CN106442612B - 真空高温热防护产品绝热性能测试方法 - Google Patents

真空高温热防护产品绝热性能测试方法 Download PDF

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Abstract

真空高温热防护产品绝热性能测试方法，它涉及一种检测方法。本发明为了解决现有测试热防护产品绝热性能过程中温升时间存在较大散差，排除测量设备和测量工艺干扰导致测试结果不准确的技术问题。方法如下：将热防护层包覆被防护产品后，在真空度为7×10‑3Pa，在防护层的外侧设置第一温度测点T1，在防护层的内侧设置第二温度测点T2，通过加热使第一温度测点T1温度至少达到500℃，然后在加热一段时间后，达到热流稳定状态，防护层的内侧第二温度测点T2温升速率呈线性关系时，通过公式计算热防护层的导热系数与被防护产品温度变化率成线性关系，气瓶温度变化率数值越大热防护层绝热性能越差。本发明给出了气瓶热防护层产品隔热性能的量化评价方法。

Description

真空高温热防护产品绝热性能测试方法
技术领域
本发明涉及一种真空高温热防护产品绝热性能测试方法。
背景技术
钛合金气瓶热防护层产品是由中间层低热传导材料和两侧高反射率材料间隔复合而成多层复合结构热防护层，为了保证产品可靠性，在产品的生产交付过程中制定了批产品抽检试验要求。试验方法为：在真空条件下，气瓶包覆热防护层产品后，在防护层和气瓶的外侧分别设置温度测点，通过加热使防护层外侧温度测点温度至少达到500℃，保持一定时间，通过内侧测点测量气瓶壳体温升判定产品的综合绝热能力。测试过程中发现内侧测点温升受到测试过程中外侧0～500℃温升时间影响比较大，试验过程中0～500℃温升时间长短严重影响测试结果，而温升时间受设备的加热能力制约，不能保证测试的一致性，在试验过程中温升时间存在较大散差，为了更准确测试复合结构气瓶热防护层的综合绝热性能，排除测试设备和测试工艺过程对测试性能影响，又不再采用仅通过原材料性能评定来保证整件产品性能的评价方法，需研究其它性能判定方法来客观准确评判产品的绝热性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有测试热防护层绝热性能过程中温升时间存在较大散差，由于测量设备和测量工艺干扰导致测试结果不准确的技术问题，提供了一种真空高温热防护产品绝热性能测试方法。
真空高温热防护产品绝热性能测试方法按照以下步骤进行：
将被防护产品包覆热防护层后，在真空度为7×10-3Pa，在防护层的外侧设置第一温度测点T1，在防护层的内侧设置第二温度测点T2，通过加热使第一温度测点T1温度至少达到500℃，然后在加热一段时间后，达到热流稳定状态，防护层的内侧第二温度测点T2温升速率呈线性关系时，通过导热方程计算防护层导热量，计算公式如式1所示：
式中：φ—单位时间内传递的热量，单位W；
λ——导热系数，单位为[W/((m·k)]；
——温度梯度，[K]；
A——传热面积，[m2]；
气瓶通过热防护层的传热温度升高，吸收的热量可通过式2计算：
式中：φ—单位时间内传递的热量，单位W；
ρ——密度，单位为[kg/m3]；
c——比热容，单位为[J/(kg*K]；
V——体积，单位为[m3]；
——温度变化率，[K/s]；
由于平衡后被防护产品通过防护层吸收的热量恒定，热流密度也恒定，热防护层为非金属低密度绝热材料，比热容与金属近似，而被防护产品的质量远大于防护层的质量，因此热防护层热容远小瓶体热容，可近似认为通过热防护层的热量等于气瓶吸收的热量，即防护层不吸热，热平衡计算如式3所示；
在式1中由于防护层内外层温度差别很大，可近似认为测试过程中温度梯度为定值，因此热防护层的导热系数与气瓶温度变化率成线性关系，气瓶温度变化率数值越大热防护层绝热性能越差。
本发明给出了发动机气瓶热防护层产品隔热性能的量化评价方法，试验过程测到的瓶体温度变化率能够客观准确的反映产品的绝热性能，该评定方法能够排除设备的加温能力和测试工艺过程的影响，该评定方法也可用于产品形装不规则的整件产品绝热性能评定。
附图说明
图1是试验一中气瓶被热防护层包覆状态照片；
图2是试验一中ECM真空高压气淬炉照片；
图3是试验一中加热气瓶结构示意图，图中1表示热防护层，2表示热源，3表示气瓶，4表示支撑块，5表示第一温度测点T1，6表示第二温度测点T2；
图4是试验一中热防护层的结构示意图；
图5是试验一中一次试验的气瓶热防护层绝热性能试验结果，图中1表示第一次试验T1温度曲线，2表示第二次试验T1温度曲线，3表示第二次试验T2温度曲线，4表示第二次试验T2温度曲线；
图6是试验一中一次试验的气瓶防护层绝热性能试验结果，图中B表示T1温度达到500℃，C表示热流接近稳态，E表达T2温度达到试验结束的温度值，F表示T2温度达到试验结束时要求的温度值。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式中真空高温热防护产品绝热性能测试方法按照以下步骤进行：
将被防护产品包覆热防护层后，在真空度为7×10-3Pa，在防护层的外侧设置第一温度测点T1，在防护层的内侧设置第二温度测点T2，通过加热使第一温度测点T1温度至少达到500℃，然后在加热一段时间后，达到热流稳定状态，防护层的内侧第二温度测点T2温升速率呈线性关系时，通过导热方程计算防护层导热量，计算公式如式1所示：
式中：φ—单位时间内传递的热量，单位W；
λ——导热系数，单位为[W/(m·k)]；
——温度梯度，[K]；
A——传热面积，[m2]；
气瓶通过热防护层的传热温度升高，吸收的热量可通过式2计算：
式中：φ—单位时间内传递的热量，单位W；
ρ——密度，单位为[kg/m3]；
c——比热容，单位为[J/(kg*K]；
V——体积，单位为[m3]；
——温度变化率，[K/s]；
由于平衡后被防护产品通过防护层吸收的热量恒定，热流密度也恒定，热防护层为非金属低密度绝热材料，比热容与金属近似，而被防护产品的质量远大于防护层的质量，因此热防护层热容远小瓶体热容，可近似认为通过热防护层的热量等于气瓶吸收的热量，即防护层不吸热，热平衡计算如式3所示；
在式1中由于防护层内外层温度差别很大，可近似认为测试过程中温度梯度为定值，因此热防护层的导热系数与气瓶温度变化率成线性关系，气瓶温度变化率数值越大热防护层绝热性能越差。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述通过加热使第一温度测点T1温度达到500℃。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是所述通过加热使第一温度测点T1温度达到600℃。其它与具体实施方式一或二之一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是所述通过加热使第一温度测点T1温度达到700℃。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是所述通过加热使第一温度测点T1温度达到800℃。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是所述通过加热使第一温度测点T1温度达到900℃。其它与具体实施方式一至五之一相同。
采用下述试验验证本发明效果：
试验一：
将气瓶采用钛合金气瓶热防护层包覆(钛合金气瓶热防护层由外到内由第一石英纤维布层1、第一铝箔层2、柔性隔热毡3、第二石英纤维布层5、第二铝箔层4组成，第一石英纤维布层1、第一铝箔层2、柔性隔热毡3、第二石英纤维布层5、第二铝箔层4过石英纤维线缝合。)，采用法国ECM真空高压气淬炉(炉膛工作尺寸：1000×600×600mm，工作真空度：2×10-5mbar，最高工作温度：1350℃)在真空度为7×10-3Pa，在防护层的外侧设置第一温度测点T1，在气瓶的外侧设置第二温度测点T2，通过加热使第一温度测点T1温度至少达到500℃，然后在气瓶的外侧第二温度测点T2温升速率呈线性关系时，通过导热方程计算防护层导热量，计算公式如式1所示：
式中：φ—单位时间内传递的热量，单位W；
λ——导热系数，单位为[W/((m·k)]；
——温度梯度，[K]；
A——传热面积，[m2]；
气瓶通过热防护层的传热温度升高，吸收的热量可通过式2计算：
式中：φ—单位时间内传递的热量，单位W；
ρ——密度，单位为[kg/m3]；
c——比热容，单位为[J/(kg*K]；
V——体积，单位为[m3]；
——温度变化率，[K/s]；
由于平衡后气瓶通过防护层吸收的热量恒定，热流密度也恒定，热防护层为非金属低密度绝热材料，比热容与金属近似，而气瓶瓶体的质量远大于防护层的质量，因此热防护层热容远小瓶体热容，可近似认为通过热防护层的热量等于气瓶吸收的热量，即防护层不吸热，热平衡计算如式3所示；
在式1中由于防护层内外层温度差别很大，可近似认为测试过程中温度梯度为定值，因此热防护层的导热系数与气瓶温度变化率成线性关系。
经过两次试验后，试验结果如图5所示，对试验结果分析，在第一次试验过程中气瓶壳体初始温度为17.9℃，防护层外侧通过239s加热达到500℃，气瓶壳体温度为17.5℃，加热一段时间后温度轻微降低原因可能是在高真空下材料内部淅出气体或水蒸气导致温度降低，而外界加热尚未传导到内部，如图5中A点所示，到1360s热防护层达到热流稳定，气瓶壳体温度温度为24.7℃，如图5中D点所示；在第二次试验过程中气瓶壳体初始温度为22.7℃，防护层外侧通过580s加热达到500℃，气瓶壳体温度为21.9℃，如图中B点所示，到1510s热防护层达到热流稳定，气瓶壳体温度为30.1℃，如图5中C点所示。详细数据见表1。
表1试验过程数据表
在试验过程中，初期加热T2有微小温度波动过程，随着加热过程持续，气瓶壳体温度逐渐升高，达到某一状态点后，即稳态点，气瓶壳体温度变化与时间变化成线性关系，即气瓶的温度变化率恒定，证明通过热防护层的热流密度稳定。从图5中分析可知，在加热和保温过程中，加热过程气瓶壳体升温小，保温过程温升大。
通过两次试验，第二次试验达到稳态点后气瓶壳体温度变化率为0.0275℃/s，而第一次试验温度变化率为0.019℃/s，由此可知，第二次试验材料的综合导热率超过第一次试验材料的综合导热率，第二次试验产品的综合隔热性能劣于第一次试验产品的综合隔热性能。可接受产品温度变化率上限为0.025℃/s，第二次试验产品绝热性能不能满足要求。
常规绝热材料的绝热性能评定方法比较成熟，而对真空高温绝热产品的隔热性能进行量化评定难度很大，通过理论分析和试验研究，本发明给出了发动机气瓶热防护层产品绝热性能的量化评价方法，试验过程测到的瓶体温度变化率能够客观准确的反映产品的绝热性能，该评定方法能够排除设备的加温能力和测试工艺过程的影响，该评定方法也可用于产品形装不规则的整件产品绝热性能评定。

Claims (6)

1.真空高温热防护产品绝热性能测试方法，其特征在于真空高温热防护产品绝热性能测试方法按照以下步骤进行：
将被防护产品包覆热防护层后，在真空度为7×10-3Pa，在防护层的外侧设置第一温度测点T1，在防护层的内侧设置第二温度测点T2，通过加热使第一温度测点T1温度至少达到500℃，然后在加热一段时间后，达到热流稳定状态，防护层的内侧第二温度测点T2温升速率呈线性关系时，通过导热方程计算防护层导热量，计算公式如式1所示：
式中：φ-单位时间内传递的热量，单位W；
λ——导热系数，单位为[W/(m·k)]；
——温度梯度，[K]；
A——传热面积，[m2]；
气瓶通过热防护层的传热温度升高，吸收的热量可通过式2计算：
式中：φ-单位时间内传递的热量，单位W；
ρ——密度，单位为[kg/m3」；
c——比热容，单位为[J/(kg*K]；
V——体积，单位为[m3」；
——温度变化率，[K/s]；
近似认为通过热防护层的热量等于气瓶吸收的热量，即防护层不吸热，热平衡计算如式3所示；
热防护层的导热系数与气瓶温度变化率成线性关系，气瓶温度变化率数值越大热防护层绝热性能越差。
2.根据权利要求1所述真空高温热防护产品绝热性能测试方法，其特征在于所述通过加热使第一温度测点T1温度达到500℃。
3.根据权利要求1所述真空高温热防护产品绝热性能测试方法，其特征在于所述通过加热使第一温度测点T1温度达到600℃。
4.根据权利要求1所述真空高温热防护产品绝热性能测试方法，其特征在于所述通过加热使第一温度测点T1温度达到700℃。
5.根据权利要求1所述真空高温热防护产品绝热性能测试方法，其特征在于所述通过加热使第一温度测点T1温度达到800℃。
6.根据权利要求1所述真空高温热防护产品绝热性能测试方法，其特征在于所述通过加热使第一温度测点T1温度达到900℃。
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