红外辐射涂料（精选7篇）
红外辐射涂料 篇1
针对现代战争中红外探测技术的日趋成熟和广泛应用,为提高武器装备和单兵的战场生存能力及安全性,有效地保障部队的战斗力,新型红外隐身涂料的研究及其实用化就凸显出了重要的军事意义[1,2]。
当前,红外隐身涂料研究大多以制备低红外发射率隐身涂层为主要内容,多侧重于研究涂层红外发射率及其影响因素[3,4,5],而对于在热、光环境下,涂层的温度及热辐射能等性能的变化情况则少有研究。本方法制备了一种新型低发射率红外隐身涂层,在研究涂层红外发射率及其影响因素的基础上,着重研究了在加热升温、红外光照及太阳光照等条件下,涂层表面温度及热辐射能等红外特性的变化情况,对于涂层的实用化研究具有重要参考价值。
1 实验部分
1.1 红外隐身涂层制备
将粘合剂溶于溶剂后,超声振荡分散15min,加入一定质量浓度的金属化空心陶瓷粉(粉体表面镍磷金属化包覆改性,8～14μm波段红外反射性能大幅提高,红外光谱图如图1所示)及其它填料,再超声振荡分散15min,并根据需要加入相应助剂,制备红外隐身涂料,涂覆于特定基材上,制备红外隐身涂层。
(1-空心陶瓷粉,2-金属化空心陶瓷粉)
1.2 性能测试
S-30A发射率可调红外测温仪与W-202热电偶联用,用于测试涂层在8～14μm波段平均红外发射率以及涂层表面温度。
MR-4辐射能计,用于测试涂层在8～14μm波段的热辐射能。
2 结果与讨论
2.1 涂层红外发射率测试
通过对填料粒径、涂层厚度、填料种类及质量浓度、粘合剂种类及质量浓度、基材和涂装工艺等红外发射率影响因素的系统分析,涂层的各影响因素及确定值如表1所示时,可获得8～14μm波段平均红外发射率为0.63的新型红外隐身涂层。
经测试,金属化空心陶瓷粉作为主填料,良好的润湿性使其在涂层体系中具有良好的分散性;其较小的颗粒密度使其具有较好的防沉降性能,保证了涂料体系的稳定性。本研究制备的红外隐身涂层已初步具备了“轻”、“薄”、“高”等红外隐身涂层未来发展的特点。
2.2 加热及红外光照升温实验
2.2.1 加热升温实验
在室温条件下,选取对比涂层组进行加热升温实验。涂层组a:填料为空心陶瓷粉;涂层b:填料为金属化空心陶瓷粉。加温装置为DB-3型恒温电热板,结果如表2所示。
从表2可看出,涂层组a的加热升温速率比涂层b小;在相同加热时间内,两涂层组温差最大可达5.7℃;达到相同恒定温度所需时间,涂层a比涂层b晚15min左右。
2.2.2 红外光照升温实验
在室温条件下,选取对比涂层组进行加热升温实验。涂层组a:填料为空心陶瓷粉,涂层b:填料为金属化空心陶瓷粉。光照升温装置为红外灯,涂层距红外灯距离为20cm,结果如表3所示。
从表3可看出,涂层a的红外光照升温速率明显低于涂层b。在相同光照时间内,两涂层温差最大可达3.1℃。
金属化空心陶瓷粉是一种大热惯量材料,特殊的中空结构使其具有较低的热传导系数,保证了涂层加热升温速率减小。同时金属化空心陶瓷粉作为一种复合材料,表面镍磷镀层优异的导电性能大幅提升了其导电性能,同时显著提高了其反射性能,降低了涂层对红外光辐射的吸收,保证了涂层具有较低的红外光照升温速率。
升温实验结果表明,以金属化空心陶瓷粉体为主填料制备的涂层,其控温隔热性能明显提高,且对红外光辐射的吸收进一步降低,这对于控制目标物体的表面温度,延缓其被探测发现的时间,提高其红外隐身能力具有重要意义。
2.3 环境使用效果实验
地球上所能接受到的太阳辐射的波长主要分布在0.25～2.5μm范围内,物体吸收太阳辐射后,主要以红外光的形式再向外辐射能量,如果物体向外辐射能量明显高于周围物体,则物体很容易被红外探测器发现和识别。
将不同基材的涂层置于户外自然环境中,观察涂层在不同时段受自然环境影响(主要是太阳光照)引起的涂层升温和热辐射能变化情况,研究涂层环境使用性能。图2是涂层在某天(11月初,晴天)中不同时段的表面温度变化情况及环境温度的变化情况,图3是涂层在一天中不同时段表面热辐射能的变化情况。
从图2及图3可看出,自然环境中基材为马口铁的涂层表面升温幅度比其他基材的涂层要小,且与其他基材的涂层表面温差最大可达6.8℃;以马口铁为基材的涂层表面热辐射能要明显小于其他基材,降低幅度约为25% 。显然以马口铁为基材的涂层的红外隐身性能较好。
由于马口铁与多数武器系统的表面材质具有很大程度的相似性,实验结果将对涂层实用化研究具有重要参考价值。结合涂层环境使用性能实验进行分析,在武器系统表面涂覆本研究制备的红外隐身涂料,将会使武器系统具有较好的红外隐身性能,相关实验有待进一步研究。
3 结 论
(1)以金属化空心陶瓷粉体为主填料制备的涂层,在8～14μm波段平均红外发射率较低,最低为0.63,且基本具备“轻”、“薄”、“高”的特点。
(2)升温实验结果表明,涂层的控温隔热性能明显提高,且对红外光辐射的吸收降低。这对于延缓目标物体被探测发现的时间,提高其红外隐身能力具有重要意义。
(3)自然光照环境中,以马口铁为基材的涂层控温性能明显优于其他基材的涂层,且表面热辐射能更小。实验结果为涂层实用化研究提供了重要参考。
参考文献
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[5]Low-Emissivity Camouflage Coat[R].AD-A310642,1996
红外辐射涂料 篇2
长庆油田第五采油厂姬五联合站采用4台1600KW真空相变加热炉加热炉对全站集输系统进行加热处理。在2012年对4台加热炉的热效率评定中发现实际平均使用效率82%, 这离公司设计原值85%有一定的距离, 并且不符合公司的考核要求。在这种效率下对设备的安全运行产生了严重的影响, 不仅造成了燃料的极大浪费还增加了单位成本, 对企业的经济效益产生了严重影响。但是传统的“三门一板”操作, 作用局限在仅仅能控制烟气中的含氧量和排烟的温度, 对设备进行修修补补, 在一定程度上难以获得明显的效果。因此提高热炉热效率最有效的途径就是应用新技术。根据目前国内外发展的技术, 厂里的设备主管领导决定采用ZS-1061高温红外线逆辐射涂料对4台加热炉内表面进行喷涂的方法改造加热炉。
二、高温红外线逆辐射的加热原理
1、高温红外线逆辐射涂料的加热技术原理
远红外线以辐射传热的形式对被加热物体进行传热, 因为远红外线本身就是一种能量传递的电磁波, 所以当辐射源的波长与被辐射物的吸收波长一致时, 被加热物吸收了大量的红外线, 使得物体内部的分子和原子产生“共振现象”, 这种强烈的震动和旋转在物质分子吸收了红外辐射后产生了能量的转变, 使晶格和键团产生碰撞, 增大了摩擦, 使物体发热升温。同时, 红外辐射加热的物体, 在红外辐射穿透到的部位, 其温度比表面要高, 因此, 在炉膛使用了高温红外线逆辐射涂料后, 炉内表面吸收热量大量增加, 缩短了加热时间, 提高了升温速度, 从而达到了节能的目的。
2、高温红外线逆辐射涂料对炉膛内有效辐射的影响
有效辐射是指在热交换过程中, 除炉膛内壁自身辐射和来自各方面辐射和反射外, 而离开炉膛内壁与反射的总和。根据热平衡的观点, 炉膛内壁有效辐射的大小取决于来自火焰加热工件和炉膛内壁自身部分的辐射和反射, 而火焰炉热源有效辐射的大小及辐射热流的大小又取决于炉温和黑度, 并且在稳定的状态下, 炉膛内的有效辐射是不变的。当加热炉炉膛内表面涂上高温红外线逆辐射涂料后, 经测试有效辐射率在0.75的基础上提高了120%, 根据斯特藩—玻尔兹曼定律, 在相同的供热前提下, 炉膛温度必然随着炉膛内有效辐射的增加而增加, 炉壁表面的辐射能力与热力学温度的四次方成正比。研究表明, 炉膛内使用高温红外线逆辐射涂料经高温物相变化后, 由于炉内辐射热吸收量的增加, 反射热减少, 使得炉膛内温度有所提高, 一般可以提高1-13%。
三、高温红外线逆辐射涂料在使用情况
1、使用高温红外线逆辐射涂料的优点体现在以下几点:
(1) 涂于表面后会形成一层牢固的涂层, 不仅有耐磨耐腐蚀的作用, 还能有效反射炉膛内的红外热能, 保护炉体。
(2) 涂于炉内后能减少炉外的散热损失和热量损失, 提高热效率, 节省时间。
(3) 层能很好的与基体结合, 形成过度层和涂层的结构, 减少机械冲击和热冲击。
(4) 提高涂料的黑度, 使其在波长2.5-15μm的光谱区间, 发射率都在93%以上, 能稳定处理增黑剂, 提高炉子的寿命。高温远红外辐射节能涂料, 远红外涂料, 远红外辐射涂料, 窑炉、锅炉节能涂料。
(5) 提高锅炉对低质燃料的适应能力。
(6) 使燃料和氧充分接触并扩大炉膛的热容积。
(7) 使炉膛运行稳定化、安全化。
(8) 减少烟气的排烟温度, 节约能耗。
2、使用的效益评估
(1) 可能产生的环境效益估算:
安全无环境污染、促进燃料充分燃烧、增加热量吸收、减少烟气排放带走大量热量, 节能效果显著且耐高温、化学稳定性优良、耐各种气体腐蚀。
(2) 可能产生的经济效益估算:
使用高温红外线逆辐射涂料后, 经测试高温下炉体辐射率由原来的0.6升高到0.9, 延长加温炉内衬寿命30%、节约燃料5%、可缩短升温时间1/10、6台加热炉毛油盘管平均温升4℃左右, 热效率为86%, 提高热效率4%, 达到了改造目的。并且在使用后炉膛结垢烟管堵塞明显减少, 减轻了员工清理的频次, 延长了加热炉的使用寿命。
以每台炉子最低节能5%计算:
姬五联4台炉子额定每小时消耗燃气110m3
每台炉子每小时可节燃气:110X5%=5.5m3
每m3燃气以2元价格计算每年:33726X2=67452元
一次喷涂可使用3年, 除去喷涂成本5万元, 3年可节省燃料费用15.2万
总结
使用该涂料的效果:
1.有效控制燃料分子在炉内完全燃烧, 避免流入烟道中, 从而减少了烟尘排放。
2.该涂料在高温下射出的远红外电磁波具有穿透力强的特点, 不仅能使燃烧的速度加快, 而且能节省时间和能源。
3.炉膛内涂了该涂料后, 提高了涂料的黑度、炉内温度和辐射能量, 从而改变炉内流体的状况, 延长烟气在炉内的停留时间, 产生二次燃烧, 不仅可以降低排烟温度, 还能减少热损失。
4.燃料燃烧时, 温度变化过程中, 通过高温远红外辐射, 能改变分子内部结构并重新排列组合, 增大粉尘颗粒的体积, 气化燃料中的SO2等有害成分。
综上所述, 高温红外线逆辐射涂料与普通技术相比, 具有生产效率高, 增大热辐射率, 减少排烟损失, 减少烟尘和有害物质的排放等优点, 达到环境保护和节约能源的目的。
摘要：概述了高温红外线逆辐射涂料在长庆采油五厂加热炉中的试使用情况, 节能机理、主要性能及使用效益。
红外辐射涂料 篇3
1 目标的红外辐射及数字建模
1.1 红外光谱
红外线是电磁波谱的一个部分, 红外系统是用于红外辐射探测的仪器。红外通常指波长从0.75至1000μm的电磁波, 红外波段的短波端与可见光红光相邻, 长波端与微波相接。红外与电磁频谱的其他波段一样以光速传播, 遵守同样的反射、折射、衍射和偏振等定律。彼此差别只是波长、频率不同而已。
1.2 基本辐射定律
1.2.1普朗克热辐射定律
根据普朗克辐射定理, 凡是绝对温度大于零度的物体都能辐射电磁能, 物体的辐射强度与温度及表面的辐射能力有关, 辐射的光谱分布则与物体温度密切相关。普朗克定理可表示为:
1.3 材料的比辐射率
从基尔霍夫定律可得出结论:在给定温度下, 任何材料的比辐射率在数值上等于该温度时的吸收率。
根据能量守恒定律, 入射的辐射能等于吸收、反射、透过能量之和, 即:
对于不透辐射材料τ=, 0α=ε, 所以有
由于直接测量比辐射率比较困难, 可通过测量反射率来间接测量比辐射率。
1.4 目标和观察者之间倾角的计算
根据电磁波的传播原理, 传播中的电磁波的能量为:
如图1所示:当观察者与目标的距离为R, 目标宽为1l, 高为l2, 若图像某点的像素位置为 (i, j) , 图像的像素尺寸为 (m, n) 时, 则
2红外辐射的大气衰减
2.1大气中辐射衰减的物理基础
3红外图像生成
3.1图像生成
红外图像是利用红外热像仪接受来自目标和景物的红外辐射, 经过光电转换, 将不可见的辐射转变成可见的图像, 图像的各像素点的明暗 (亮度) 变化对应着目标和景物的辐射能量强弱的变化。
3.2图像仿真
用电脑生成楼房模型:在特定的比辐射率, 观察者距离目标100m, 在衰减情况下设定距离为2km。图2 (c) 中楼房的温度高于图 (a) 。 (a) (c) 是不考虑大气衰减时楼房的仿真图像, (b) (d) 是对应条件下经过2km水平路径的大气衰减后得到的图像。
4结语
本文针对远距离点目标探测仿真技术的研究, 主要有以下几个工作部分。
(1) 针对远距离目标探测而言, 大气衰减的效果是不容忽略的。本文通过计算红外辐射大气透过率, 在红外模型当中引入大气衰减的影响, 使结果更接近于真实情况。
(2) 考虑了观察者对目标视角, 使各点的像素有明显的过度, 从而仿真结果更为逼真。
(3) 通过软件系统的设计, 实现了不同温度, 波段, 距离等参数下目标探测的红外仿真图像生成。
参考文献
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[2]陈衡.红外物理学[M].北京:国防工业出版社, 1995.
[3]彭群生.计算机真实感图形的算法基础[M].北京:科学出版社, 1999.
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[6]Frederic A Rosell.Predicting thePerformance of Infrared StaringArrays.SPIE.1992, 1762:278.
红外遮障辐射温度的分析 篇4
国内外在红外遮障的工程设计、性能测试方面开展了大量的工作[1,2,3],但是对于其辐射特性以及遮蔽性能缺乏理论分析和计算机仿真。文中建立了红外遮障的物理模型,并基于对太阳和天空辐射、辐射换热、热传导、自然对流的分析,利用有限元进行了仿真,得出了多种因素对红外遮障系统最外表面的辐射温度的影响。该方法的计算结果可作为热像仪测量外表面温度和遮蔽效果预估的参考。
1 红外遮障中辐射传输过程
1.1 红外遮障辐射模型
假设目标被由隔热毯和伪装网组成的水平红外遮障所覆盖的,周围为地表和大气组成的环境。类似于对地面目标和海面温度的分析[4,5],在由目标、红外遮障和环境组成的整个系统中,热交换共包含四部分:太阳和天空辐射、辐射换热、热传导和对流换热,如图1所示。
设目标表面、隔热毯下表面、隔热毯上表面、伪装网下表面、伪装网上表面的发射率分别为ε1、ε2、ε3、ε4和ε5,反射率分别为ρ1、ρ2、ρ3、ρ4和ρ5,表面温度分别为T1、T2、T3、T4和T5,伪装网的透过率为τ,空气的温度为20℃,天空的温度为Ts、发射率为εs。
下面分别来考察太阳和天空辐射、辐射换热、热传导和自然对流。
1.2 太阳和天空辐射
设太阳和天空在某一个时间照射到伪装网上的辐射照度为Es。该辐射照度一部分被伪装网上表面吸收,一部分会透过伪装网,其余部分则被伪装网上表面反射。对于透过伪装网的这部分辐照度,会照射到隔热毯上表面上,又由于隔热毯上表面和伪装网下表面都存在有反射和吸收的特性,所以隔热毯上表面和伪装网下表面也都会吸收部分辐射。
经过无数次的反射与吸收,单位面积的伪装网上表面、下表面和隔热毯上表面所吸收的太阳和天空辐射通量值分别为如下所述。
伪装网上表面为
伪装网下表面为
隔热毯上表面为
1.3 辐射换热
在整个系统中,存在着目标与隔热毯、隔热毯与伪装网以及伪装网与天空之间的辐射换热。对于发射率为ε的灰体表面A,如外界入射的辐射照度为E,则由该表面出来的辐射出射度有两部分,即表面自身的辐射εMb和反射的入射辐射(1-ε)E,于是有效辐射出射度为
A表面失去的辐射通量应为有效辐射通量减去入射的辐射通量,即为
将式(4)代人式(5),并消去EA得
利用有效辐射出射度,可以求出两个灰体表面间的辐射换热。设A1和A2的有效辐射出射度分别为Me1和Me2,两个面之间的角系数分别为F1-2和F2-1,则达到平衡时两灰体表面间的辐射换热为
由此可知,A1所失去的辐射通量与A2所得到的辐射通量相等,即A1与A2之间的辐射换热可利用式(6)得
由式(7)和式(8)可解出
利用式(9),就可以分别求出目标与隔热毯之间、隔热毯与伪装网之间以及伪装网与天空之间的辐射换热。
目标与隔热毯以及隔热毯与伪装网之间的距离较近,远小于各自的尺寸,可将其均视为无限大平板。这时,由于从一个平板上发出的辐射完全落在另一块板上,因此有F1-2=1。若A1=A2=A,则由式(9)得目标与隔热毯之间的单位面积辐射换热为
类似地,隔热毯与伪装网之间的单位面积辐射换热为
由于与天空相比,伪装网的面积很小,因此可将其看成一个小面元,可得下式
这表明,伪装网上表面所发出的辐射全落在天空上。将上式代入式(9)并考虑到天空的面积A→∞,可得单位面积伪装网与天空之间的辐射换热为
1.4 热传导
在隔热毯和伪装网的内部存在着热传导,其微分方程的一般形式为
其中,δts为与时间相关的系数;ρ、Cp和k分别为材料密度、热容和热导率;Φ为内部热源单位时间、单位体积内发出的热量。这里,结合实际应用,设定Φ=0。
结合材料参数以及边界条件,利用式(14)可以得出隔热毯和伪装网内部的热传导以及温度分布。
1.5 自然对流
在红外遮障系统中,目标上表面、隔热毯、伪装网都是与空气直接接触的,均与空气之间存在着对流换热。对流换热的量值可以由Newton冷却公式给出
这里,Tw和T∞分别为固体壁和空气的温度;h为对流换热系数,可以利用边界层对流换热微分方程组来求解。
2 遮障辐射温度的仿真结果
从上面的分析可以看出,要研究红外遮障系统的表面辐射温度T5,就必须考察太阳和天空辐射、辐射换热、热传导与自然对流等各种因素的影响。
工程上通常利用太阳常数、大气透明度和大气质量来简单计算太阳辐射照度,但该方法计算结果精度较差,且不能考察经纬度变化带来的影响。这里,采用SBDART方法来计算到达地表的太阳辐照度[6]。该方法结合离散坐标辐射传输模块和LOWTRAN,并利用Mie散射理论来考察水滴和冰晶的光散射,可用于计算有无云层条件下到达大气层内任意高度和地表的太阳辐射。
而天空的辐照度由两部分构成,一是晴空状态下大气的辐射Esky,二是云层的辐射Ecl。通常假设大气在环境温度下为一灰体辐射体,其表观发射率与波长无关,则对于水平表面,可由Brunt公式得到[7]
其中,e为空气中的水蒸汽分压,单位为k Pa;Ta为平均气温。
云层的辐射可利用经验公式求解[7]
其中,c为云层覆盖程度;Tcl为云层基本温度;n为经验参数,低高云层是分别为0.2和0.04。
对于红外遮障系统与外界间的辐射换热、热传导与自然对流,利用基于热流耦合的一维模型来求解。
为了使隔热毯、伪装网能起到很好的隔热、伪装效果,假定目标为铁制成,其内部温度均匀点与其上表面距离为20 cm;隔热毯为尼龙,厚10 cm,覆盖在目标上,两者相距为30 cm;伪装网的材料选定为聚甲基丙烯酸甲酯—PMMA,厚10 cm,它与隔热毯的距离为50 cm,靠支撑物的支撑覆盖的。这一假定与目标覆盖伪装网时的实际情况基本一致。
沿图1中y的方向建立一维模型,各模拟区间的大小以及所设定的材料特征参数与之一一对应,同时考察了边界上的太阳辐射和自然对流以及计算域中的热传导和辐射换热,其中太阳辐射利用SBDART的计算结果。
在分析过程中,设定的一些初始参数的大小值:除了考察红外遮障随太阳辐射来的变化外,均设定时间为中午12:00,对应的太阳辐射照度为Es=1 084.6 W m2;目标表面的温度T1=313.5 K、ε1=0.4;隔热毯下表面ε2=0.4;隔热毯上表面ε3=0.3、ρ3=0.5;伪装网下表面ε4=0.5、ρ4=0.3;伪装网上表面ε5=0.4、τ=0.5。
2.1 太阳和天空辐射对遮障辐射温度的影响
在固定的地点,不同时间或不同气候条件下,太阳辐射量都会发生变化。图2就是上述经纬度的一天中每个整点,计算得到的太阳和天空辐射量对伪装网表面温度T5大小的影响。
可以看出,在夜晚由于对应的太阳辐射接近于零,而仅剩余天空的辐射,这时伪装网表面的辐射温度低于目标表面温度;随着太阳和天空辐射量增加,T5也跟着变大。这是因为太阳和天空辐射不仅对伪装网表面直接加热,而且影响着整个系统内部的热交换过程,所以它的变化对T5的影响较大。
这一结果表明,在使用红外遮障时,要想达到理想的伪装效果,必须考虑气象条件。
2.2 目标温度对遮障辐射温度的影响
改变目标的温度T1,通过仿真得到伪装网表面温度T5的变化如图3所示。
从图中可以看出,目标温度变大时,T5也有增加,但变化的幅度很小,基本保持在317.1 K左右。这可能是由于隔热毯的隔热效果较好,阻挡了目标的红外辐射透过隔热毯。
在计算时,前面假定红外遮障完全遮挡住目标,但如果红外遮障下面是地面背景,图3中的计算结果仍具有参考价值。这一结果表明,由于红外遮障的作用,目标和背景在探测器中表现出的温差大幅下降,这表明红外遮障对目标起到了很好的保护作用。
2.3 材料参数对遮蔽性能的影响
仿真结果表明,T5随着伪装网上表面的发射率ε5的变大而减小,随着下表面的发射率的变大而变大,但下表面发射率带来的影响较小。这表明,伪装网上表面的温度,不仅受太阳辐射和伪装网上表面与空气之间的辐射换热、对流换热的影响,还受伪装网下面的隔热毯的影响。
同时,增大隔热毯上、下表面的发射率,均发现伪装网上表面的温度增大,但是温度变化的范围均较小,T5基本保持在317.1 K左右。这可能是与所设的目标温度过低有关。通过增大目标的温度,发现在改变隔热毯下表面的发射率时,伪装网表面的温度变化范围增大。
上述结果表明,利用对伪装网和隔热毯上、下表面发射率的控制和优化,不仅可以在红外波段构建出迷彩图案,改变或阻断目标红外辐射的传播,而且结合一个高温热源,可以构建红外假目标。
3 结论
结合对红外遮障系统中的辐射传输模型中涉及太阳和天空辐射、辐射换热、热传导以及自然对流的分析,通过仿真计算,分析了太阳辐射量、目标温度、伪装网及隔热毯物理参数变化对伪装网上表面辐射温度的影响。结果表明,伪装网上表面辐射温度随着太阳和天空辐射量、隔热毯上表面的发射率的变大而增大,且温度变化较快;而随着目标温度、伪装网下表面的发射率、隔热毯下表面发射率的变大而增大,但温度变化较慢,几乎保持在317.1 K左右。值得特别强调的是,该辐射温度随着伪装网上表面的发射率的变大而减小。
文中所建立的红外遮障辐射模型、分析方法和结果对于红外遮障遮蔽效果的分析具有参考价值。
摘要：红外遮障是地面目标重要的红外伪装器材,它通常由隔热毯和伪装网两部分组成。建立了红外遮障辐射传输过程的物理模型,对所涉及太阳和天空辐射、辐射换热、热传导、自然对流等进行了分析;利用有限元方法对该过程进行了仿真分析计算,得出红外遮障系统最外表面的辐射温度值,并考察了目标温度以及隔热毯、伪装网材料参数对该温度值的影响。所建立模型以及所得结果可以为红外遮障的遮蔽效果分析和相关工程应用提供参考。
关键词：红外遮障,仿真模型,最外表温度,参数分析
参考文献
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高温红外辐射釉料的应用研究 篇5
大型连续炉的加热件——辐射管多采用耐热合金铸造成形。在高温、高碳情形下,合金基材中的铬易于与氧形成氧化铬,更易于与活性碳原子形成碳化铬,使基体变脆,耐热性能降低,使用寿命缩短;另外U型结构管两端温度差所产生的热应力,还经常导致辐射管在加热中扭曲、变形加大;燃气辐射管还受到H2S、SO2等的腐蚀,其工作条件恶劣,寿命短。
连续退火线、拉伸线加热炉的最高炉温为950℃,均采用U型燃汽辐射管加热。辐射管最高温度1 050～1 100℃,辐射管材质为Cr25Ni45W5,价格昂贵,由于变形损坏必须更换的成本占生产成本相当大的比例。另外更换辐射管需要停炉,不仅要多消耗能源,影响生产,还将对产品质量造成不良的影响。因此,延长辐射管寿命是一项极为重要的研究课题。
红外辐射釉料是一种新型的节能涂层材料,它综合了红外涂料与搪瓷材料的优良性能,不仅热发射率较高、显著提高辐射加热效率、节能降耗,而且耐酸或碱腐蚀、抗渗碳、化学与热稳定性好、机械强度高,能显著地改善加热器件的耐高温性能,提高其热疲劳抗力、以及抗腐蚀、抗氧化和抗渗碳能力,可有效延长加热器件的工作寿命,因而日益引起了人们的高度重视。
1 试验
1.1 半工业性试验
在某企业2号线中的4根变形不大的旧辐射管上,按工艺流程进行了高温红外辐射釉料涂层的涂覆。运转一年后,将涂覆釉料管和未涂覆釉料管进行了比较,涂釉料的4根辐射管没有发现任何损坏、大的变形和燃烧产物堆积,其完全釉化了的表面釉层光亮致密,未涂釉的辐射管却扭曲、变形大,需更换。再过一年,4根涂了釉料的辐射管变形仍较小,其表面的釉质层仍完整无缺,并有光泽,见图1。
半工业性试验表明,高温红外辐射釉料涂层在高温下与耐热合金基体粘结牢固,抗腐蚀、无剥落、耐急冷急热性能好,机械强度高,使用寿命长。
1.2 工业性试验
(1)在某企业1号线加热炉的37根辐射管上进行了釉料的工业性试验,试用一年并跟踪考察,与涂釉管同炉的未涂釉管已有15根被更新,而37根涂釉管却仍在运转之中,由此可见,辐射管涂覆釉料后其寿命明显提高。
(2)又在4号线的辐射管上也进行了釉料的工业性试验,上釉料前后均对炉子进行了热平衡测试,结果见表1、表2。由此可见,在温度700～800℃的干燥炉的辐射管上涂覆釉料后,炉子的能耗显著降低;涂覆前热效率为43.89%,涂覆后热效率为47.19%,热效率提高了3.3%。
注:表1和表2中的ΔQ=|Q-ΣQi|
2 应用效果
经工业性试验考核后,在8个机组的全部辐射管上喷涂了红外辐射釉料,使用一年后,取得了显著的节能降耗效果。
2.1 节能
根据生产与能源月报,对1号线与3号线(煤气单独计量)辐射管涂釉料前后的煤气消耗进行了统计对比,结果如表3所示:辐射管涂覆釉料以后,无取向钢和取向钢分别节约煤气量为5 m3/t和14 m3/t。
2.2 节材
涂釉料后,辐射管变形减少、寿命提高,年更换量减少。表4、表5分别为悬浮式与支撑式结构辐射管涂釉前后的年更换量对照。辐管涂釉后,悬浮式结构辐射管年更换量减少了84根,支撑式辐射管年更换量减少了68根。辐射管年更换减少的总直接效益达百万元。
2.3 温度均匀性改善
对采用釉料的5号线干燥段辐射管工作表面温度进行了测试,如图2所示,测试结果见表6。在同等工艺条件下,采用釉料前,辐射管工作表面温度最大相差133℃,而采用釉料后减小到79℃,即温度均匀性改善了41%;温度均匀是保证产品质量的关键条件,因此,温度均匀性的改善必然有利于产品质量的提高;同时,由于辐射管各部位的温差减小,减小了热应力,减小了辐射管的变形和破损,其所带来的效益显著。
4 节能节材原理分析
工业炉中热能的传递主要通过传导、对流和辐射这三种方式,中高温下热传递以辐射传热为主,因此,提高加热器的辐射强度对强化辐射传热来说是十分必要的, 同时选用适当的高辐射率红外釉料涂层,改变辐射管表面的辐射波谱,使其辐射波谱与被加热对象的吸收波谱相匹配,产生匹配共振效应,提高热能的吸收利用率。钢铁的吸收波谱是连续波谱,没有选择性吸收峰,随着温度的升高其能谱峰值波长位置向短波偏移,本课题研制的高温红外釉料高温下的辐射波谱与一般钢铁的吸收波谱比较匹配,所以,经涂釉层后的辐射管具有高发射率,强化了辐射传热,改变了辐射管表面的辐射波谱,其辐射波谱与钢板的吸收波谱相匹配,便于钢板吸热,减少了向炉衬、环境的散热,提高了加热效率,达到了节能目的。
辐射管表面涂敷高辐射率红外釉料后,一方面,由于提高了辐射系数,相对降低了其表面热负荷,且使各部位的温差减小,因此,减小了辐射管的热变形,提高了其寿命;另一方面釉料涂层的致密性高,且在高温下具有裂纹自愈性,具有很好的抗高温氧化、抗腐蚀、抗渗碳作用,也极大提高了其使用寿命。
5 结论
(1)红外辐射釉料提高了辐射管的辐射加热能力,提高了热效率,节约能源。
(2)红外辐射釉料涂敷在辐射管上具有很好的均热效果,能减小辐射管变形,提高了其使用寿命。
(3)釉料的工艺成熟,综合性能良好,可广泛用于各种加热干燥设备中,具有一定的推广价值。
参考文献
(1)周建初.电阻炉的高效节能技术改造(C).第三届全国红外加热技术展讨会论文,1990年8月.
(2)朱小平.武钢技术(J).2004,(6):22-25.
燃气红外线辐射采暖技术分析 篇6
可以使用该产热源给空气加热, 在借助其他设备的帮组, 例如离风机或者真空泵。这些热源吧空气燃烧后加热的付带物品送到辐射管内[2]。加热使辐射管升温至要求的温度, 可以通过远红外这种介质传递热量。这种系统的制造原理是根据太阳设计的电磁波谱的数据表明, 太阳能传递给地球的能量波长大概是10-8微米 (μ) 以下的为宇宙射线[3], 波长在6×108μ以上的为电波, 热能辐射波的波长范围主要在3-10μ之间。这个系统能够模拟出太阳的产生还有热对物体的传导介质中不加热的那一段物体热能辐射波长 (波长2-12μ) [4]。
这种供暖方式用针对性, 而不是房间内的空气, 或者其他无关的人员器具。采暖目标可以根据他的物理化学性质的结构特点吸收并且存储能量, 再通过他们接触空气的表面向空间传播能量, 用这种方法解决采暖问题。我们用一个实例来分析此系统。一个机库内有吊顶, 必须考虑其安全起飞还有检测的需要。在计算实际的采暖符合值, 因此选用此辐射采暖器, 按要求设计通风和空调系统。我们采取了几种供热不同高度温度的相对温度。用软件模拟了下图分布曲线。达到了预期的效果。
燃气红外线辐射采暖技术成功解决了大空间内温度分布不合理的问题可以节约能源30%以上。这种采用远红外得供暖技术可以解决很多生活中的问题, 例如, 空间分布不合理, 能源浪费, 可以用到国产, 军工民用都可, 市场前景非常广阔。
参考文献
[1]王翠英, 宋伟.高大空间燃气红外线辐射采暖技术应用[J].建筑, 2013, (5) :75-76.
[2]韩彦恒.红外线辐射采暖方式的特点分析[J].民营科技, 2013, (5) :150.
[3]杨月斐.燃气辐射采暖系统应用技术研究[D].大庆:大庆石油学院, 2007.
红外诱饵辐射特性仿真技术研究 篇7
在红外制导导弹对抗红外诱饵的过程中,红外诱饵的辐射强度对其抗干扰概率有较大影响。这主要是因为红外诱饵的辐射强度在不同的对抗条件下变化非常大。而载机的辐射强度在各种条件下相对稳定,这就导致压制比的变化很大,从而对抗干扰产生影响。
在采用数字仿真或者半实物仿真[1]方法对红外制导导弹抗干扰性能进行评估时,需要建立准确的红外诱饵辐射模型,以反应各种对抗条件对其辐射强度的影响。这样才能保证对抗干扰性能的准确评估。
在红外诱饵辐射特性方面,已进行了有关研究工作[2—4]。这些工作主要是从诱饵研制的角度,讨论不同组份、不同颗粒直径等因素对诱饵燃烧特性的影响。而在抗干扰仿真评估中,应该对已经定型的诱饵产品进行仿真,要能够体现诱饵在各种对抗条件下辐射特性的变化。
本文根据能量守恒定律、黑体辐射定律、斯蒂芬—波尔兹曼定律推导了红外诱饵辐射强度计算模型,给出了长方体和圆柱体两种典型诱饵的质量燃烧率计算公式,分析了诱饵的高度和速度对其辐射特性的影响规律,在文献[5]的基础上实现了红外诱饵辐射强度仿真计算,可以对各种对抗条件下的诱饵辐射特性进行仿真,最后给出了仿真结果,并对其进行了分析。
1 红外诱饵燃烧特性分析
目前的红外诱饵大部分是由镁/聚四氟乙烯/氟橡胶组成的,其辐射能量是由燃烧时的化学反应释放出来的。在红外诱饵组分中,氟橡胶作为黏合剂用来包覆镁粉。为此,在红外诱饵燃烧反应体系中不考虑其影响。
红外诱饵的燃烧过程的化学反应由两部分组成(见图1),一是在诱饵表面的缺氧反应,其燃烧反应方程式为:
二是诱饵外围过量的镁汽化后与周围空气中的氧气进行的燃烧反应,反应方程式为:
根据上述反应方程式,反应主要产物是MgF2、MgO、Mg、C、CO2。其中C的发射率比较高,能达到0.8,其辐射强度在全部辐射中占主要部分,MgO 辐射类似灰体辐射,在(4—8)μm波段发射率约为0.38,MgF2的贡献较小,而Mg基本上不产生红外辐射。CO2辐射与黑体辐射不同,在(4.2—4.6)μm波段辐射较强,约为灰体辐射的两倍。在计算其红外辐射时,如果没有该型诱饵的光谱分布数据,一般将其等效为某一温度的黑体辐射进行计算。
2 红外诱饵辐射特性计算方法
红外诱饵燃烧过程中向外发出的红外辐射可以等效为黑体辐射。对于黑体辐射或者灰体辐射,如果已知物体的辐射面积、表面温度,就可以计算其辐射强度。红外诱饵在燃烧的过程中,红外辐射温度可以通过测试设备测试,但是辐射面积无法测量。这就使得这种计算方法的应用受到限制。
可以利用能量守恒定律计算红外诱饵的辐射强度。根据能量守恒定律,红外诱饵燃烧产生的能量等于其热辐射的能量与通过对流和传导向周围空气传输的热量之和,即为:
Qb=Qr+Qt+Qc (3)
式(3)中,Qb表示诱饵燃烧产生的能量,Qr表示诱饵向外辐射的能量,Qt表示诱饵向外传导的能量,Qc表示诱饵向外对流的能量。
定义如下稳态辐射系数dr:
则有:
Qr=drQb。
当燃烧温度比较高时,燃烧能量主要以红外辐射的方式向外传输。当红外诱饵在标准条件下燃烧时,也就是说不受气流和高度影响时,稳态辐射系数dr一般约为0.75左右。
燃料燃烧产生的能量,可以用燃料质量和燃料的燃烧热的乘积表示:
Qb=mHc (5)
式(5)中m为燃料的质量;Hc为燃料的燃烧热,单位J/g。
则其中红外辐射的辐射功率Pr可以表示为:
式(6)中
另外,目前的红外探测器都有一定的波长响应范围。为了计算某一波长范围(λ1,λ2)内的红外辐射功率,引入函数Fλ,T:
Fλ,T表示某一波长范围(λ1,λ2)内的红外辐射与总辐射之比。
总辐射可以根据斯蒂芬-波耳兹曼定律计算,对于发射率为ε的灰体而言,总辐射为:
M=εσT4 (9)
某一波长范围内的红外辐射可以利用普朗克黑体辐射公式在该波长范围内的积分获得,即为:
式(10)中,C1为第一辐射常数,数值为3.741 5×104 W·cm-2·μm;C2为第二辐射常数,数值为1.438 79×104 μm·K。
通过以上分析,可知红外诱饵在某一波长范围内的辐射强度Iλ为:
不同形状的红外诱饵其质量燃烧速率是不同的,美军装备的红外诱饵其形状主要为长方体和圆柱体。对于任意形状的红外诱饵在燃烧过程中其密度是不变的,因此诱饵质量燃烧率可以表示为:
式(12)中,ρf为诱饵的密度,V为诱饵的体积。
在实战使用过程中,红外诱饵投射出去以后,整个外表面开始燃烧,对于已经定型的诱饵而言,单位时间内的燃烧深度是一定的。对于不同形状的红外诱饵,单位时间内燃烧掉的体积是不同的。
对于长宽高分别为A、B、H的长方体(见图2),在上表面为迎风面的燃烧过程中,其体积V随时间t的变化关系为:
Vcu(t)=(A-2rt)(B-2rt)(H-rt-r1t) (13)
则其对应的质量燃烧率为:
式(14)中,r为红外诱饵的线性燃烧速度,r=ds/dt,即为单位时间内红外诱饵向下燃烧的深度,单位为cm/s。r1为诱饵迎风面的燃烧速度,受到阻滞压力的影响,其值比正常情况的要大一些。
对于半径为R,高度为H的圆柱体,在燃烧过程中,其体积随时间的变化关系为
Vcy(t)=π(R-rt)2(H-rt-r1t) (15)
则其质量燃烧率为:
式(16)中r和r1分别为线性燃烧速度和迎风面线性燃烧速度。
红外诱饵的线性燃烧速度与红外诱饵组份、颗粒直径、大气压力等因素有关,对于每一种定型的红外诱饵而言组份、颗粒直径等因素是确定的,因此其线性燃烧速度是一定的。
3外界条件对红外诱饵辐射特性的影响分析
3.1 高度对红外诱饵辐射特性的影响
红外诱饵的辐射强度和燃烧时间一般是在地面静态条件下测量的。随着红外诱饵投放高度的不同,这些参数会发生变化。这主要是由于高度导致大气压力变化,而大气压力变化影响诱饵的线性燃烧率,进而导致辐射强度和燃烧时间的变化。红外诱饵的质量燃烧率与其线性燃烧率的关系如下式:
式(17)中ρf为红外诱饵的燃料密度;S为燃烧表面的面积;r为燃烧表面的线性燃烧速度。
红外诱饵的线性燃烧速率受周围压力的影响,服从如下关系:
r=aPn (18)
式(18)中,a是一个与辐射温度相关的经验常数;P为周围压力;n为压力指数,该值与Mg的含量ζ(Mg)有关,当ζ(Mg)>0.7时,该值非常小,约为0.06;而当ζ(Mg)<0.6,随着ζ(Mg)值的减小,n的取值线性增加,其值小于0.7。大部分红外干扰弹混合物所具有的线性燃烧率约为(2.5—7.5)mm·s-1。
根据理想气体物态方程可知:
式(19)中n(z)为高度为z处的空气数密度,即单位体积内包含的分子数目;P(z)和T(z)分别为高度z处的大气压强和绝对温度;KB为玻尔兹曼常数,其值为1.380 657 8×10-23 J/K。
则高度为z处的大气压强可表示为:
式(20)中,P(z0)为高度z0处的大气压强;m0为原子的质量单位,其值为1.660 565 5×10-27 kg;Me为空气分子的平均分子量,其值约为29;g(z)为高度z处的重力加速度。
T(z)为高度z时的温度。在(0—20)km变化范围内,大气温度随高度变化可以用如下分段函数表示:
T=Ti+αi(z-zi) (21)
式(21)中,i为大气分层角标,取值为0—1,αi为温度梯度,取值如表1所示。
当诱饵在高空以高速投射出去以后,诱饵的前表面受到气流的阻滞压力作用,其总压力PQ不再只是大气压力,还需要加上阻滞压力,即为:
定义高度系数dh(z)为:
地面上的线性燃烧速度r(z0)可以通过测量获得,根据上式计算出高度系数dh(z),则高度z处线性燃烧系数为:
r(z)=dh(z)r(z0) (24)
根据上式对红外诱饵的辐射特性进行仿真,可以得到红外诱饵的归一化辐射强度随高度的变化关系(见图3),其中压力指数为0.2。
3.2 速度对红外诱饵辐射特性的影响
红外诱饵在燃烧时,有效辐射面积包括红外诱饵中的镁汽化后与空气反应的区域(见图1)。当红外诱饵从载机中投射出去以后,其速度与载机的速度接近,所受到的空气阻力与速度的平方成正比。在高速气流的作用下,红外诱饵与空气反应区的外层受气流的影响,在强对流的情况下大量红外辐射能量损失,温度下降,最终导致有效辐射面积大幅度缩小,从而导致辐射强度的降低。为了反应速度对红外诱饵辐射强度的影响,引入速度系数dw,则式(11)可写为:
红外诱饵速度系数dw随着速度的变化符合图4所示的曲线。在动态条件下,其辐射强度急剧下降,降至海平面静态辐射强度的十分之一。
诱饵马赫数是随高度变化的,其计算公式为:
c(z)是高度z处的声速,VD是诱饵的速度,需要通过诱饵运动学方程解算。
4 仿真实现及仿真结果分析
本文在前期建立的红外诱饵运动模型[5]基础上,增加了红外辐射模型,将红外辐射模型和运动模型有机地结合在一起。运动模型中的诱饵质量计算使用了辐射模型中燃料质量变化率。在计算诱饵辐射模型的质量燃烧率时,充分考虑了诱饵形状、高度、速度等因素的影响,其中诱饵高度和速度的数值来自运动模型。
红外诱饵在实际使用时,从投射到燃烧完成,其下降高度有限,一般小于100 m,可以认为在燃烧过程中,其高度系数是一个常数,只需要计算投放时的高度系数即可。
以M206型诱饵的有关参数为输入值,其外形为长方体,尺寸为2.46×2.46×20.6 cm3,投射质量为150 g,投射速度设为30 m/s。设置起燃时间为0.2 s,熄燃时间为1.5 s。由于无法获取该型诱饵的准确的燃烧热,本文中设置为15 000 J/g。对其进行了大量仿真试验,部分试验结果如下所述。
红外诱饵的地面静态辐射仿真结果如图5所示,起始的0.2 s和最后的1.5 s是起燃和熄燃阶段,其时间是由用户设定值,辐射强度分布是通过曲线拟合给出的,中间段为仿真计算结果。诱饵辐射强度出现递减的规律,主要是因为地面静态辐射强度不受高度和速度因素的影响,主要受到燃烧面积减小的影响,导致诱饵燃烧率的减小,最终导致辐射强度呈现递减的规律。
不同高度下红外诱饵的辐射特性仿真结果如图6所示,从图中可以看出随着高度的增加,诱饵辐射强度整体降低,燃烧时间增长。主要原因是随着高度的增加诱饵燃烧率降低。图中诱饵燃烧的后期辐射强度出现增大或者衰减变慢的趋势,主要是因为诱饵投射出去以后受到空气阻力的影响,速度急剧变慢,从而导致气流对其的影响变小,因此辐射强度有所增加。
不同速度下红外诱饵的辐射特性仿真结果如图7所示,从图中可以看出,随着速度的增加,红外诱饵的辐射强度整体变小,但是诱饵的燃烧时间并不发生变化,这是因为速度并不影响其质量燃烧率,只是速度越大,通过对流带走红外诱饵外围的燃烧热量越多,导致红外诱饵有效辐射面积变小。
不同形状的红外诱饵辐射强度仿真特性如图8所示,长方体诱饵参数即为所设的M206诱饵参数。圆柱体诱饵半径为1.61 cm,高为12.1,质量为120 g,燃烧热与M206相同,高度为6 000 m,速度225 m/s。从图中可以看出长方体的辐射强度比圆柱体的辐射强度要大,主要原因是长方体的质量燃烧率更大一些。
5 结论
本文根据能量守恒定律、黑体辐射定律及波尔兹曼定律推导了红外诱饵辐射计算模型,分析了高度和速度特性对其辐射特性的影响,给出了长方体和圆柱体两种典型形状诱饵质量燃烧率的计算公式。根据红外诱饵的辐射模型和运动模型编制了仿真软件。通过合理的设置基本参数,该仿真软件可以对各种型号的红外诱饵,在各种对抗条件下的辐射特性进行仿真。并且以M206诱饵的有关参数作为输入条件,对诱饵的辐射特性进行了仿真。其静态仿真结果与有关试验测试结果趋势一致,而对于动态仿真结果,由于缺乏实测数据,只能从原理上对仿真结果进行分析,其结果与理论分析相符合。
摘要：在红外制导导弹对抗红外诱饵的过程中,由于在不同条件下红外诱饵的红外辐射特性变化较大,而目标飞机的红外辐射特性变化较小,导致导弹抗干扰概率较大的波动。这就要求在利用数字仿真或半实物仿真方法评估导弹抗干扰性能时,必需建立准确的红外诱饵辐射模型。根据能量守恒定律、黑体辐射定律及波尔兹曼定律推导了红外诱饵辐射计算模型,分析了高度和速度特性对其辐射特性的影响,并据此对诱饵辐射计算模型进行了修正。还给出了长方体和圆柱体两种典型形状诱饵质量燃烧率的计算公式。根据红外诱饵的辐射模型和运动模型编制了仿真软件。辐射模型所需的诱饵高度和速度来自运动模型,而运动模型所需的质量燃烧率来自辐射模型。通过合理地设置参数,该仿真软件可以对各种型号的红外诱饵,在各种对抗条件下的辐射特性进行仿真。最后给出了几组典型的仿真结果并对其进行了分析。
关键词：红外诱饵,辐射特性,高度,速度,仿真
参考文献
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