Регулирование контактного теплообмена в теплонапряженных технических системах

Ерин, Олег Леонидович

Регулирование контактного теплообмена в теплонапряженных технических системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Ерин, Олег Леонидович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Воронеж МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Регулирование контактного теплообмена в теплонапряженных технических системах»

Автореферат диссертации на тему "Регулирование контактного теплообмена в теплонапряженных технических системах"

На правах рукописи

ЕРИН Олег Леонидович

РЕГУЛИРОВАНИЕ КОНТАКТНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая

теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 с ап Р ¿012

Воронеж-2012

005019264

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Научный руководитель Попов Виктор Михайлович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «ВГЛТА»

Официальные оппоненты: Шишацкий Юлиан Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»

Кожухов Николай Николаевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «ВГТУ»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «24» мая 2012 г. в 1200 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.05 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан «¿5» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бараков А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аюуальность темы. В последние четыре десятилетия в отечественной и зарубежной литературе, посвященной вопросам теплопереноса, интенсивно развивалось отдельное направление, известное как контактный теплообмен Во многих случаях при тепловых расчетах конструкций с составными элементами требуется учитывать контактные термосопротивления, обусловленные несовершенством механического соединения соприкасающихся металлических поверхностей.

В процессе разработки современного энергетического оборудования, авиационных и космических аппаратов, радиоэлектронных устройств, аппаратов прямого преобразования энергии требуется снижать контактное термосопротивление. И наоборот, когда требуется механически прочная изоляция в резервуарах для низкотемпературных жидкостей, при теплоизоляции узлов в летательных аппаратах, высокотемпературных батарей контактное термосопротивление в зоне контакта отдельных элементов следует повышать. Таким образом, перед специалистами, занимающимися вопросами теплового проектирования указанного оборудования, стоит актуальная задача обладать инструментарием по направленному регулированию процессами контактного теплообмена.

Проведенные ранее исследования по данной проблеме не носили системного характера, поскольку были вызваны необходимостью решения частных производственных задач. Для разработки научных положений по вопросам терморегулирования в малонагруженных составных системах требуется проведение комплексных экспериментальных исследований и вывод обобщающего параметра, позволяющего предсказывать эффективность вводимого в зону контакта заполнителя. Решение вышеуказанной задачи осуществлялось автором по плану НИР ФГБОУ ВПО «Воронежская госуд арственная лесотехническая академия» в рамках темы «Разработка и обоснование методов расчета и способов изменения термического сопротивления в контактных соединениях конструкций» (№ per. 201.85.00.52.971).

Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является разработка и обоснование методов регулирования термосопротивления в малонагруженных соединениях путем введения в зону контакта заполнителей из различных материалов. Для реализации постановленной цели решались следующие задачи:

- анализ состояния вопроса изменения контактного термосопротивления в соединениях из металлических поверхностей;

- разработка и обоснование обобщающего параметра в виде безразмерного термосопротивления контакта малонагруженных металлических поверхностей, позволяющего устанавливать характеристики различных сочетаний основного металла контактной пары и заполнителя в зоне раздела;

- моделирование процесса контактного теплообмена малонагруженных соединений с плоскошероховатыми, волнистыми и имеющими макроопслонения поверхностями;

- экспериментальные исследования способов повышения и снижения контактных сопротивлений в малонагруженных соединениях.

Предмет и объект исследования. Предметом исследования является механизм процесса изменения термического сопротивления контакта металлических поверхностей путем введения в зону раздела заполнителей различной природы.

Объектом исследования являются контактные пары из сплава Д16Т, латуни Л80, стали 12Х18Н10Т, стали 45; заполнители контактной зоны: асбест листовой, слюда, стеклоткань, фторопласт, проволочные сетки из железа, нержавеющей стали, латуни; порошки оксидов магния, меди и алюминия; полимерные клеи ВК-3, ВС-ЮТ, клеевые композиции из смолы ЭДП, отвердителя ГТЭПА и дисперсных наполнителей в виде графитового и никелевого порошка ПНК; гальванические покрытая из меди, кадмия и свинвд; фольга из алюминия и кадмия.

Научная новизна результатов исследования.

1. Разработан и обоснован обобщающий параметр в виде безразмерного термосопротивления контакта малонагруженных металлических поверхностей, позволяющий устанавливать характеристики различных сочетаний основного металла контактной пары и заполнителя в зоне раздела

2. Разработана модель процесса контактного теплообмена, позволяющая определять термосопротивление в зоне контакта для малонагруженных поверхностей различной геометрии.

3. При экспериментальном изучении механизма регулирования контактных термосопротивлений в малонагруженных соединениях установлено влияние материала заполнителей и материала контактной пары на повышение или снижение контактного термосопротивления.

Практическая значимость работы. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований использованы в качестве научной основы для создания новых технических и технологических решений при проектировании теплонапряженных систем с составными элементами, испытывающими малые механические нагрузки.

Предложенные в работе методы направленного регулирования процессов те-плопереноса через контактные соединения путем введения в зону раздела заполнителей различной природы применены на предприятии ОАО НВП «Протек» по улучшению теплопроводности между модулем блока питания и поверхностью радиатора охлаждения.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе по дисциплине «Теплотехника» на кафедре электротехники, теплотехники и гидравлики ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия».

Достоверность результатов. Достоверность обеспечивается использованием фундаментальных законов из теории теплообмена, применяемыми при проведении экспериментов аттестованными измерительными приборами и подтверждается хорошим совпадением расчетных и экспериментальных результатов.

Апробация и реализация результатов исследований. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 10 Всероссийской научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов «АКТ-2009» (Воронеж, 2009); 4 Международной научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Научный потенциал студенчества в 21 веке» (Ставрополь, 2010); 5 Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010); 8 Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда, 2010); 1 Международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь, 2010); 17 Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (Томск, 2011); Международной молодежной научной конференции «XIX Туполевские чтения» (Казань, 2011); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГЪОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» (2010,2011).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат [1, б, 7, 8, 15, 17] - разработка математической модели определения контактных термосопротивлений для малонагруженных соединений; [2,3,4,5,7] - обработка и анализ экспериментальных данных; [10,12, 13,14,16] - разработка методических основ регулирования процесса теплообмена в составных системах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит ю введения, четырех глав, выводов, приложения и списка литературы, включающего 102 наименования. Основная часть работы изложена на 125 страницах, содержит 53 рисунка и 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы, определяются задачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе выполнен обзор работ отечественных и зарубежных ученых, специализирующихся на изучении проблемы контактного теплообмена. Показано, что, несмотря на значительный объем проведенных теоретических и экспериментальных исследований по проблеме теплопереноса через контактные соединения с металлическими поверхностями до настоящего времени остается малоизученным

целый рад вопросов, решения которых настоятельно требуют службы, занимающиеся проектированием и эксплуатацией тепяонапряженных технических систем с составными элементами. Так, остается на стадии констатации факта возможность изменения термосопротивления контакта в системах с составными элементами.

На основе проведенного анализа работ, посвященных данной проблеме, можно сделать вывод о необходимости проведения комплексных экспериментальных исследований по направленному изменению термосопротивления в зоне контакта металлических поверхностей и разработки обобщающего параметра, позволяющего получать информацию об эффективности вводимого в зону раздела заполнителя.

Во второй главе диссертации изложены программа экспериментальных исследований процесса формирования контактных термосопротивлений, оборудование и методика проведения исследований.

Для определения контактных термосопротивлений при введении в зону контакта заполнителей различной природы и геометрии и при непосредственном контактировании поверхностей была разработана установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 1.

Рис. 1. Приншпналывя схема экспериментальной установки для определения контактных термосопротивлений: 1 - нагреватель; 2 - нагревательный элемент, 3 - адиабатическая поверхность; 4 -горячий спай; 5 - переключатель певший; 6 -осциллограф самопишущий; 7 - холодный спай; 8 - сосуд Дьюара; 9 - потенциометры; 10 - холодильник; 11 - штатив; 12 - набор грузов; 13 -реостат, 14-моккштактный заполнитель

V»

Основным элементом установки является рабочая ячейка, состоящая из двух контактирующих металлических стержней, один из которых выполняет функции нагревателя, другой - холодильника Установленные по длине стержней по четыре хромель-копелевые термопары фиксируют распределение температуры в стержнях и позволяют находить температурный перепад в зоне контакта АТк и среднее значение теплового потока цср для условий стационарного теплового режима. По

полученным значениям температурного перепада и теплового потока находилось контактное термосопротивление

К . (1)

Шероховатость и волнистость контактирующих поверхностей контактной пары из стержней определялись на профштометре-профилографе «Калибр-ВЭИ». В качестве заполнителей в зоне контакта использовались, как отмечалось ранее, материалы различной природы и геометрии. Для ряда малотеплопроводных материалов как заполнителей зоны раздела требовалось находить коэффициент теплопроводности. Для этих целей использовалась установка в модифицированном варианте, функционирующая по методу двух температурно-временных интервалов.

В данной главе приводится также методика статистической обработки результатов физических экспериментов и метод определения погрешностей.

В третьей главе приводятся результаты проведенных экспериментальных исследований и дается их анализ.

Д ля характеристики различных сочетаний основного металла контактной пары и заполнителя, вводимого в зону контакта, предложен обобщающий параметр в ввде безразмерного термосопротивления

(2)

В начальной части экспериментальной программы проводились исследования соединений с повышенными термосопротивлениями в зоне контакта при малых механических нагрузках (Р < 1 МПа). Исследовалось формирование термосопротивления при введении в зону контакта листовых малотеплопроводных прокладок из асбеста, слюды, фторопласта и стеклоткани. Полученные данные опытов для контактной пары из латуни Л80 для плоскошероховатых поверхностей при температурах Тк = 338 К и 403 К в виде кривых зависимости Як = /(Р) приведены на рис. 2 и 3. Из приведенных данных видно, что термосопротивление для контактных пар с листовыми заполнителями значительно выше, чем при непосредственном контакте поверхностей. Повышение температуры в зоне контакта за счет роста коэффициента теплопроводности воздуха межконгактной прослойки приводит к снижению термосопротивления соединений с заполнителями.

Из структуры безразмерного термосопротивления (2) следует, что на К влияет природа металла контактной пары. Из сравнения данных рис. 2 и рис. 5 видно, что характер кривых Як = / (Р) для контактной пары из латуни и сплава Д16Т остается прежним, но значительно меняется абсолютная величина . Для

контактной пары из более теплопроводного сплава Д16Т термосопрогивление ниже, чем для пары из латуни.

Ъ-ю'.ш

0.1 0.2 0.3 Щ 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Р. МПа а

Рис. 2. Зависимость термосопрсгтвления контактной пары ю лшуни с плоскотероховагыми поверхностями от нагрузки с листовыми прокладками в зоне контакта из: 1 - асбест, 8 = 0,43 мм; 2 - слюда, 6 = 0,4 мм, 3 - фторопласт, 6 = 0,42 мм; 4 - стеклоткань, 5 = 0,29 мм (а). Температура в зоне контакта Тк = 338АГ . Штриховая линия - непосредственный контакт. Профилограммы соприкасающихся поверхностей (б)

Ъ-Ю'.ш

0.1 0.2 0.3 0.( 0.5 0.6 ал 0.8 Ь.9 Р. МПа

Рис. 3. Зависимость термосопротивления кошжтой пары го латуни с шюскошероховатыми поверхностями ст нагрузки с листовыми прокладками в зоне контакта из: аналогично данным рис. 2. Температура в зоне контакта Тк = 403А" . Штриховая линия - непосредственный контакт

о щ цг ю т да да а/ ав ¡¡9 Рис. 4. Зависимость безразмерного термооопропга-ления от нагрузки гри 7^=403^ для контактной

пары из латуни с листовыми прокладками: аналогично данным рис. 3

0 0.1 0.2 0.3 ОА 0.5 0.6 0.7 0.8 Ь.9 Р. МПа

¡111

Ь 1 2 5 \ 5 а б

Рис. 5. Зависимость термосопрспивления контактной пары из сплава Д16Т с шюскошероховатыми поверхностями от нагрузки с листовыми прокладками в зоне контакта из: аналогично данным рис. 3(а). Температура в зоне контакта Тк =338К . Штриховая линия - непосредственный контакт. Профилограм-мы соприкасающихся поверхностей (б)

Полученные данные рис. 5 представлены в безразмерной форме на рис. 6.

Из графиков рис. 4 и 6 видно, что повышение давления в зоне контакта нивелирует различия в безразмерных термосопрсггивлениях для разных заполнителей. Очевидно, что при высоких механических нагрузках различия в эффективности заполнителей различной природа будут уменьшаться.

о 0.1 0.2 0.3 ОЛ 0.5 06 0 7 0.в 0.9 " Рис. 6. Зависимость безразмерного термосопротиаления от нагрузки при Тк = 403ЛТ для контактной пары из сплава Д16Т с листовыми прокладками: аналогично д анным рис. 5

0.1 0.2 0.3 ОЛ 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Р. МПа

Рис. 7. Зависимостьтермооопрошвдения контактной пары из сплава Д16Г с плосхошероховатыми по-верхшстями([рофилограммь1нарис.5)огнафузкипри Тк =403£ для многослойных заполнителей в зоне контакта 1 - асбест (2 слоя), 5=0,86 мм; 2-асбест (3 слоя), 8= 1,29 мм; 3 - слщда (2 слсяХ 8=0,8 мм; 4-анода (3 слоя), 6 = 1Д мм; 5 - стеклянная вага, 8=0,45 мм; 6 - стеклянная вага, 6 = 1,8 мм. Штриховая линия-непосредственный контакт

Еще более эффективным теплоизсшятором, как и следовало ожидать, представляется комбинация из многослойных листовых заполнителей (рис. 7).

Повышенные теплоизоляционные свойства показывает заполнитель в виде порошков из оксидов магния, меди, алюминия. Это видно из графиков рис. 8 и 9.

и -1-1-1-1-1-1-1-

0.1 0.2 0.3 ОА 0.5 0.6 ОЛ 0.8 0.9 Р. МПа Рис. 8. Зависимость термосопротивления для контактной пары из латуни от нагрузки с порошками в зоне контакта с привешенным диаметром частиц а * 0,15 мм (1-3) и числом 1050 частиц на I см2: 1 - оксид мети; 2-оксид алюминия; 3-оксид магния. Температура в зоне контакта тк =338К . Г, 2', 3' - диаметр частиц 5 « о, 25 мм. Штриховая линия - непосредственный контакт

Исследованиями также установлено, что уменьшение количества частиц заполнителя (с 1050 до 300 на 1 см2) приводит к повышению термосолротавления, что можно объяснить увеличением воздушной прослойки в зоне раздела

Рис. 9. Зависимость безразмерного термосопротивления от нагрузки при 7] =338К для контактной пары из

латуни с порошками с к 0,15 мм (1-3) и с ¿ = 0,25 мм (1-3') в зоне контакта: аналогично данным рис. 8.

Специальный раздел работы посвящен вопросам исследования формирования термосопротивления, когда в зону контакта для создания высокопрочных соединений вводятся металлические сетки. На рис. 10 приведены кривые зависимости Кк = /(Р) для сеток из проволоки различной толщины и размеров ячеек при температуре в зоне контакта Тк = 403 К.

0 0.1 0.2 OJ ¿A 0.5 0.6 0.7 0.8 Ь.9 Р. Mílo Рис. 10. Зависимость термосопротивления для контактной пары из сплава Д16Т от нафузки для заполнителей в зоне контакта; 1-асбест(<У =0,43 мм); 2-железная сетка, о£рабаганная растворителем (= 0,75 мм, paiMep ячейки 1 мм х 1 мм); 3- та же железная сетка с оксидной пленкой; 4- сегка ю нержавеющей стали (5 =0,88 мм, 1 мм х 1 мм); 5- сетка ю нержавеющей стали (8 =0,39 мм, 0,5 мм х 0,5 мм); 6-сетка га нержавеющей стали (S = 0,13 мм, 0,05 мм х 0,05 мм); 7 - сетка латунная ( S = 0,6 мм, 0,5 мм х 0,5 мм); 8-cenca латунная (S = 0,19 мм, 0,05 мм х 0,05 мм); 9-стеклоткань (S =0,29 мм); штриховая линия -непосредственный контакт

Анализируя данные рис. 10, можно видеть, что наиболее высокие значения Rk имеют место для соединений с заполнителями из сетки из малотегогопроводной нержавеющей стали, из проволоки наибольшей толщины (кривая 4), что объясняется увеличением толщины воздушной прослойки и уменьшением площади фактического контакта.

Рис. И. Зависимость безразмерного термосопрспивления от нагрузки для коигакгаой пары из сплава Д16Т для заполнителей в зоне контакта: аналогично данным рис. 10

Железная сетка с оксидной пленкой имеет Кк выше, чем не окисленная сетка (кривая 3 в сравнении с кривой 2). Полученные результаты экспериментов показывают, что применение сетчатых экранов позволяет создавать более эффективную теплоизоляцию по сравнению даже с таким традиционно используемым теплоизо-лятором, как листовой асбест.

Анализируя данные рис. 4,6 и 11, можно констатировать, что повышение безразмерного термосопротивления К свидетельствует об улучшении теплоизоляционных свойств контактного соединения с листовыми и сетчатыми заполнителями.

Кроме разъемных соединений исследовались клеевые соединения, широко применяемые в настоящее время в теплонапряженных системах. Исследовалось формирование термосопротивления клеевых прослоек в зависимости от давления отверждения для клеев различной вязкости. На рис. 12 приведены результаты исследований для высоковязкого ВК-3 и маловязкого клея ВС-10Т.

О 0.5 ю 1.5 НПа

Рис. 12. Зависимость термосогрэтив-ления клеевых прослоек на основе клеев ВК-3 (1, 2) и ВС-10Т (3. 4) от давления отверждения при рашичном удельном расходе клея: 1 - 01 р = 0,125 мм;2—0,24 мм;3-0,117 мм;4-0,195 мм; 1,2- шероховатые поверхности; Г, 2' - гладкие поверхности. Штриховая линия - расчет по формуле (3)

Штриховые линии рассчитывались по полуэмлирической зависимости, выведенной для контактной пары с клеевой прослойкой для различных клеев.

Я =

01 р- -2.| [М1 -Р./Р-УК]

VI (1+ 4 р^ т'-е ] 1/2 !

З-п.-е"'-т1-р2)

2-8-

-2И,

(3)

где т}н — начальная вязкость клея; а - коэффициент, характеризующий свойства клея; Лк - коэффициент теплопроводности клея; <2 — оптимальный расход клея; р - плотность клея; - эквивалентная глубина зазоров между поверхностями; Рн , Ротв - соответственно начальное давление газов во впадинах неровностей и давление отверждения; т - ширина склеиваемых поверхностей.

Из расположения кривых зависимости Кк = /( Р) видно, что термосопротивление контактной пары с клеевой прослойкой снижается с повышением давления отверждения и особенно выраженно для соединений на маловязком клее ВС-

10Т. Для гладких поверхностей зависимость Як = / ( Ротв) носит менее выражен-

ный характер и сопротивление меньше, чем для шероховатых поверхностей, что можно объяснить законсервированностью для последних во впадинах микронеровностей воздушных включений, повышающих сопротивление прослойки.

Во второй части экспериментальной программы исследовались мероприятия по снижению контактных термосопротивлений для малонагруженных соединений. На рис. 13 представлены результаты по определению термосопротивления контактной пары из стали 12Х18Н10Т с поверхностями, имеющими гальванические

покрытия из меди, кадмия и свинца

0.1 0.2

07 ав МПа

Рис. 13. Зависимость КТС сгг нагрузки дгм контактной пары из стали 12Х18Н10Т с шлифованными поверхностями контакта (1). Одна поверхность покрыта мелью (2), кадмием (3) и свинцом (4) толщиной 50 мкм (а). Температура в зоне контакта Тк =375 К. Профилограммы поверхностей (б)

Из расположения кривых видно, что наибольший эффект по снижению Як наблюдается для контактной пары с омедненной поверхностью, что можно объяснить высокой теплопроводностью меди.

О характеристике сочетаний основного металла контактной пары и металла гальванического покрытия можно судить по графику рис. 14.

01 02 0.3 ОА 0.5 0.6 07 0.8 0.9

Р. МПа

Рис. 14. Зависимость безразмерного термосопротивления от нагрузки для контактной пары из стали 12Х18Н10Т с гальваническими покрытиями из меди (1), кадмия (2) и свинца (3) (данные рис. 13)

Не менее эффективным и особенно для контактов с поверхностями, имеющими волнистость и макроотслонения, можно считать введение в зону контакта прокладок (фольги) из высокотеплопроводных и пластичных металлов (рис. 15).

„зЛ,I Он

1.51.0 0.5

х 2000

хв

х 1000

0.1 0.2 0.3 ОЛ 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Р. МПа

2)15

а б

Рис. 15. Зависимость КТС от нагрузки для контактной пары из стали 12Х18Н10Т с шлифованными поверхностями, одна из которых имеет регулярную волнистость (1). В зоне раздела фольга из алюминия толщиной 8 = 0,1 мм (2) и кадмия толщиной 0,08 мм (3) (а). Профилограммы поверхностей (б)

Для снижения термосолротиаления через клеевую прослойку соединений на клеях предлагается использовать дисперснонаполненные клеи. Клеевые прослойки на основе таких клеев подвергаются обработке в магнитном (для ферромагнитных наполнителей) или в электрическом (для неферромагаигных наполнителей) поле. На рис. 16 приведена зависимость термосопротивления магнигообработанных клеевых прослоек от концентрации никелевого порошка ПНК. Воздействие, в частности, магнитным полем значительно снижает сопротивление клеевой прослойки

Рис. 16. Зависимость термосопротивления магнигообработанных клеевых прослоек на основе клея ЭДП+ПЭПА+ПНК в зависимости от концешрании ПНК при напряженности магнитного поля Н =5-10* А/м (2), 15104 А/м (3), 2210' А/м (4). 1 -без обработки

С. % па пассе

Четвертая глава посвящена вопросу разработки расчетных зависимостей для определения контактных термосопротивлений при непосредственном соприкосновении плоских металлических поверхностей различной геометрии при малых механических нагрузках. Необходимость таких зависимостей связана с получением численных значений введенного ранее безразмерного термосопротивления, для чего необходимо рассчитывать Як для конкретной контактной пары. За основу принимается модель единичного теплового канала со смещенным микроконтактом, что характерно для контакта плоских поверхностей при малых усилиях при-

жима. Проведенные испытания для такого микроконтакта на установке ЭГДА позволили ввести коэффициент смещения р, имитирующий повышение термосопротивления для смещенного контакта. Приняв за основу классические зависимости контактного термосопротивления единичного контакта и увязав их с последними положениями га теории механического контактирования поверхностей твердых тел, получены полуэмпирические зависимости для расчета контактных термосопротивлений для соединений с металлическими поверхностями, функционирующими в режиме малых механических нагрузок.

Полное КТС для малонагруженных соединений в газовой среде рассчитывается по формулам:

для плоскошероховатых поверхностей

-1 = 0,64---р---Ъ.-+_4_• /л)

для поверхностей с волнистостью

Зч,...^. л-мг.

(П - коэффициент смещения макроконтакга при касании волнистых поверхностей, определяется аналогично р);

для поверхностей с негоюскосгностью

\ 0,64 ✓ , ^0,64

5.д .И <Ь.

f£f.(í

...

Ь» + + )■ 0-еткр)'

полученным с учетом гшажений из теории механического и» тактирования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснована возможность направленного терморегулирования в тегшона-пряженных системах с составными элементами путем введения в зону раздела контактирующих поверхностей заполнителей различной природы и геометрии.

2. Дня сравнгния эффективности введенного в зону контакт металлических поверхностей заполнителя предлагается параметр в виде безразмерного термосопротивления К, позволяющего осуществлять подборку основного металла и заполнителя для малонагруженных соединений. Терморегулирующие материалы, для которых безразмерное термосопрсггивлениг составляет 0,005.. .0,015, облапают хорошими теплоизоляционными свойствами (листовые прокладки металлические сетки, порошки оксидов металлов). Материалы, для которых безразмерное термосо противление гаходигся в пределах от 0,05 до 1, позволяют ооздавзтъ соединения с хорошей тепловой проводимостью.

3. Экспериментально изучен механизм повышения и снижения термосопро тивления при введении в зону контакта малонагруженных металлических поверхностей заполнителей различной природ ы.

4. Получены и экспериментально подтверждены полуэмпирические зависимости для расчета контактного термосопротивления в соединениях с непосредственно контактирующим металлическим плоскошероховатыми, волнистыми и имеющими неплоскосгность поверхностями при малых механических нагрузках. Полученные формулы используются для расчета безразмерного термосопротивления.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И РАЗМЕРНОСТИ

Тк -температура в зоне контакта, К; 0 - тепловой поток, Вт, ц - плотность теплового потока,

Вт/м2; - контактное термическое сопротивление при непосредственном катгакте, мгК1Вт ; котактое термическое сопротивление, создаваемое заполнителем, м2 - К/Вт ; — темпераэдзный перепад в зоне контакта, "С, а, - тепловая проводимость контакта, Вт! м1 К ; ам -театовая проводимость фактического контакта, Вт/м1 -К ; а. - тепловая проводимость среды в зоне контакта, Вт/м2-К ; - термическое сопротивление фактического контакта, м2-К/Вт ; -термическое сопрсгшаление мезкюжгактой среда, м2 К!Вт ; - коэффициент теплопроводности материала контактной пары, м-К/ Вт; Л. = (2Ям1 + Я„2) -приведеннаятеплопроводность материалов

контакшой пары, м-К!Вт \ Р = - удельная нормальная нагрузка на поверхность контакта (контактное давление), МПа; S, -номинальная площадь контакта, м2; - фактическая плошадь контакта, м2; 5, - кошурная гоюшапь контакта, м2; щ = / 5. ; = / 5,; <75 = ^ / - относительные плошааи контакта; е - относительное сближение поверхностей под действием нагрузки; сг. - предел прочности, МПа; Е -модуль нормальной упругости, МПа; И^ - срсщия высота микровыступов шероховатости, м, мкм; - максимальная высота микровыступов шероховатости, м, мкм; Н, — высота выступа волны, м, мкм; I - шаг волны, м, мкм; 3 - толщина заполнителя, м, мкм; Л - толщ ина прослойки среды мевду поверхностями, м, мкм; г0 - радиус микрокашиспюго элемента, мкм; Ьн -радиус макрокошактного элемента, м,мкм; <р -коэффициент стягивания линий теплового тока в местах фактического контакта; х,у, г -декартовы координаты.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Попов В.М. Контактный теплообмен в измерительной технике / В.М. Попов, О Л. Ерин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т.7. №2. -С. 45-47.

2. Теплообмен через тонкослойные прослойки в зоне контакта металлических поверхностей / В. М. Попов, OJ1 Ерин, АП. Новиков, И.Ю. Кондратенко // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т.7. № 6. -С. 37-39.

3. Попов В.М. Термосопротивление контактного слоя с заполнителями между металлическими поверхностями / В.М. Попов, AJI Новиков, OJ1. Ерин // Электронный журнал ((Современные проблемы науки и образования». - 2012. - № 1. - Режим доступа: www.science-education.ru/101-5559

Статьи и материалы конференций

4. Ерин О Л. Контактный теплообмен в авиационных и космических системах / ОJ1 Ерин, В.М. Попов, A.B. Латынин // Научные исследования в области транспортных, авиационных и космических систем "АКТ-2009": труды 10 Всеросс. науч. - техн. конф. и школы молодых ученых, аспирантов и студентов. Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 22-24.

5. Попов В.М. Повышение долговечности теплонапряженных деталей и инструмента / В.М. Попов, A.B. Лагынин, OJI. Ерин // Новые материалы и технологии в машиностроении: сб. науч. тр. Брянск, 2009. Вып. 10. С. 82-84.

6. Проблемы контактного теплообмена в теплонапряженных системах лесного комплекса / В.М. Попов, АА. Карпов, П.А. Емельяненко, OJI. Ерин, A.B. Латынин // Лес. Наука. Молодежь - 2009: материалы по итогам научно-исследовательской работы молодых ученых ВГЛТА за 2008-2009 гг. Воронеж, 2009. Т. 1.С. 147-149.

7. К вопросу о терморегулировании в высоконапряженных технических системах с разъемными соединениями / В.М. Попов, А.Е. Крючков, A.B. Латынин, ОЛ. Ерин // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГЛТА, 2009. Вып. 4. С. 21-24.

8. Латынин A.B. Теплопередача в зоне контакта разъемных соединений теп-лонапряженых систем / A.B. Латынин, ОЛ. Ерин, В.М. Попов // Научный потенциал студенчества в 21 веке: материалы 4 Междунар. науч. конф. студентов, аспирантов, молодых ученых. Ставрополь: СевКавГТУ, 2010. Т. 1: Естественные и технические науки. С. 202-203.

9. Ерин ОЛ. Разработка методических основ определения контактных термосопротивлений в малонагруженных соединениях энергетических установок // Тин-чуринские чтения: материалы докладов 5 Междунар. молодежной науч. конф. Казань, 2010. Т. 2. С. 229-230.

10. Лагынин AJ3. Терморегулирование в тегоюнапряженных конструкциях энергетических установок / AJ3. Латынин, OJ1 Ерин // Тинчуринские чтения: материалы докладов 5 Мевдунар. молодежной науч. конф. Казань, 2010. Г. 2. С. 230-231.

11. Ерин О Л. Контактный теплообмен в тешюнапряженных системах энергетических установок // Математическое моделирование, компьютерная ошимша-ция технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж, 2010. Вьш. 15. С. 66-68.

12. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта металлических поверхностей / В.М. Попов, А.В. Латынин, OJI Ерин // В мире научных открытий. 2010. № 4 (10). 4.4. С. 100-102.

13. Латынин А.В. Контактный теплообмен в теплоэнергетических установках / А.В. Латынин, О Л. Ерин // Вузовская наука - региону: материалы 8 Всеросс. науч. -техн. конф. Вологда ВоГТУ, 2010. Т. 1. С. 230-231.

14. Ерин О Л. К вопросу повышения термосопротивления в зоне контакта металлических поверхностей / О Л. Ерин, В.М. Попов // Современная наука: теория и практика: материалы 1 Междунар. науч. - практ. конф. Ставрополь: СевКавГТУ, 2010. Т. 1: Естественные и технические наука С. 196-198.

15. Контактный теплообмен в малонагруженных соединениях металлических деталей и умов / OJI. Ерин, А.Н. Швырев, И.Ю. Кондратенко, В.М. Попов // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве, эксплуатации, сервисе и ремонте: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГЛТА, 2010. Вып. 5. С. 126-128.

16. Новиков AJL Теплопроводность мапшгообработанных полимерных материалов / AJL Новиков, О Л. Ерин // Современные техника и технологии: сб. тр. 17 Междунар. науч. - практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск, 2011. Т. 3. С. 235-236.

17. Попов В.М. Теплообмен через металлические соединения с заполнителями в зоне контакта / В.М. Попов, О Л. Ерин, И.Ю. Кондратенко // Лесотехнический журнал. 2011. № 4 (4). - С. 43-46.

Подписано в печать 16.04.2012 Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0 . Тираж 80 экз. Заказ № 49

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Ерин, Олег Леонидович, Воронеж

61 12-5/3609

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреяедение высшего профессионального образования Воронежская государственная лесотехническая академия

На правах рукописи

Брин Олег Леонидович

РЕГУЛИРОВАНИЕ КОНТАКТНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая

теплотехника

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор В.М. Попов

Воронеж - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Условные обозначения и размерности..........................................5

Введение..............................................................................7

ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы теплового контактирования твердых тел. Цель и задачи исследования.................12

1.1. Основные понятия о тепловом контакте твердых тел. Контактное термическое сопротивление...............................................13

1.2. Основные факторы, оказывающие влияние на процесс формирования контактного термосопротивления....................................18

1.3. Методы направленного изменения термического сопротивления в зоне контакта...........................................................24

1.4. Выводы. Цель работы и задачи исследования............................30

ГЛАВА 2. Постановка, программа, методика и установка

для экспериментальных исследований формирования контактных термосопротивлений.......................................................................32

2.1. Характеристика и программа экспериментальных исследований.....32

2.2. Объекты исследований.........................................................33

2.3. Планирование экспериментов и статистическая обработка результатов экспериментов.................................................................33

2.4. Методика и установка для исследования контактных термосопротивлений в соединениях с заполнителями................................38

2.5. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований и методика определения погрешностей................................51

2.6.Вывод ы..............................................................................53

ГЛАВА 3. Результаты экспериментальных исследований

и их анализ....................................................................................54

3.1. Соединения с повышенными термосопротивлениями в зоне контакта.................................................................................54

3.1.1. Термическое сопротивление контакта с листовыми заполнителями низкой теплопроводности в малонагруженных соединениях....................................................................................54

3.1.2. Термическое сопротивление контакта с сыпучими заполнителями низкой теплопроводности в малонагруженных соединениях.. .62

3.1.3. Термическое сопротивление контакта с металлическими сетками в зоне раздела в малонагруженных соединениях...........................66

3.1.4. Термосопротивление в зоне контакта с клеевыми прослойками....79

3.2. Соединения с пониженными термосопротивлениями

в зоне контакта................................................................................83

3.2.1. Термическое сопротивление в зоне контакта малонагруженных металлических поверхностей, гальванически покрытых высокопластичными металлами......................................................................................83

3.2.2. Термическое сопротивление в зоне контакта малонагруженных металлических поверхностей с прокладками из высокотеплопроводных пластичных металлов........................................................................87

3.2.3. Снижение термического сопротивления дисперснонаполненных клеевых прослоек соединений на клеях путем воздействия

физическими полями........................................................................90

3.3. Выводы............................................................................95

ГЛАВА 4. Определение контактного термосопротивления в

малонагруженных соединениях........................................................96

4.1. Разработка модели процесса теплопереноса для единичного микроконтакта с эксцентричным контактом...........................................96

4.2. Определение КТС для соединений при малых механических нагрузках для плоскошероховатых поверхностей...................................101

4.3. Определение КТС для соединения при малых механических нагрузках для поверхностей, имеющих волнистость и макроотклонения....................................................................108

4.4 Выводы...........................................................................114

Основные выводы и результаты.............................................115

Список литературы...............................................................116

Приложение........................................................................126

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И РАЗМЕРНОСТИ

Тк - температура в зоне контакта, К;

(2 — тепловой поток, Вт;

<7 - плотность теплового потока, Вт/м ;

п м2-К Кк - контактное термическое сопротивление,-;

Вт

АТк - температурный перепад в зоне контакта, °С;

Вт

ак — тепловая проводимость контакта, —-

м -К

Вт

ам - тепловая проводимость фактического контакта,

ас - тепловая проводимость среды в зоне контакта,

м2-К Вт

Ям - термическое сопротивление фактического контакта, Яс - термическое сопротивление межконтактной среды

м-К

м2-К

Вт м2 • К

Вт

Лм - коэффициент теплопроводности материала контактной пары,

Вт

м-К

~Т 2/1 , • X 9

Лм = ———— - приведенная теплопроводность материалов контактной

К\ + Кг

Вт

пары,--;

м-К

Р = N / - удельная нормальная нагрузка на поверхность контакта (контактное давление), МПа;

- номинальная площадь контакта, м ;

■л

Бф - фактическая площадь контакта, м ;

- контурная площадь контакта, м2;

Я ^

1\ = ' = ' Лъ = ^ ~ относительные площади контакта;

£ — относительное сближение поверхностей под действием нагрузки; с7в - предел прочности, МПа; Е — модуль нормальной упругости, МПа; к - средняя высота микровыступов шероховатости, м, мкм;

кмакс - максимальная высота микровыступов шероховатости, м, мкм; Нв - высота выступа волны, м, мкм; Ь - шаг волны, м, мкм;

д - толщина прослойки среды между поверхностями, м, мкм; г0 - радиус микроконтактного элемента, мкм;

Ън - радиус макроконтактного элемента, м, мкм;

ср - коэффициент стягивания линий теплового тока в местах фактического контакта;

х,у,г - декартовы координаты.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. В последние четыре десятилетия в отечественной и зарубежной литературе, посвященной вопросам теплопереноса, интенсивно развивалось отдельное направление, известное как контактный теплообмен. Во многих случаях при тепловых расчетах конструкций с составными элементами требуется учитывать контактные термосопротивления, обусловленные несовершенством механического соединения соприкасающихся металлических поверхностей.

Таким образом, перед специалистами, занимающимися вопросами теплового проектирования указанного оборудования, стоит актуальная задача обладать инструментарием по направленному регулированию процессами контактного теплообмена.

Решение вышеуказанной задачи осуществлялось автором по плану НИР ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» в

рамках темы «Разработка и обоснование методов расчета и способов изменения термического сопротивления в контактных соединениях конструкций» (№ per. 201.85.00.52.971).

Степень разработанности проблемы. Отдельным вопросом изменения контактного термосопротивления в приложении к теплонапряженным системам с составными элементами в большинстве случаев для высокомеханических нагрузок посвящены работы таких ученых как Шлыков Ю.П., Попов В.М., Мальков В .А., Новиков А.П., Хижняк П.Е., Флетчер JI.C., Гайорог Д.А., Смуда P.A. Однако, до настоящего времени отсутствуют целенаправленные исследования по вопросам повышения или понижения термосопротивления в зоне контакта металлических поверхностей. Особенностью данной проблемы является возможность получения информации об изменении контактного термосопротивления в основном через физический эксперимент.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является разработка и обоснование методов регулирования термосопротивления малонагруженных соединениях путем введения в зону контакта заполнителей из различных материалов. Для реализации постановленной цели решались следующие задачи:

- анализ состояния проблемы изменения контактного термосопротивления в соединениях из металлических поверхностей;

- моделирование процесса контактного теплообмена малонагруженных соединений с плоскошероховатыми, волнистыми и имеющие макроотклонения поверхностями;

Объектом исследования являются контактные пары из сплава Д16Т, латуни Л80, стали 12Х18Н10Т, стали 45; заполнители контактной зоны: асбест листовой, слюда, стеклоткань, фторопласт, проволочные сетки из железа, нержавеющей стали, латуни; порошки оксидов магния, меди и алюминия; полимерные клеи ВК-3, ВС-ЮТ, клеевые композиции из смолы ЭДП, отвердителя ПЭПА и дисперсных наполнителей в виде графитового и никелевого порошка ПНК; гальванические покрытия из меди, кадмия и свинца; фольга из алюминия и кадмия.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической базой исследования являются теоретические и экспериментальные данные по механизму процесса теплообмена через контактные зоны с заполнителями при малых механических нагрузках. Для поставленной цели в работе использован метод математического моделирования.

Теоретической базой исследования являлись результаты теоретических работ отечественных и зарубежных ученых в области контактного теплообмена.

Эмпирическую основу исследования составляли исследования термосопротивления в зоне контакта при введении заполнителей различной природы для малонагруженных соединений.

Научная новизна результатов исследования.

Указанные составляющие научной новизны являются положениями, выносимыми на защиту.

Практическая значимость работы. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы в качестве научной основы для создания новых технических и технологических решений при проектировании теплонапряженных систем с составными элементами, испытывающими малые механические нагрузки.

Предложенные в работе методы направленного регулирования процессов теплопереноса через контактные соединения путем введения в зону раздела заполнителей различной природы применены на предприятии ОАО НВП «Протек».

Достоверность результатов. Достоверность обеспечивается использованием фундаментальных законов из теории теплообмена, применением при проведении экспериментов аттестованных измерительных приборов и подтверждается хорошим совпадением расчетных и экспериментальных результатов.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертационная работа соответствует специальности 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника в области исследования «Разработка на-

учных основ и создание методов интенсификации процессов тепло- и массопе-

реноса и тепловой защиты».

Апробация и реализация результатов исследований. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГЛТА (2010, 2011 гг.); 10-й Всероссийской научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов «АКТ-2009» (Воронеж, 2009 г.); 4-й международной научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Научный потенциал студенчества в 21 веке» (Ставрополь, 2010 г.); 5-й Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010 г.); 8-й Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда, 2010 г.); 1-й Международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь, 2010); 17-й Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (Томск, 2011 г.); Международной молодежной научной конференции «XIX Ту-

полевские чтения» (Казань, 2011 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 17

научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений и списка литературы, включающего 102 наименования. Основная часть работы изложена на 125 страницах, содержит 53 рисунка и 2 таблицы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОВОГО КОНТАКТИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

За последние четыре десятилетия отечественными и зарубежными учеными, специализирующимися в области тепломассообмена, проводились масштабные исследования по контактному теплообмену [31, 36, 55, 78, 91]. Такой интерес к данной проблеме объясняется интенсивным развитием энергетики, авиации, космонавтики, радиоэлектроники и других наукоемких областей техники, где довольно часто встречаются теплонапряженные технические системы, в которых через контактирующие между собой составные элементы передаются тепловые потоки высокой плотности [19, 49, 66]. При проведении тепловых расчетов в составных системах возникает необходимость учета контактных термических сопротивлений (КТС) в зоне раздела металлических поверхностей, обусловленных дискретным характером их соприкосновения. Наличие КТС сопровождается ростом температурных перепадов между контактирующими поверхностями, что в конечном счете приводит к перегреву отдельных деталей, узлов и в целом технических систем.

Несмотря на большой объем проведенных исследований по проблеме контактного теплообмена остается ряд малоизученных вопросов. Так, недостаточно изучены вопросы терморегулирования для составных систем, решение которых позволяло бы прогнозировать формирование КТС путем внесения в зону контакта различного рода заполнителей. Таким путем открывается перспектива повышения или снижения величины КТС и, таким образом, появляется возможность проводить операции по направленному терморегулированию в целом систем или отдельных узлов.

1.1. Основные понятия о тепловом контакте твердых тел. Контактное

термическое сопротивление

При совершенном контакте абсолютно чистых поверхностей твердых тел тепловые потоки и температуры на границе раздела совпадают и естественно отсутствует дополнительное термосопротивление. Совершенно другая картина наблюдается, когда контактируют реальные поверхности.

Из теории механического контактирования, в частности, металлических поверхностей известно [15, 16, 27], что поверхности, подвергнутые механической обработке, могут иметь микронеровности, волнистость или макронеровности. При контактировании даже плоских поверхностей нельзя дос�