Теплофизические параметры бетэла
Само название бетэла определяет область назначения данного материала. Он может быть использован в качестве основы для изготовления нагревательных (низкотемпературных) элементов, активных сопротивлений (резисторов) с энергией, рассеиваемой в кратковременных режимах (адиабатических) и измеряемой десятками и сотнями миллионов джоулей (Мдж), различного рода объемных заземлителей и т. д.
Последние два из перечисленных выше назначений бетэла носят чисто электроэнергетический характер. Указанная область применения бетэла, как резистивного материала, с регулируемой в процессе изготовления величиной удельного сопротивления, определяет основной подход к расчету изделий и конструкций, изготовленных из него.
Основным в расчете таких изделий является определение тепловых режимов работы, причем температура перегрева последних должна находиться в диапазоне допустимых для материала значений. Таким образом, как и у большинства электротехнических устройств, при работе в режиме длительного включения электрическая мощность изделий из бетэла определяется условиями теплового баланса рассеиваемой в них электрической энергии (превращающейся в тепловую) и отдаваемой затем в окружающую среду.
Получение бетэла, как абсолютно плотного тела, нереально, поэтому при расчетах температуропроводности изделий следует в формулу подставлять действительные значения теплопроводности Я, теплоемкости Ср и удельного веса у, полученные с учетом его пористости опытным или расчетным путями.
Допустимые температуры перегрева бетэла с цементной связкой были установлены экспериментальным путем и находятся в пределах — 60 - I50°C.
Коэффициент теплоотдачи. Для расчета теплового режима работы изделий из бетэла необходимо знание теплоотдающей способности их поверхности. Последняя является физической характеристикой данного материала, однако в большой степени зависящей от ряда внешних факторов: степени шероховатости поверхностей изделий, их конфигурации и расположения (вертикальное, горизонтальное), вида и состояния теплоносителя, скорости его перемещения, что определяет форму потока (ламинарный, турбулентный) и т. д. Кроме того, коэффициент теплоотдачи путем лучеиспускания зависит от степени «черноты» поверхности материала и расположения изделия в свободном или стесненном помещении и др.
Режим постоянного включения бетэловых элементов цилиндрической формы (резисторов). Расчет режима постоянного включения их на основании приведенных выше данных, касающихся коэффициента теплоотдачи, показывает, что мощность их сравнительно невелика.
Однако, поскольку мы имеем дело с изделиями цилиндрической формы, для которых теплоотдающая поверхность имеет минимальные значения по сравнению с объемом (за исключением сферы), и вследствие конечной теплопроводности бетэла, распределение температуры по сечению цилиндра не может быть линейным.
Режим адиабатического нагрева и остывания цилиндрических бетэловых элементов. Как было указано ранее, в режиме адиабатического нагрева (кратковременное или импульсное включение) вся энергия в изделии рассеивается за счет его собственной теплоемкости. При этом вследствие инерционности процесса теплопередачи тепловое поле в материале изделия в первый момент сохраняется достаточно однородным (в случае однородности распределения проводящей фазы в объеме )и лишь с течением времени участки изделия вблизи его поверхности начинают остывать. Конечное значение величины теплопроводности бетэла определяет длительность этого остывания, которое будет максимальным для наиболее удаленных от поверхности участков и прежде всего на оси цилиндрического элемента.
Длительность остывания изделия является решающим критерием для его повторного включения, иными словами готовности к приему следующей порции электрической энергии без доведения его до разрушения вследствие недопустимого перегрева. Для выяснения длительности остывания бетэловых элементов различного размера был произведен расчет этого процесса с определением значения температуры перегрева на оси цилиндра и его поверхности во времени при установке.
Расчетные значения режима остывания бетэловых элементов проверялись опытным путем. Основной задачей этой проверки было выяснение соответствия расчетных значений тепло-физических параметров, которые определяют изменение тепловых режимов бетэловых резисторов.
Для измерения температуры на оси элементов при их изготовлении внутрь были заформованы термометры сопротивления, которые так же были установлены на поверхности.
С точки зрения сокращения длительности остывания бетэловых элементов выгоднее использовать элементы с меньшим диаметром, а при обеспечении достаточно высоких градиентов напряжения вдоль поверхности — с развитой поверхностью.