POVLAKY S VYSOKOU EMISIVITOU A METODY JEJICH VYSOKOTEPLOTNÍHO TESTOVÁNÍ

Transkript

1 POVLAKY S VYSOKOU EMISIVITOU A METODY JEJICH VYSOKOTEPLOTNÍHO TESTOVÁNÍ Doc. Ing. Milan Honner, Ph.D. - Ing. Ondřej Soukup, Nové technologie výzkumné centrum, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Ing. Vlastimil Bartel - Ing. Milan Mauer, BG SYS HT s.r.o., Holubova 389, Pardubice projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. 1/16

2 Obsah Emisivita a její vliv na přenos tepla zářením Povlaky BG HitCoat a přínosy použití Nové metody vysokoteplotního testování povlaků Závěry Poděkování a kontakt projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. 2/16

3 Emisivita povrchu materiálu Je definována jako poměr intenzity vyzařování povrchu materiálu a intenzity vyzařování absolutně černého tělesa při stejné teplotě. - spektrální emisivita - hodnota emisivity na určité vlnové délce záření, - pásmová emisivita - efektivní hodnota v uvažovaném pásmu vlnových délek - totální emisivita - charakterizuje celkový vyzařovaný výkon přes všechny vlnové délky. Protože je emisivita obvykle výrazně závislá na vlnové délce a teplotě, je pro praktické aplikace žáruvzdorných materiálů a hodnocení procesů zářivého přenosu tepla nutné příslušné hodnoty znát a uvažovat. Hodnoty emisivity uváděné v různých tištěných či elektronických publikacích bez upřesnění teploty a vlnové délky jsou bezcenné a mnohdy zavádějící. projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. 3/16

4 Emisivita a její vliv na přenos tepla zářením (i) bez spalin Pro přenos tepla mezi dvěma pevnými povrchy, které se chovají jako šedá tělesa se spojitým spektrem rozložení intenzity záření na vlnové délce, je významná hodnota totální emisivity, neboť tepelný tok je úměrný totální emisivitě a rozdílu čtvrtých mocnin absolutních teplot těchto povrchů. pec (1) q ( 4 4 T ) 1 2 = σ ε ε T2 tepelný tok Zvýšení emisivity povrchu stěny pece využitím povlaku s vysokou emisivitou například o deset procent se tedy projeví v desetiprocentním zvýšení tepelného toku ze stěny na vsázku. vsázka (2) projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. 4/16

5 Emisivita a její vliv na přenos tepla zářením (ii) se spalinami V případě účinku spalin je přenos tepla komplikovanější: - tepelný tok mezi spalinami a povrchem vsázky - tepelný tok mezi spalinami a stěnami pece - tepelný tok mezi stěnami pece a povrchem vsázky. Zde se zvýšení emisivity povrchu stěny nanesením povlaku s vysokou emisivitou projeví - v intenzivnější absorpci záření spalin do stěny pece - v intenzivnějším vyzařování ze stěny pece. spaliny vsázka pec projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. 5/16

6 Emisivita a její vliv na přenos tepla zářením (ii) se spalinami intenzita záření Zatímco přenos tepla mezi spalinami a pevnými povrchy probíhá pouze v úzkých absorpčních pásech spalin, přenos mezi pevnými povrchy probíhá zejména ve "volných oknech" mezi absorpčními pásy spalin. Na povrchu stěn dochází ke spektrální redistribuci záření a celková účinnost přenosu tepla je při vyšší emisivitě stěny intenzivnější. spaliny stěna pece vlnová délka (um) projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. 6/16

7 Povlaky BG HitCoat Anorganické kompozitní systémy na bázi křemíku vyvinuté pro ochranu teplosměnných ploch namáhaných žárem, nápeky, abrazí a vysokoteplotní korozí. Tyto materiály mají dvě vlastnosti, které jsou nezbytné pro použití v náročných podmínkách různých průmyslových zařízení: bez nutnosti zahřátí vytváří amorfní keramickou matrici, odolnost opakovaným tepelným cyklům bez známek krystalizace. Použitelnost na kovy, keramiku (žárobetony, šamoty) nebo tepelné izolace z miner. vláken. Vodou ředitelné, zasychají za běžné teploty. Složení může být přizpůsobeno rozdílným typům podkladů. Variabilitou plniv a aktivních složek mohou být přizpůsobovány další vlastnosti, například emisivita. nástřik povlaku BG HitCoat přímo v ekonomizéru podrobnosti BG SYS HT s.r.o., Pardubice projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. 7/16

8 Přínosy použití povlaků BG HitCoat (i) úspory energií na ohřev a spalování Prvořadým přínosem aplikace povlaků s vysokou emisivitou jsou úspory energií na ohřev a spalování dosažené zvýšením účinnosti přenosu tepla sáláním a odpovídajícím způsobem sníženým tepelným ztrátám. Díky tomu, že totální emisivita povlaků BG HitCoat je na rozdíl od běžně používaných konstrukčních materiálů, ať už kovů nebo vyzdívek, v celém teplotním rozsahu až do 1650 C nad hodnotou 0,92 (u většiny vyzdívek při pokojové teplotě bývá 0,85 avšak se zvyšující se teplotou se snižuje a může klesnout i pod 0,3), lze dosáhnout významných a měřitelných úspor v řádu jednotek procent. podrobnosti BG SYS HT s.r.o., Pardubice projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. 8/16

9 Přínosy použití povlaků BG HitCoat (ii) snížení emisí CO2 a NOx Současně s úsporou energií na ohřev a spalování se dosáhne i adekvátního snížení emisí CO 2, ať už přímo v tepelném zařízení, pokud se spaluje fosilní palivo, anebo nepřímo u zdroje elektrické energie. Ne nezajímavý efekt má použití povlaků s vysokou emisivitou při spalování fosilních paliv na snížení NO x ve spalinách, protože zvýšením účinnosti využití sálavého tepla se mj. sníží teplota spalin, a tím i tvorba NO x. Plynový hořák chráněný povlakem BG HitCoat podrobnosti BG SYS HT s.r.o., Pardubice projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. 9/16

10 Přínosy použití povlaků BG HitCoat (iii) zvýšení životnosti tepelných zařízení Prodloužení životnosti jak vyzdívek a vláknitých izolací, tak kovových častí pecí a kotlů, a to až několikanásobně. Zejména významné je povrchové zpevnění vláknitých izolací, které mají mnoho výborných vlastností, ale omezuje je jejich malá mechanická odolnost. Nástřikem keramického povlaku BG HitCoat se jejich mechanická odolnost natolik zvýší, že se přestanou rozvlákňovat a významně se potlačí jejich počáteční smrštění. Kelímková pec s ochranou povlakem BG HitCoat po 100 tavbách, bloky vláknité izolace chráněné povlakem BG HitCoat po hodinách provozu ve vodíkovém plameni. podrobnosti BG SYS HT s.r.o., Pardubice projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. 10/16

11 Nové metody vysokotepl. testování povlaků (i) použité vybavení ohřev: Coherent Highlight ISL 4000L diodový laser (4,3 kw nm) na průmyslovém robotu měření: termovizní kamery FLIR SC2000 a A325 ( um), širokospektrální analyzátor výkonu, termočlánky, celkové uspořádání pracoviště detail laserové hlavy a termovizních kamer projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. 11/16

12 Nové metody vysokotepl. testování povlaků (ii) měření emisivity a tepelné vodivosti -celkový ohřev na cca 800 C 4 kw laser 15x - 20s ON / výkon 26-31% + 10s OFF, - chladnutí do 200 C Termovize FLIR SC2000 (mikrobolometr, 7,5-13um) Termočlánek (1mm plášť. typ K) Termovize FLIR SC2000 (mikrobolometr, 7,5-13um) uspořádání A - měření emisivity uspořádání B - měření tepelné vodivosti substrát referenční povlak analyzovaný povlak experimentální uspořádání metody diameter 25 mm teplotní pole vzorku thickness 5 mm projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. 12/16

13 Nové metody vysokotepl. testování povlaků (iii) měření vyzařovaného tepelného toku substrát referenční povlak analyzovaný povlak - celkový ohřev na cca 1050 C 4 kw laser ON - 4min/výkon 23% Termovize FLIR SC2000-3min/výkon 24% (mikrobolometr, 7,5- - 3min/výkon 25% 13um) - chladnutí do 550 C širokospektrální analyzátor tepelného toku (0,5-20um) Termočlánek (1mm plášť. typ K) experimentální uspořádání metody projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. 13/16

14 Nové metody vysokotepl. testování povlaků (iv) životnost a odolnost proti teplotním rázům 4 kw laser - lokální ohřev na cca 2000 C - zvyšující se výkon 23-40% na trajektorii 25 cm - různý počet opakovaných přejezdů termovizní kamera - SC2000 stacionární, - A325 s laserem experimentální uspořádání metody substrát analyzovaný povlak projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. stav povrchu vzorku po provedení testu 14/16

15 Závěry Hodnoty emisivity konstrukčních materiálů při vysokých teplotách je třeba detailně znát a použít k tomu, aby se energie dodávaná do tepelných zařízení lépe využila prostřednictvím zintenzivnění procesů zářivého přenosu tepla. Aplikací kompozitních povlaků s vysokou emisivitou lze uspořit až 10% energií, zkrátit dobu ohřevu i tavby a přitom ještě zvýšit životnost zařízení. Pro potřeby vývoje nových povlaků určených pro různé podmínky použití se vyvíjejí také nové metody měření teplotních a spektrální závislostí emisivity, tepelné vodivosti a vysokoteplotní metody testování životnosti a odolnosti povlaků proti teplotním rázům. projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. 15/16

16 Poděkování Tento příspěvek byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu České Republiky prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu v rámci projektu FR-TI1/273 "Výzkum a vývoj vysoceemisivních kompozitních povlaků pro vysokoteplotní aplikace". Kontakt laserové technologie, metody měření vlastností materiálů Nové technologie - výzkumné centrum, Západočeská univerzita v Plzni povlaky BG HitCoat BG SYS HT s.r.o., Pardubice projekt MPO TIP / příjemce BG SYS HT s.r.o. 16/16