CC BY
32
2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ КЕРАМИК В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ СВЯЗУЮЩЕГО
Рахимов Рустам Хакимович, доктор технических наук, зав. лабораторией №1. Институт Материаловедения Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Ермаков Владимир Петрович, старший научный сотрудник, лаборатория №1. Институт Материаловедения. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Аннотация: работа посвящена изучению максимальной излучательной способности керамических материалов, в зависимости от концентрации связующего. Показано, что имеются оптимальные соотношения между функциональной керамикой и количеством связующего материала.
Ключевые слова: керамические материалы, оксидные материалы, инфракрасные преобразователи, оптическая керамика, стеклокристаллические материалы, хромиты редкоземельных элементов, технологический процесс, импульсные системы.
DETERMINATION OF THE MAXIMUM EMISSIVITY CERAMIC DEPENDING ON THE CONCENTRATION OF THE BINDER
Rakhimov Rustam Khakimovich, doctor of technical Sciences, head of laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Yermakov Vladimir Petrovich, senior research associate, laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Abstract: this study focuses on the maximum emissivity of ceramic materials, depending on the concentration of the binder. It is shown that there is an optimal balance between functional pottery and amount of binder.
Index terms: ceramic materials, oxide materials, infra-red converters, optical ceramics, crystal materials, chrome lanthanum elements, technological process, pulse systems.
Керамические материалы, получаемые из жидкой фазы с применением Большой солнечной печи (БСП) [1] мощностью 1 млн Вт (Паркент), характеризуются повышенными физико-химическими параметрами. Кроме того, подобная технология позволяет получать материалы с комплексом заданных свойств, недостижимых при обычных технологиях [2-10].
В частности, получен ряд материалов, имеющих высокую из-лучательную способность, которые могут найти применение, например, в системах охлаждения, устройствах для выпечки и сушки, медицине, производстве пластмасс, текстильной промышленности, системах очистки воды, для стерилизации и т.д.
Определение излучательной способности керамик основано на известном физическом методе измерения температуры образца в так называемом стационарном тепловом режиме. В стационарном режиме температура излучающего тела остается неизменной за счет непрерывного его нагревания.
Равновесное тепловое излучение, это стационарное тепловое излучение, происходящее внутри измерительной (теплоизолированной) системы тел, обладающих способностью обмениваться энергией лишь путем испускания электромагнитных волн и поглощения энергии. При равновесном тепловом излучении энергия электромагнитных волн, излучаемых в единицу времени каждым телом, входящим в систему, равна энергии, поглощаемой этим телом за то же время.
Измерение максимальной излучательной способности проводятся на геометрически одинаковых образцах пластин
(100мм х 25мм х 2мм), изготовленных из металла, имеющего теплопроводность 150 Вт/((м.К)). Нагревательный элемент малогабаритный керамический, размером 25мм х 5мм х 1,25мм.
Подводимая к нагревателю мощность стабилизируется напряжением на различных заданных уровнях мощности. Для всех образцов это значение одинаково. Температура измеряется цифровым прибором фирмы «OMEGA» - НН12. Измерительные пластины покрываются определенным тестируемым составом функциональной керамики со всех сторон. В центре всех образцов оставляется полоса непокрытого металла шириной 10мм. С одной стороны полосы крепится нагревательный элемент, а на противоположной стороне - датчик температуры. Датчик температуры и нагревательный элемент устанавливаются через слой пасты КПТ-8, имеющей большой коэффициент теплопроводности. Этим устраняются возможные контактные тепловые потери на неровностях пластин. Датчик температуры и нагревательный элемент фиксируются через тарированный пружинный зажим. Этими мерами установки и крепления элементов обеспечиваются идентичные условия теплового сопротивления для всех измеряемых образцов. Измеряя температуру образца при определенной стабильной подводимой мощности, можно судить о степени излучаемой функциональной керамикой энергии по степени отвода тепла от нагревательного элемента. Подводимая к нагревательному
Рахимов Р. Х., Ермаков В. П.
элементу мощность фиксируется стабилизацией напряжения на двух различных контролируемых уровнях.
Первый уровень - 22,7 Вт.
Второй уровень - 18,4 Вт.
Вся измеряемая система свободно подвешивается в специальную конструкцию канального типа со стабильным равномерным и очень слабым воздушным потоком, образующимся продувным вентилятором. Также измеряется и температура поступающего воздуха перед образцом. Таким образом, все сравнения керамик и их различных составов проводятся в одинаковых условиях. При этом все возможные ошибки и неточности измерений взаимно вычитаются. Показания температуры, измеряемые на площадке крепления нагревательного элемента, отображают степень излуча-тельной способности керамик при равных для них прочих внешних условиях. Все показания температур сравниваются между собой в условных единицах за вычетом температуры воздуха в канале. Благодаря этому устраняется возможная зависимость от температуры внешнего воздуха (конвекционный отвод тепла во всех случаях одинаков). Таким образом, чем ниже показания температуры на нагревательном элементе при стабильной подводимой тепловой мощности, тем более эффективно отводится от пластин тепло за счет излучения функциональной керамики. По этим сравнениям температур можно судить об эффективности покрытий.
Для сравнения излучательной способности используем ряд образцов, различных только по соотношению со связующим составом (силикат натрия).
В таблице 1, задается соотношение керамики со связующим.
Таблица 1
Номер образца Весовая часть связующего Весовая часть керамики
1 1 11,26
2 1 5,63
3 1 3,75
4 1 2,82
5 1 2,25
6 1 1,88
7 1 1,30
Пример 1 - одна из керамик серии SB (Таблица 2). Т - разница температур между температурой образца и температурой среды измерения. Таблица 2.
№ образца 1 2 3 4 5 6 7
229°Р 222°Р 226°Р 220°Р 220°Р 222°Р 223°Р
Р=22.7Вт
126°С 122°С 124°С 121°С 121°С 122°С 123°С
172°Р 168°Р 172°Р 164°Р 164°Р 166°Р 168°Р
Р=18,4Вт
95°С 92°С 95°С 90°С 90°С 91°С 92°С
Эффективность керамики SB
5
& 4 О
|Т 3
с§ 2
£ 1 0
□ Р=22,7Вт.
□ Р=18,4Вт.
3 4 5 6
ЫйСбразца
Ызобразцг Р=22,7Вт. Р=18,4Вт.
1 0 0
2 4 3
3 2 0
4 5 5
5 5 5
6 4 4
7 3 3
Из диаграммы видно, что оптимальными являются образцы №4 и №5, а также №2 (для некоторых специальных случаев применения).
Пример 2 - керамика серии ГЛ [2] с 10% специальным наполнителем (Таблица 3).
Таблица 3
№ образца 1 2 3 4 5 6
223°Р 219°Р 225°Р 220°Р 222°Р 226°Р
Р=22.7Вт
124°С 122°С 125°С 122°С 124°С 125°С
198°Р 195°Р 198°Р 197°Р 199°Р 199°Р
Р=18,4Вт
110°С 108°С 110°С 109°С 111°С 111°С
Эффективность керамики ГЛ
I
1
□ Р=22,7ВТ.
□ Р=1&4ВГ.
1 2 3 4 5 Ы9образца
ЫЕОбразца Р=22,7Вт. Р=18,4Вт.
1 1 1
2 3 3
3 0 1
4 3 2
5 1 0
6 0 0
Оптимальное соотношение керамики со связующим у образцов №2 и №4. Пример 3 - керамика серии ЗКХМ [2] (Таблица 4).
Таблица 4
№ образца 1 2 3 4 5 6
226°Р 229°Р 218°Р 224°Р 221°Р 222°Р
Р=22.7Вт
126°С 127°С 119°С 125°С 123°С 124°С
202°Р 203°Р 194°Р 200°Р 198°Р 200°Р
Р=18,4Вт
112°С 112°С 108°С 111°С 110°С 111°С
Максимум излучения явно выражен у образца №3.
Пример 4 - соотношение керамики ЗКХМ со специальным наполнителем, на основе муллита в процентном соотношении (Таблица 5). Количество связующего при нанесении состава всех случаях одинаково (максимально эффективное, как у образца №3 в таблице 4).
Таблица 5
Процент 10% 20% 30% 40% 50% 60%
228°Р 225°Р 228°Р 227°Р 220°Р 228°Р
Р=22.7Вт
126°С 124°С 126°С 126°С 122°С 126°С
205°Р 201°Р 205°Р 202°Р 199°Р 205°Р
Р=18,4Вт
113°С 112°С 113°С 112°С 110°С 113°С
Максимальная излучательная способность у образца при 50% соотношении керамики со специальным наполнителем, а также, в меньшей степени, у образца с 20%.
Пример 5 - керамика ТТЛ-5 [2], в соотношении со связующим (таблица 1).
Таблица 6
№ образца 1 2 3 4 5 6
225°Р 218°Р 226°Р 226°Р 225°Р 226°Р
Р=22.7Вт
125°С 121°С 126°С 126°С 125°С 126°С
202°Р 193°Р 200°Р 200°Р 198°Р 200°Р
Р=18,4Вт
112°С 107°С 111°С 111°С 110°С 111°С
6
2
7
эффективность) керамики ТТЛ-5
5'
о
'т 3' 2'
Ё 1 0'
I
Д
дй
□ Р=22,7Вт
□ Р=18,4Вт
Ц
1 2 3 4 5 6
№Образца
№эбразца Р=22,7Вт. Р=18,4Вт.
1 1 0
2 5 5
3 0 1
4 0 1
5 1 2
6 0 1
Единственный пик излучательной способности, у образца № 2.
Анализируя диаграммы, а также данные из таблиц №2, №3, №4, №5 и №6 видно, что каждой керамике соответствуют свои собственные оптимальные параметры соотношения керамики со связующим. При незначительном, как может показаться, изменении пропорции состава при нанесении на излучатель, можно получить большую ошибку в излучательной способности керамики, которая, в свою очередь, может привести к изменению определенных свойств производимых излучателей. Как видно из таблиц, разница в температуре соседних образцов, при очень маленькой площади испытательных пластин, значительна. А, как известно, излучательная способность тела пропорциональна его абсолютной температуре в четвертой степени. Очевидна необходимость в точном нахождении рабочих параметров и соблюдении технологии нанесения керамик.
У каждой керамики своя собственная оптимальная пропорция состава, так как энергия излучаемая керамикой, зависит и от длины волны излучения; т.е. керамика обладает селективным излучением. Лучистая энергия, излучаемая керамикой, имеет качественно сложную спектральную характеристику. Количество излучённой энергии с поверхности керамики, зависит от условий, при которых происходят преобразования в самой керамике. Одним из основных факторов эффективного преобразования энергии, являются оптимальные условия нанесения керамики на поверхность излучателей. Чем лучше условия передачи энергии от рабочей поверхности к керамике, имеющие отличную друг от друга структуру, тем лучше эта энергия преобразуется в заданный ИК спектр. А так как все виды керамики отличны по внутренней структуре, имеют различную плотность и дисперсность, обладают собственными, различными спектрами излучения, то они и имеют различные для конкретной партии, оптимальные пропорции наносимого состава, при которых керамика имеет максимальную излуча-тельную способность.
Для определения излучательной способности керамики также можно использовать метод стабилизации температуры на излучающих образцах.
Стабилизацией определенной температуры на образце за счёт изменения напряжения, подводимого к нагревательному элементу, рассчитывается выделяемая мощность нагревательного элемента. Соответственно, тот образец с керамикой, к которому подводится большая мощность, при определенной фиксированной температуре, обладает лучшей излучающей способностью.
В стационарном режиме температура излучающего тела остается неизменной за счет непрерывного подвода первичной энергии к поверхности. Известно, что равновесное тепловое излучение, это стационарное тепловое излучение,
происходящее внутри измерительной (теплоизолированной) системы тел, обладающих способностью обмениваться энергией лишь путем испускания электромагнитных волн и поглощения энергии. При равновесном тепловом излучении энергия электромагнитных волн, излучаемых в единицу времени каждым телом, входящим в систему, равна энергии, поглощаемой этим телом за то же время.
Образцы покрываются керамическим составом, излучатель-ную способность которого нужно измерить. При достижении определенной пороговой температуры, излучающая способность керамики резко возрастает. По необходимости, этот порог при изготовлении керамики, может быть смещен в ту или иную сторону. По достижению порога, керамика начинает эффективно поглощать тепло нагретой поверхности, трансформируя его в ИК спектр. Энергия в этом случае отводится преимущественно за счет излучения ИК.
В лаборатории института, была проведена серия сравнительных экспериментов по определению эффективности применения керамик в охлаждающих системах. Измерения излучательной способности керамик проведены на геометрически одинаковых образцах пластин (100мм х 25мм х 2мм), изготовленных из металла, имеющего теплопроводность около 150 Вт/((м.К)) (алюминий) и 350 Вт/(м.К) (медь). Нагревательный элемент малогабаритный керамический, размером 25мм х 5мм х 1,25мм. Подводимая к нагревателю мощность стабилизировалась напряжением на различных заданных уровнях. Для всех образцов это значение одинаково. Температура измерялась цифровым прибором фирмы «OMEGA» -НН12. Датчик температуры во всех случаях один и тот же, размером 10мм х 5мм х 2мм. Все измерения проводились в специальной камере.
Сначала измеряется непокрытая функциональной керамикой пластина. Затем она покрывается определенным тестируемым составом. В центре образца оставляется полоса непокрытого металла шириной 10мм. С одной стороны непокрытого керамикой металла крепится нагревательный элемент, а на противоположной стороне - датчик температуры. Датчик температуры и нагревательный элемент устанавливались через слой пасты КПТ-8, имеющей большой коэффициент теплопроводности. Этим устраняются возможные контактные тепловые потери на неровностях пластин. Датчик температуры и нагревательный элемент фиксировали через тарированный пружинный зажим. Этими мерами установки и крепления элементов обеспечиваются идентичные условия теплового сопротивления для всех измеряемых образцов. Сравнивая температуры образцов с керамическим покрытием и без керамического покрытия при одинаковой подводимой мощности, можно судить об эффективности отвода тепла. В результате, при одинаковых внешних условиях пластина с керамикой более эффективно отводила тепло от нагревательного элемента за счет более высокой излучательной способности.
Вычитая показания термометра при одной и той же подводимой мощности к нагревательному элементу, получаем разницу температуры, возникающую только за счет керамического покрытия.
Для алюминиевых пластин с теплопроводностью 150 Вт/(м.К)., при температуре воздуха в измерительной системе 22 градуса Цельсия, полученные данные, представленные в таблице 6:
Таблица 6
Рахимов Р. Х., Ермаков В. П.
Таблица 7
Мощность (Ватт) Тем пература без покрытия Температура с покрытием Разница температуры
4,6 78oC 69oC 9oC
5,7 87oC 77oC 10oC
6,9 97oC 84oC 12oC
8,2 104oC 91oC 13oC
9,6 114oC 97oC 15oC
11,1 121oC 106oC 15oC
12,8 129oC 114oC 15oC
14,5 137oC 121oC 16oC
16,4 146oC 128oC 18oC
18,4 152oC 133oC 19oC
Разница, в мощности показанная в процентном отношении, подводимая к нагревательному элементу, при некоторых выбранных фиксированных значениях температуры этого элемента, наглядно показывает эффективность отвода тепла, для использовавшегося размера пластин, за счет применения керамического покрытия (таблица 7).
Рис. 1
Фиксируемая температура обоих образцов Мощность до покрытия керамикой Мощность после покрытия керамикой Разница в мощности (Ватт) Эффективность %
97oC 6,9 9,6 2,7 28,4%
114oC 9,6 12,8 3,2 24,9°%
121oC 11,1 14,5 3,4 23,4°%
Для медных пластин с теплопроводностью 350 Вт/(м.К)., при температуре воздуха в измерительной системе 22 градуса Цельсия, получены данные, представленные в таблице 8.
Таблица 8
Мощность (Ватт) Температура без покрытия Температура с покрытием Разница температуры
4,6 82oC 65oC 16oC
5,7 90oC 73oC 17oC
6,9 99oC 82oC 17oC
8,2 107oC 90oC 18oC
9,6 116oC 96oC 20oC
11,1 126oC 103oC 22oC
12,8 134oC 112oC 22oC
14,5 143 oC 119oC 24oC
16,4 150oC 126oC 24oC
18,4 159oC 132oC 27oC
Рис. 3
Данные представленные в таблице 9, показывают эффективность отвода тепла от медных пластин, при некоторых фиксированных значениях температуры нагревательного элемента.
Таблица 9
Рис. 2
Фиксируемая температура обоих образцов Мощность до покрытия керамикой (Ватт) Мощность после покрытия керамикой (Ватт) Разница в мощности (Ватт) Эффективность %
82oC 4,6 6,9 2,3 49,4%
90oC 5,7 8,2 2,5 43,9%
126oC 11,1 16,4 5,3 47,4%
Из приведенных данных, активность отвода тепла от медных пластин выше, чем алюминиевых. Экспериментально подтвердилась высокая эффективность охлаждения сильно нагретых поверхностей, за счет отвода тепла функциональной керамикой там, где охлаждение обычными методами были малоэффективны.
Рис. 5
Спектр применения функциональных керамик с заданными свойствами, посредством эффективного отвода тепла излучением, очень широк: - возможность охлаждения различных двигателей;
- отвод тепла от радиоэлементов, компьютерных процессоров, элементов работающих в тяжелом тепловом режиме, и т.п.;
- авиационной технике;
- в условиях, где отвод тепла возможен только за счет излучения.
Предложенный метод определения максимальной излучательной способности функциональной керамики, является достаточным для правильного определения рабочей пропорции состава при нанесении керамики, а также для задания излучателям специальных рабочих режимов.
Список литературы:
1. Рискиев Т. Т., Абдурахманов А. А., Акбаров Р.Ю. Возобновляемая энергия. M., Ежеквартальный информ. бюлл. Интерсоларцентр. 1997. № 1. С. 47- 48.
2. Р.Х.Рахимов, Е.В.Ким. Эффект спектрального преобразования керамическими материалами. ДАН УзССР, №6, стр17-18, 1990.
3. Р.Х.Рахимов, Е.В.Ким. Патент США № 5 350 927, выдан 27 сентября 1994 года.
4. Rachimov, R.C.; Ermakov, V.P.; John, P.; Rachimov, M.R. Anwendung funktioneller keramiken für technologien des trocknens mit impuls-infrarot. Фрайбергские исследовательские папки. Журнал Горной Академии. Freiberger Forschungshefte, Опубликовано 02.06.2014, C. 1-44. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:105-qucosa-151116
5. Rustam Ch. Rachimov , Mechanismus zur Erzeugung von Infrerotim-pulsen mit funktionalen Keramiken. Фрайбергские исследовательские папки. Журнал Горной Академии. Freiberger Forschungshefte, 2014, март, C. 1-13. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:105-qucosa-135637
6. Dr. Peter John (Bild), Prof. Rustam Rachimov, Murod Rachimov, Vladimir Ermakov. Schnelle und energiesparende Lacktrocknung mit So-larwa,rme, JOT 11.2014, р.38-41. Journal für Oberflächentechnik 11/2014, S. 38 ff -> Zum Artikel
7. Рахимов Р. Х., Синтез функциональной керамики на БСП и разработки на ее основе. Журнал «Computational nanotechnology», №3, 2015, 11-26
8. Рахимов Р. Х. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. Часть 1. Журнал «Computational nanotechnology», №2, 2016, 9-28
9. Рахимов Р. Х. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. Часть 2. Журнал «Computational nanotechnology», №2, 2016, 28-66
10. Рахимов Р. Х., Саидов М. С., Ермаков В. П. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. часть 5. механизм генерации импульсов функциональной керамикой, Журнал «Computational nanotechnology», №2, 2016, 81-94
