WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

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

Воронеж – 2012

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 « » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Бараков А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность 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 государственная лесотехническая академия» в рамках темы «Разработка и обоснование методов расчета и способов изменения термического сопротивления в контактных соединениях конструкций» (№ рег. 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 макроотклонения 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-10Т, 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.

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 теплопереноса 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 ФГБОУ 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, 6, 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 из 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 ряд вопросов, решения которых настоятельно требуют службы, занимающиеся проектированием и эксплуатацией теплонапряженных 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. Принципиальная схема экспериментальной установки для определения контактных термосопротивлений: 1 – нагреватель; 2 – нагревательный элемент; 3 – адиабатическая поверхность; 4 – горячий спай; 5 – переключатель позиций; 6 – осциллограф самопишущий; 7 – холодный спай; – 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 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 Tk и среднее значение теплового потока qcp для условий стационарного теплового режима. По полученным значениям температурного перепада и теплового потока находилось контактное термосопротивление Rk = Tk qcp. (1) Шероховатость и волнистость контактирующих поверхностей контактной пары из стержней определялись на профилометре-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.

Для характеристики различных сочетаний основного металла контактной пары и заполнителя, вводимого в зону контакта, предложен обобщающий параметр в виде безразмерного термосопротивления K = Rnp Rk . (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 Tk = 338 К и 403 К в виде кривых зависимости Rk = f P приве( ) дены 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 межконтактной прослойки приводит к снижению термосопротивления соединений с заполнителями.

Из структуры безразмерного термосопротивления (2) следует, что на K влияет природа металла контактной пары. Из сравнения данных рис. 2 и рис. видно, что характер кривых Rk = f P для контактной пары из латуни и сплава ( ) Д16Т остается прежним, но значительно меняется абсолютная величина Rk. Для контактной пары из более теплопроводного сплава Д16Т термосопротивление ниже, чем для пары из латуни.

а б Рис. 2. Зависимость термосопротивления контактной пары из латуни с плоскошероховатыми поверхностями от нагрузки с листовыми прокладками в зоне контакта из: 1 – асбест, = 0,43 мм; 2 – слюда, = 0,мм; 3 – фторопласт, = 0,42 мм; 4 – стеклоткань, = 0,29 мм (а). Температура в зоне контакта Tk = 338K.

Штриховая линия – непосредственный контакт. Профилограммы соприкасающихся поверхностей (б) Рис. 3. Зависимость термосопротивления контактной пары Рис. 4. Зависимость безразмерного термосопротивиз латуни с плоскошероховатыми поверхностями от нагрузления от нагрузки при Tk = 403K для контактной ки с листовыми прокладками в зоне контакта из: аналогично пары из латуни с листовыми прокладками: аналоданным рис. 2. Температура в зоне контакта Tk = 403K.

гично данным рис. Штриховая линия – непосредственный контакт а б Рис. 5. Зависимость термосопротивления контактной пары из сплава Д16Т с плоскошероховатыми поверхностями от нагрузки с листовыми прокладками в зоне контакта из: аналогично данным рис. 3(а).

Температура в зоне контакта Tk = 338K. Штриховая линия – непосредственный контакт. Профилограммы 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 термосопротивлениях для разных заполнителей. Очевидно, что при высоких механических нагрузках различия в эффективности заполнителей различной природы будут уменьшаться.

Рис. 6. Зависимость безразмерного термосопротивления от нагрузки при Tk = 403K для контактной пары из сплава Д16Т с листовыми прокладками: аналогично данным рис. Рис. 7. Зависимость термосопротивления контактной пары из сплава Д16Т с плоскошероховатыми поверхностями (профилограммы на рис. 5) от нагрузки при Tk = 403K для многослойных заполнителей в зоне контакта: 1 – асбест (2 слоя), = 0,86 мм; 2 – асбест (3 слоя), = 1,29 мм; 3 – слюда (2 слоя), = 0,8 мм; 4 – слюда (3 слоя), = 1,2 мм; 5 – стеклянная вата, = 0,45 мм; 6 – стеклянная вата, = 1,8 мм. Штриховая линия – непосредственный контакт Еще более эффективным теплоизолятором, 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.

Рис. 8. Зависимость термосопротивления для контактной пары из латуни от нагрузки с порошками в зоне контакта с приведенным диаметром частиц мм (1–3) и числом 1050 частиц на 1 см2: 1 – оксид d 0,меди; 2 – оксид алюминия; 3 – оксид магния. Температура в зоне контакта. 1’, 2’, 3’ – диаметр Tk = 338K частиц мм. Штриховая линия – непосредственный контакт d 0, Исследованиями также установлено, что уменьшение количества частиц заполнителя (с 1050 до 300 на 1 см2) приводит к повышению термосопротивления, что можно объяснить увеличением воздушной прослойки в зоне раздела.

Рис. 9. Зависимость безразмерного термосопротивления от нагрузки при Tk = 338K для контактной пары из латуни с порошками с мм d 0,(1–3) и с d 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 Rk = f P для сеток из проволоки различной толщины и размеров ячеек при ( ) температуре в зоне контакта Tk = 403 К.

Рис. 10. Зависимость термосопротивления для контактной пары из сплава Д16Т от нагрузки 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); 7 – сетка латунная ( = 0,6 мм, 0,5 мм 0,мм); 8 – сетка латунная ( = 0,19 мм, 0,05 мм 0,05 мм); 9 – стеклоткань ( = 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 малотеплопроводной нержавеющей стали, из проволоки наибольшей толщины (кривая 4), что объясняется увеличением толщины воздушной прослойки и уменьшением площади фактического контакта.

Рис. 11. Зависимость безразмерного термосопротивления от нагрузки для контактной пары из сплава Д16Т для заполнителей в зоне контакта:

аналогично данным рис. Железная сетка с оксидной пленкой имеет Rk 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 теплоизолятором, как листовой асбест.

Анализируя данные рис. 4, 6 и 11, можно констатировать, что повышение безразмерного термосопротивления K 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.

Рис. 12. Зависимость термосопротивления клеевых прослоек на основе клеев ВК-3 (1, 2) и ВС-10Т (3. 4) от давления отверждения при различном удельном расходе клея: 1 – Q / = 0,125 мм; 2 – 0,24 мм; 3 – 0,117 мм; 4 – 0,195 мм; 1, 2 – шероховатые поверхности; 1’, 2’ – гладкие поверхности.

Штриховая линия – расчет по формуле (3) Штриховые линии рассчитывались по полуэмпирической зависимости, выведенной для контактной пары с клеевой прослойкой для различных клеев.

Pн Q - 2 1- Р Р + hз 2 Р - 2 hз 2 1- Р Р + h в ( ) в ( ) з н отв н отв + отв R = +, (3) 1/ к к 4 Р Q3 отв к1+ 3н e m2 2 где н – начальная вязкость клея; – коэффициент, характеризующий свойства клея; к – коэффициент теплопроводности клея; Q – оптимальный расход клея; – плотность клея; h – эквивалентная глубина зазоров между поверхз ностями; Pн, Pотв – соответственно начальное давление газов во впадинах неровностей и давление отверждения; m – ширина склеиваемых поверхностей.

Из расположения кривых зависимости Rk = f P видно, что термосопро( ) тивление контактной пары с клеевой прослойкой снижается с повышением давления отверждения и особенно выраженно для соединений на маловязком клее ВС– 10Т. Для гладких поверхностей зависимость Rk = f Pотв 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.

а б Рис. 13. Зависимость КТС от нагрузки для контактной пары из стали 12Х18Н10Т с шлифованными поверхностями контакта (1). Одна поверхность покрыта медью (2), кадмием (3) и свинцом (4) толщиной 50 мкм (а). Температура в зоне контакта Tk = 375 К. Профилограммы поверхностей (б) Из расположения кривых видно, что наибольший эффект по снижению Rk 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.

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 макроотклонения, можно считать введение в зону контакта прокладок (фольги) из высокотеплопроводных и пластичных металлов (рис. 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 = 0,1 мм (2) и кадмия толщиной 0,08 мм (3) (а). Профилограммы поверхностей (б) Для снижения термосопротивления 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 неферромагнитных наполнителей) поле. На рис. 16 приведена зависимость термосопротивления магнитообработанных клеевых прослоек от концентрации никелевого порошка ПНК. Воздействие, в частности, магнитным полем значительно снижает сопротивление клеевой прослойки.

Рис. 16. Зависимость термосопротивления магнитообработанных клеевых прослоек на основе клея ЭДП+ПЭПА+ПНК в зависимости от концентрации ПНК при напряженности магнитного поля Н = 5·1А/м (2), 15·104 А/м (3), 22·104 А/м (4). 1 – без обработки 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 Rk 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 , имитирующий повышение термосопротивления для смещенного контакта. Приняв за основу классические зависимости контактного термосопротивления единичного контакта и увязав их с последними положениями из 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 м 3 c = 0,64 + ; (4) 1/ Rk hмакс 3 b 1 1-1,7 3 2 + 0,73 / 2 hмакс1 + hмакс2 1- ( ) ( ) ( ) для поверхностей с волнистостью 0,0, Р L 3 м Е HВср1 + HВср2 1 c = + (5) Rkв L 2 ( ) HВмакс1 + HВмакс2 1 - в + hмакс1 + hмакс2 1 - микр ( ) ( ) ( ) ( ) ( – коэффициент смещения макроконтакта при касании волнистых поверхностей, определяется аналогично );

для поверхностей с неплоскостностью 0,64 0,Р bм 5 м 1 Е d с = +, (6) Rkмакр bм d 1- макр + hмакс1 + hмакс2 1- микр ( ) ( ) ( ) полученным с учетом положений из теории механического контактирования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Обоснована возможность направленного терморегулирования в теплонапряженных системах с составными элементами путем введения в зону раздела контактирующих поверхностей заполнителей различной природы и геометрии.

2. Для сравнения эффективности введенного в зону контакта металлических поверхностей заполнителя предлагается параметр в виде безразмерного термосопротивления K, позволяющего осуществлять подборку основного металла и заполнителя для малонагруженных соединений. Терморегулирующие материалы, для которых безразмерное термосопротивление составляет 0,005…0,015, обладают хорошими теплоизоляционными свойствами (листовые прокладки, металлические сетки, порошки оксидов металлов). Материалы, для которых безразмерное термосопротивление находится в пределах от 0,05 до 1, позволяют создавать соединения с хорошей тепловой проводимостью.

3. Экспериментально изучен механизм повышения и снижения термосопротивления при введении в зону контакта малонагруженных металлических поверхностей заполнителей различной природы.

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

Полученные формулы используются для расчета безразмерного термосопротивления.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И РАЗМЕРНОСТИ Tk – температура в зоне контакта, К; – тепловой поток, Вт; q – плотность теплового потока, Q Вт/м2; Rk – контактное термическое сопротивление при непосредственном контакте, м2 К / Вт ; Rпр – контактное термическое сопротивление, создаваемое заполнителем, м2 К / Вт ; Tk – температурный перепад в зоне контакта, С; k – тепловая проводимость контакта, Вт / м2 К ; м – тепловая проводимость фактического контакта, Вт / м2 К ; с – тепловая проводимость среды в зоне контакта, Вт / м2 К ; Rм – термическое сопротивление фактического контакта, м2 К / Вт ; Rс – термическое сопротивление межконтактной среды, м2 К / Вт ; м – коэффициент теплопроводности материала контактной пары, м К / Вт ; = (2м1 м2) / м1 + м2 – приведенная теплопроводность материалов м ( ) контактной пары, м К / Вт ; P = N / Sн – удельная нормальная нагрузка на поверхность контакта (контактное давление), МПа; Sн – номинальная площадь контакта, м2; Sф – фактическая площадь контакта, м2; Sк – контурная площадь контакта, м2; 1 = Sф / Sк ; 2 = Sк / Sн ; 3 = Sф / Sн – относительные площади контакта; – относительное сближение поверхностей под действием нагрузки; в – предел прочности, МПа; Е – модуль нормальной упругости, МПа; hср – средняя высота микровыступов шероховатости, м, мкм; hмакс – максимальная высота микровыступов шероховатости, м, мкм; Н – высота в выступа волны, м, мкм; L – шаг волны, м, мкм; – толщина заполнителя, м, мкм; – толщина прослойки среды между поверхностями, м, мкм; r0 – радиус микроконтактного элемента, мкм; bн – радиус макроконтактного элемента, м, мкм; – коэффициент стягивания линий теплового тока в местах фактического контакта; x, y, z – 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, О.Л. Ерин, А.П. 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, А.П. Новиков, О.Л. Ерин // Электронный журнал «Современные проблемы науки и образования». – 2012. – № 1. – Режим доступа: www.science-education.ru/101-55Статьи и материалы конференций 4. Ерин О.Л. Контактный теплообмен в авиационных и космических системах / О.Л. Ерин, В.М. Попов, А.В. 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, А.В. Латынин, О.Л. 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, А.А. Карпов, П.А. Емельяненко, О.Л. Ерин, А.В. Латынин // Лес. Наука. Молодежь - 2009: материалы по итогам научноисследовательской 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, А.В. Латынин, О.Л. 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 А.В. Теплопередача в зоне контакта разъемных соединений теплонапряженых систем / А.В. Латынин, О.Л. 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 О.Л. Разработка методических основ определения контактных термосопротивлений в малонагруженных соединениях энергетических установок // Тинчуринские чтения: материалы докладов 5 Междунар. молодежной науч. конф. Казань, 2010. Т. 2. С. 229–230.

10. Латынин А.В. Терморегулирование в теплонапряженных конструкциях энергетических установок / А.В. Латынин, О.Л. Ерин // Тинчуринские чтения: материалы докладов 5 Междунар. молодежной науч. конф. Казань, 2010. Т. 2. С. 230–231.

11. Ерин О.Л. Контактный теплообмен в теплонапряженных системах энергетических установок // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж, 2010. Вып. 15. С. 66–68.

12. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта металлических поверхностей / В.М. Попов, А.В. Латынин, О.Л. Ерин // В мире научных открытий. 2010. № 4 (10).

Ч. 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 науки. С. 196–198.

15. Контактный теплообмен в малонагруженных соединениях металлических деталей и узлов / О.Л. 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 А.П. Теплопроводность магнитообработанных полимерных материалов / А.П. 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 16.04.20Формат 6084/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп.,




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.