ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЕ В ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С СОСТАВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Научная статья
Выпуск: № 7 (7), 2012
PDF

Ерин О.Л.

аспирант, кафедра электротехники, теплотехники и гидравлики, Воронежская государственная лесотехническая академия – ВГЛТА

Попов В.М.

доктор технических наук, профессор той же кафедры

Тиньков А.А.

кандидат технических наук, доцент той же кафедры

ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЕ В ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С СОСТАВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

  Аннотация В статье рассматриваются вопросы по терморегулированию в теплонапряженных системах с контактирующими между собой металлическими поверхностями составных элементов, через которые транспортируются тепловые потоки высокой плотности. Экспериментально показана возможность направленного изменения контактных термосопротивлений в зонах раздела за счет введения заполнителей различной природы. Ключевые слова: контактное термосопротивление, заполнитель, поверхность, теплообмен, давление. Keywords: contact thermistor, filler, surface, heat exchange, pressure.   В процессе разработки современного энергетического оборудования, авиационных и космических летательных аппаратов, систем с резервуарами для низкотемпературных жидкостей часто требуется повысить контактное термосопротивление на пути теплового потока через соприкасающиеся металлические поверхности составных элементов [1,2]. Наиболее распространенным следует считать способ повышения контактного термосопротивления в составных системах путем введения в зоны раздела листовых прокладок из малотеплопроводных материалов. Вместе с тем до настоящего времени в отечественных и зарубежных источниках отсутствуют данные об исследованиях по влиянию на процесс терморегулирования природы материалов заполнителей и контактирующих элементов, температуры и усилий прижима. Для определения контактного термосопротивления (КТС) в зоне раздела между двумя металлическими поверхностями при непосредственном их соприкосновении или при введении в нее различных заполнителей применялась установка стержневого типа. В основу метода определения контактного термосопротивления  заложено рассмотрение стационарного температурного поля. Рассматривается стационарный тепловой поток, проходящий через два контактирующих по торцам цилиндрических стержня при условии, что боковые поверхности теплоизолированы. КТС находится из выражения 1                                                         (1) Средний тепловой поток 2 определяется из одномерного уравнения Фурье по известной теплопроводности материалов контактирующих стержней и градиентам температур. Входящий в (1) температурный перепад в зоне раздела 3 находится по данным опыта методом линейной экстраполяции показаний термопар по длине стержней. Для изучения процесса формирования КТС через зону раздела с листовыми прокладками проведена серия экспериментов для однослойных прокладок из асбеста, слюды, фторопласта и стеклоткани. Полученные данные опытов по зависимости 4 от усилия прижима P для контактной пары из латуни Л80 со снятыми профилограммами приведены на рис. 1. Анализируя полученные данные, можно сделать следующие выводы. Для всех исследуемых заполнителей с повышением давления КТС снижается хотя и с различной скоростью. Так, для соединений с прокладкой из слюды зависимость 5 менее выражена, что можно объяснить более твердой структурой слюды.

12

Рис.1. Зависимость термосопротивления контактной пары из латуни с плоскошероховатыми поверхностями от нагрузки с листовыми прокладками в зоне контакта из: 1 – асбест, δ = 0,43 мм; 2 – слюда, δ = 0,4 мм; 3 – фторопласт, δ = 0,42 мм; 4 – стеклоткань, δ = 0,29 мм. Температура в зоне контакта 6 (а). Штриховая линия – непосредственный контакт. Профилограммы соприкасающихся поверхностей (б).   Для характеристики различных сочетаний основного контактирующего металла и заполнителя в зоне раздела вводится безразмерный комплекс в виде отношения термосопротивления прокладки 7 с несжатой прослойкой заполнителя толщиной δ к термосопротивлению при непосредственном контакте 8 и эквивалентной толщины межконтактной среды Δ, т.е. 9                                                  (2) Входящие в (2) термосопротивления 7  и 8 можно определить опытным путем. В свою очередь КТС при непосредственном контакте для различных по геометрии поверхностей можно получить расчетным путем [3, 4]. Эквивалентная толщина межконтактной среды Δ находится по профилограммам, снятым с поверхностей контакта [5]. На рис. 2 приведены кривые зависимостей безразмерного термосопротивления  для четырех разновидностей прокладок от нагрузки.
 3 Рис. 2. Зависимость безразмерного термосопротивления от нагрузки при  для контактной пары из латуни с листовыми прокладками: аналогично данным рис. 1.
В данном случае безразмерные термосопротивления физически выражают сопротивления соединения с заполнителем, который обладает в конечном варианте бесконечным термосопротивлением, т.е. повышения значений Κ характерны для заполнителей из теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью. Особый интерес представляет вопрос о влиянии материала контактирующих элементов теплонапряженных систем на формирование КТС соединений с малотеплопроводными заполнителями. Для изучения этого вопроса проведены сравнительные исследования (рис. 3) для контактных пар из сплава Д16Т с прокладками, которые исследовались ранее в паре из латуни Л80.
 4  5
а б
Рис. 3. Зависимость термосопротивления контактной пары из сплава Д16Т с плоскошероховатыми поверхностями от нагрузки с листовыми прокладками в зоне контакта 10 из: аналогично данным рис. 1. Температура в зоне контакта  (а). Штриховая линия – непосредственный контакт.   Из рис. 2 просматривается картина, когда с повышением давления в зоне контакте нивелируются различия в безразмерных термосопротивлениях для разных заполнителей. Отсюда можно сделать вывод, что при высоких значениях нагрузки различия в эффективности заполнителей разной природы уменьшаются.

Литература

  1. Шлыков Ю.П. Контактное термическое термосопротивление / Ю.П. Шлыков, Е.А. Ганин, С.Н. Царевский. М.: Энергия, 1977. – 328 с.
  2. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений / В.М. Попов. М.: Энергия, 1971. – 216 с.
  3. Мадхусудана К.В. Контактная теплопередача. Исследования последнего десятилетия / К.В. Мадхусудана, Л.С. Флетчер // Аэрокосмическая техника. 1987. № 3. – С. 103–120.
  4. Меснянкин С.Ю. Современный взгляд на проблемы теплового контактирования твердых тел / С.Ю. Меснянкин, А.Г. Викулов, Д.Г. Викулов // Успехи физических наук. 2009. 2009. Т. 179. – № 9. С. 945–970.
  5. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей / Н.Б. Демкин. М.: Наука, 1970. – 226 с.