Исследование радиационно-конвективного теплообмена

Внедрение: 2021  г.

В работе представлены экспериментальные данные по теплообмену при термоциклическом взаимодействии факельной струи с термобарьерным керамическим покрытием.

Охлаждение за счет лучистого теплообмена в окружающую среду позволяет организовать теплообмен таким образом, что при натекании на образец потока продуктов сгорания с температурой 1500 ºС температура на поверхности термобарьерного покрытия (ТБП) не превышает 1200 ºС. Толщина термически выращенного оксида металла (ТВО) после 1500 термоциклов составила 9,5 мкм.

Целью данной работы является разработка стенда и проведение термоциклических испытаний образцов теплозащитных покрытий с использованием кислородно-пропанового пламени в условиях радиационно-конвективного теплообмена.

Схема организации системы термоциклических испытаний представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема установки: 1 – цилиндр-ресивер компрессора системы охлаждения, 2 – редуктор компрессора системы охлаждения, 3 – фильтр, 4 – клапан управления расходом охлаждающего воздуха, 5 – манометр, 6 – ротаметр, 7 – металлическая трубка, 8 – кронштейн трубки, 9 – программируемый логический контроллер SMSD‑4.2, 10 – шаговый двигатель PL57H76‑D8, 11 – муфта, 12 – каретка узла линейного перемещения, 13 – штатив для установки образца, 14 – держатель образца, 15 – керамические штифты, 16 – тест-образец, 17 – блок электроники инфракрасного пирометра, 18 – оптическая головка инфракрасного пирометра, 19 – камера, 20 – модуль ТермоЛаб‑32, 21 – преобразователь E14-140, 22 – компьютер, 23 – блок управления регуляторами расхода газа PR4000B, 24 – ПКТ-3П(М) пропан-кислородная горелка, 25 – регулятор расхода газа MKS1179A, 26 – регулятор расхода газа EL‑FLOW, 27 – блок смесеобразования УФПГС‑2, 28 – кислородный баллон, 29 – пропановый баллон, 30 – приёмный цилиндр компрессора, 31 – светодиодный прожектор.

В установке для нагрева образца использовалась газовая горелка ПКТ‑ЗП(М): пропан/кислород/воздух. Горелка ПКТ‑ЗП(М) состояла из двух коаксиально расположенных каналов (рисунок 2). Кислород подавался через центральную трубку. По кольцевому каналу подавалась смесь пропана, кислорода и воздуха. Температуру металла контролировали термопарами типа К, а расход газа – термопарой типа В. Аналоговый сигнал с датчиков температуры оцифровывался модулем Термолаб‑32, сопряженным с внешним модулем АЦП/ЦАП Е14‑140. Полученный код считывался программой по интерфейсу USB и с учетом показаний встроенного датчика «холодного спая» преобразовывался в текущее значение температуры. Для синхронизации и регистрации временных рядов измеряемых параметров и соответствующего положения исследуемого образца относительно высокотемпературного источника использовались показания внутреннего таймера компьютера. Программное управление позволяло задавать количество циклов, диапазон и скорость перемещений держателя из термостойкого материала ТЗМК‑10 с неподвижным испытуемым образцом, непрерывно охлаждаемым воздухом.

Типичные термограммы показаны на рисунке 3.

Рисунок 2. Фотография образца во время нагрева.	Рисунок 3. Типовые термограммы: 1 – расход газа; 2 – температура на границе металл/керамика; 3 – температура на охлаждаемой стороне металла; 4 – температура на «горячей» поверхности ТБП.

Рисунок 4. Структура ТБП после 1500 циклов термоиспытаний; фаза 4 – металлические слои; фаза 3 – термически выращенный оксид металла; фазы 1 и 2 – керамические слои.

Охлаждение за счет лучистого теплообмена в окружающую среду позволяет организовать теплообмен таким образом, что при натекании на образец потока продуктов сгорания с температурой 1500 ºС температура на поверхности ТБП не превышает 1200 ºС, а температура материала подложки не превышает 950‑980 ºС. Толщина ТВО после 1500 термоциклов составила 9,5 мкм, при этом существенных нарушений целостности покрытия не зафиксировано.

Источник:
D A Ponomarev et al 2021 J. Phys.: Conf. Ser. 2057 012024

Разработчик: Пономарев Д.А., Федоренко В.А., Наумкин В.С. (ИТ СО РАН, НГТУ НЭТИ, Новосибирск), Лукашов В.В. (ИТ СО РАН, Новосибирск)