Технические науки/5. Энергетика

Д.т.н. Попов В.М., к.т.н. Новиков А.П., асп. Ерин О.Л.

Воронежская государственная лесотехническая академия, Россия

Терморегулирование в теплонапряженных системах с

составными элементами

При проектировании и эксплуатации современных энергетических установок и других теплонапряженных технических систем приходится решать комплекс задач, направленных на повышение их эффективности и надежности, снижение массовых и габаритных характеристик, обеспечение оптимальных тепловых режимов работы.

Дополнительные трудности проведения тепловых расчетов таких систем имеют место при наличии составных элементов, когда приходится учитывать влияние контактного термосопротивления (КТС) в зоне раздела между отдельными деталями и узлами. Вместе с тем наличие разъемных соединений открывает возможность путем введения в зону раздела различного рода заполнителей направленно регулировать процессами теплопереноса в системе, т.е. снижать или повышать КТС. Такой способ терморегулирования достаточно перспективен и легко реализуем в практике. Однако, несмотря на достаточно большой объем исследований по контактному теплообмену [1, 2], вопросы терморегулирования в системах с составными элементами мало исследованы.

В данной работе решается задача экспериментального исследования процессов формирования полного термосопротивления через зону раздела между металлическими поверхностями с различными заполнителями в условиях малых усилий прижима. Исследования проводились на установке стержневого типа, используемой для изучения процессов контактного теплообмена (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема установки для определения КТС:

1 – нагреватель; 2 – нагревательный элемент; 3 – адиабатическая боковая поверхность; 4 – горячий спай; 5 – переключатель позиций; 6 – потенциометр самопишущий КСП-3; 7 – холодный спай; 8 – сосуд Дьюара; 9 – потенциометры; 10 – холодильник; 11 – штатив; 12 – набор грузов; 13 – реостат; 14 – межконтактный заполнитель

Основным элементом установки является рабочая ячейка, состоящая из двух контактирующих торцами вертикально расположенных стержней из латуни длиной 100 мм и диаметром 30 мм. Верхний стержень выполняет функции нагревателя, питаемого от электросети, нижний – холодильника, охлаждаемого проточной водой. Каждый стержень имеет по пять радиальных сверлений диаметром 1,5 мм на глубину 15 мм, в которые установлены термодатчики в виде хромель-копелевых термопар. Электродвижущая сила, развиваемая термопарой, фиксируется компенсационным методом с помощь потенциометра. Боковые поверхности стержней теплоизолированы. Осевое нагружение на поверхности контакта производится путем набора грузов.

Термосопротивление в зоне контакта находится по методу, в основу которого положен закон Фурье и дифференциальное уравнение теплопроводности для неограниченной пластины с изотермическими поверхностями при стационарном тепловом режиме, т.е.

(1)

Температурный перепад в зоне раздела находился из графика изменения температуры по длине стержней. Средняя величина теплового потока определялась по градиентам температур в верхнем и нижнем стержнях.

Для верхнего стержня

(2)

Для нижнего стержня

(3)

Здесь , – соответственно коэффициенты теплопроводности материалов верхнего и нижнего стержней; , – температурные перепады между смежными точками, где установлены термопары; , – расстояние между смежными точками.

В зону раздела вводились заполнители в виде асбестовой прокладки, окисленной железной проволочной сетки, железной сетки, обработанной растворителем, сеток из нержавеющей стали с проволокой различной толщины и разного размера ячеек. Проведены две серии опытов при значениях температуры в зоне контакта = 65ºС и = 130ºС. Определялось термосопротивление в зависимости от давления Р в режиме малых нагрузок от 0,2 до 0,85 МПа.

Полученные результаты исследований приведены на рис. 2 и 3. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы. Наибольшим термосопротивлением обладают контактные соединения с сеткой из нержавеющей стали с проволокой максимальной толщины (кривая 4). Уменьшение толщины проволоки и размера ячеек приводит к заметному снижению термосопротивления (кривые 5 и 6). Повышение можно объяснить увеличением размера воздушной прослойки в зоне раздела и уменьшением фактической площади непосредственного контакта сетки с поверхностями нагревателя и холодильника.

Рис. 2. Зависимость термосопротивления от нагрузки при t_к =65ºС для заполнителей в зоне контакта: 1 – асбест (= 0,43 мм); 2 – железная сетка, обработанная растворителем (= 0,75 мм, размер ячейки 1 мм × 1 мм); 3 – та же железная сетка с оксидной пленкой; 4 – сетка из нержавеющей стали (= 0,88 мм, 1 мм × 1 мм); 5 – сетка из нержавеющей стали (= 0,39 мм, 0,5 мм × 0,5 мм); 6 – сетка из нержавеющей стали (= 0,13 мм, 0,05 мм × 0,05 мм); штриховая линия – непосредственный контакт без прослойки.

Рис.3 Зависимость термосопротивления от нагрузки при t_к =130ºС для заполнителей в зоне контакта: аналогично данным рис. 2.

Из данных опытов также видно, что сетка из более теплопроводной железной проволоки (кривая 2) создает сопротивление, которое значительно ниже, чем для контактов с сеткой из нержавеющей стали. Железная сетка из окисленной проволоки повышает термосопротивление (кривая 3 в сравнении с 2), что можно объяснить наличием на поверхности сетки малотеплопроводного оксида. Результаты проведенных опытов свидетельствуют о том, что использование для теплоизоляции сетчатых экранов в зоне контакта металлических поверхностей более эффективно, чем, скажем, традиционное применение для этих целей листового асбеста (кривая 1). При этом следует иметь в виду, что сетчатые экраны более эффективны при высоких механических нагрузках.

Из сравнения данных рис. 2 и 3, можно видеть, что повышение температуры в зоне контакта снижает термосопротивление, что можно объяснить ростом теплопроводности воздуха в контактной зоне с увеличением температуры.

Для вывода обобщенной характеристики термического сопротивления в зоне контакта при использовании различных по природе заполнителей вводится безразмерный комплекс в виде отношения термосопротивления контактной зоны с несжатой прослойкой из выбранного материала к термосопротивлению при непосредственном контакте и эквивалентной толщины межконтактной среды.

, (4)

где , – соответственно термосопротивления при непосредственном контакте поверхностей стержней и при наличии прослойки из заполнителя; , – соответственно толщина прослойки из заполнителя и эквивалентная толщина межконтактной среды.

Входящие в (4) термосопротивления находились опытным путем. Эквивалентную толщину межконтактной среды определяли по профилограммам с контактирующих поверхностей [3]. На рис. 4 приводятся кривые зависимости безразмерного комплекса К для различных заполнителей от нагрузки.

Рис. 4. Зависимость безразмерного термосопротивления от нагрузки для различных заполнителей при t_к =130ºС: аналогично данным рис. 3.

Из рис. 4 видно, что повышение К свидетельствует об улучшении теплоизоляционных свойств применяемого заполнителя. И наоборот, снижение К свидетельствует о повышении теплопроводности зоны перехода.

В заключение следует отметить, что приведенные результаты исследований свидетельствуют о возможности проведения операций по направленному терморегулированию в теплонапряженных технических системах с составными элементами.

Литература

1. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А., Царевский С.Н. Контактное термическое сопротивление. М.: Энергия, 1977. 328 с.

2. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М.: Энергия, 1971. 216 с.

3. Демкин Н.Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 322 с.