокой частоты.
Кондуктивный нагрев воспроизведения температурных условий на элементах конструкции ЛА за счет теплообмена теплопроводностью заключается в том, что теплота распространяется в рабочем теле посредством передачи кинетической энергии от более нагретых молекул к менее нагретым, находящимся с ними в соприкосновении.
Испытуемую конструкцию обкладывают нагревательными элементами, состоящими из металлических лент, обшитых (обклеенных) электроизолирующими материалами. При подаче электричек
202
ского тоха на металлическую ленту происходит нагревание ее, и тепло передается на конструкцию. Изменяя подаваемую электрическую мощность, можно изменить интенсивность нагревания конструкции, т.е. вести программный нагрев и воспроизводить нестационарные температурные поля. Такие устройства называются «тепловыми одеялами» и изготовляются из нихромовых лент, изолированных стеклотканью. Максимальная температура, получаемая на поверхности конструкции ЛА при использовании метода кондуктивного нагрева, достигает 350 К, а плотность теплового потока — 20 кВт/м2.
Плотность теплового потока вследствие теплопроводности по направлению от нагревателя к поверхности конструкции определяется по закону Фурье из выражения
где X — коэффициент теплопроводности тела; бХ/йх — изменение температуры тела на единицу длины. Количество теплоты определяется как
В реальных условиях на тепловых испытательных стендах, где между нагревательным элементом и поверхностью испытуемого объекта проходит тепловой поток, возникает контактный теплообмен.
Особенности передачи тепла в зоне контакта «тепловых одеял» и конструкции ЛА связаны с возникновением термических сопротивлений контакта, которые изменяются в широком диапазоне в зависимости от различных факторов. К таким факторам относятся: физические свойства материала контактной пары; сила сжатия; чистота обработки контактных поверхностей; газовая среда в зоне контакта; температура в зоне контакта; окисные пленки на контактных поверхностях; характер гальванических покрытий контактных поверхностей.
Различают в основном два вида взаимодействия соприкасающихся под нормальной нагрузкой поверхностей: механическое, обусловленное деформацией, и молекулярное, обусловленное взаимодействием атомов сближенных тел.
При механическом взаимодействии давление на отдельных участках контакта достигает нескольких сотен паскалей. Под этим давлением вследствие гетерогенности в строении поверхностей их элементы взаимно внедряются. При молекулярном взаимодействии образуется более прочная связь и происходит схватывание металлов.
Касание реальных поверхностей вследствие их шероховатости всегда происходит в отдельных пятнах, причем суммарная площадь касания двух поверхностей составляет ничтожную долю общей пло-
6= <7^т .
203
щади поверхности. С увеличением давления площадь касания возраста» ет. Схема реального контакта двух поверхностей показана на рис. 2.92,
