Особенности проведения испытаний в климатических камерах

Материалы лекции № 2.5.

Особенности проведения испытаний в климатических камерах.

*****

Теплообмен в испытательных камерах и его особенности. Взаимосвязь параметров газовой среды испытательного стенда и процессы их регулирования. Классификация климатических испытательных камер и их основные параметры.

*****

2.5.1. Теплообмен в испытательных камерах и его особенности

Воздействие повышенной (пониженной) температуры на различные устройства приводит к изменению значений их параметров, рабочих характеристик и в ряде случаев к ограничению работоспособности. Температура изделий зависит от условий окружающей среды и от количества теплоты, выделяемой ими самими. В системе, образованной изделием и окружающей средой, имеет место изменение температуры и возникает теплообмен, являющийся сложным процессом, зависящим от способов переноса теплоты: теплопроводности, конвекции и теплового излучения.

Перенос теплоты осуществляется:

Ø при непосредственном соприкосновении тел с различной температурой за счет теплопроводности;

Ø при перемещении термопроводящего вещества (жидкости или газа) в пространстве – за счет конвекции;

Ø при переносе теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением тепловой энергии в энергию излучения и обратно – за счет теплового излучения.

В реальных условиях указанные явления в обособленном виде встречаются редко, поскольку они протекают одновременно и взаимосвязано.

Обмен теплотой между твердой поверхностью и газом (или жидкостью) происходит за счет теплопроводности и конвекции одновременно; этот процесс называется конвективным теплообменом, или теплоотдачей. Передачу теплоты от нагретого газа (жидкости) к холодному через разделяющую их стенку называют процессом теплопередачи. Распространение теплоты может быть стационарным и нестационарным. При стационарных процессах температурное поле остается постоянным во времени, при нестационарных – температурное поле является функцией времени. Нестационарность тепловых процессов обусловливается изменением теплосодержания (энтальпии) изделия и связана с его прогревом либо охлаждением. Для лучшего понимания физических процессов, происходящих в объектах при воздействии повышенной (пониженной) температуры во время эксплуатации и при испытаниях с помощью испытательного оборудования, кратко проанализируем приведенные выше явления теплообмена.

Обмен теплотой между окружающей средой – газом (воздухом) и твердой поверхностью объекта или стенками испытательной камеры происходит за счет теплопроводности, характеризующейся переносом тепловой энергии путем взаимодействия частиц, находящихся в непосредственном соприкосновении друг с другом и имеющих различную температуру. Распространение теплоты за счет теплопроводности зависит от природы и физического состояния вещества. В чистом виде теплопроводность наблюдается только в твердых телах (лучше всего это заметно в металлах) и определяется законом Фурье

                                                   (2.5.1.)

где q — тепловой поток, представляющий собой количество теплоты, переданной в единицу времени через единицу поверхности, Вт·м^-2; λ – коэффициент теплопроводности, Вт*(м*К)^-1;  – градиент температуры – предел отношения изменения температуры Δtк расстоянию между изотермами по нормали Δn (рисунок 2.5.1.).

Коэффициент теплопроводности определяется количеством теплоты, проходящим в единицу времени через единицу площади измерительной поверхности при температурном градиенте, равном единице:

                                         (2.5.2.)

где Q количество теплоты; F - площадь поверхности теплообмена, м²; τ– время, с; Δt – разность температур, °С; l– расстояние, на котором определена указанная разность температур, м.

Коэффициент теплопроводности в общем случае зависит от физических свойств вещества (структуры, плотности, влажности, давления и температуры) и его способности проводить тепло. Практически имеются решения задачи определения стационарной теплопроводности только для тел простой формы (пластина - стенка, многослойная стенка, цилиндрическая стенка, однородная шаровая стенка и т д.). Наибольший интерес с точки зрения испытаний и конструирования представляет расчет теплопроводности как плоских стенок испытуемых изделий или камеры, так и приспособлений для установки изделий в камеру, которые во многом определяют тепловой режим испытуемого изделия. Если в стационарном процессе рассмотреть теплопроводность плоской стенки толщиной δ с постоянным коэффициентом теплопроводности λ, то при изменении температуры в направлении t и разности температур t₁и t₂(См. рисунок 2.5.2.) тепловой поток будет определяться формулой

                                     (2.5.3.)

Отношение λ/δ называют тепловой проводимостью стенки, а обратную величину δ/λ – термическим сопротивлением. Так как при распространении теплоты температура в различных точках тела различна, то важно определять λ в конкретных точках. При постоянном значении х температура однородной стенки изменяется по линейному закону: