CC BY
102
УДК 537.311.4
КОНТАКТНЫЙ теплообмен в соединениях с малотеплопроводными ЗАПОЛНИТЕЛЯМИ В.М. Попов, О.Л. Ерин, А.А. Тиньков, А.Н. Швырёв
Опытным путем исследовано формирование контактных термосопротивлений между металлическими поверхностями при введении в зону раздела малотеплопроводных листовых материалов. Показана возможность прогнозирования эффективности теплоизоляционных свойств заполнителей для различных металлов-соединений
Ключевые слова: контактное термосопротивление, заполнитель, давление, температура, теплопроводность
В последние несколько десятилетий интенсивно развивалось отдельное направление из области тепломас-сопереноса, известное как контактный теплообмен [1..3].
Несмотря на большой объем экспериментальных и теоретических исследований в этой области, остается целый ряд вопросов, требующих отдельных исследований. Так, до настоящего времени отсутствуют научно обоснованные рекомендации по направленному повышению контактных термосопротивлений (КТС) при теплообмене через зоны раздела в контактных соединениях при введении в них малотеплопроводных заполнителей. Такого рода задачи возникают при проектировании и эксплуатации авиационных и космических аппаратов, стационарных и передвижных емкостей с низкокипящими жидкостями, смонтированных на платформах источников тепла и др. Для решения этой проблемы требуется проведение комплексных экспериментальных исследований с выводом обобщающего параметра, позволяющего предсказывать эффективность вводимого в зону контакта заполнителя для различных по природе контактирующих металлических поверхностей. При этом наибольший практический интерес представляет теплообмен в контактных парах, испытывающих низкие механические нагрузки.
Для определения КТС в зоне раздела между металлическими поверхностями при их непосредственном соприкосновении или при введении в нее малотеплопроводных заполнителей использовалась установка стержневого типа, принципиальная схема которой представлена на рис. 1.
Для определения КТС применялся метод стационарного теплового потока, в основу которого заложен закон Фурье и дифференциальное уравнение теплопроводности. Рассматривается тепловой поток, проходящий через два соприкасающихся по торцам цилиндрических стержня при условии, когда боковые поверхности отвечают условиям адиабатности.
Контактное термосопротивление находится из формулы
АТ
(1)
к
cp
Попов Виктор Михайлович - ВГЛТА, д-р техн. наук, профессор, e-mail: [email protected]
Ерин Олег Леонидович - ВГЛТА, ассистент, e-mail: [email protected]
Тиньков Артем Александрович - ВГЛТА, канд. техн. наук, ст. преподаватель, e-mail: [email protected] Швырёв Андрей Николаевич - ВГЛТА, канд. техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]
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; 8 - сосуд Дьюара; 9 - потенциометры; 10 - холодильник; 11 - штатив; 12 - набор грузов; 13 - реостат; 14 - межконтактный заполнитель
Входящий в (1) средний тепловой поток определяется из одномерного уравнения Фурье по известной теплопроводности материалов стержней и градиентам температур. Температурный перепад в зоне контакта АТк вычисляется по данным термодатчиков по длине стержней с использованием метода линейной экстраполяции.
Исследовались смешанные контактные пары из сплава Д16Т и стали 20. В зоне раздела поддерживались температуры в пределах от 338 К до 473 К, удельная нагрузка на поверхности контакта изменялась от 0,2 до 2,5 МПа.
Стационарный тепловой режим устанавливался через 4.. .5 часов после включения нагревателя и холодильника, при смене нагрузки через 1,5.2 часа. При этом установившимся принимали режим, когда три последовательных замера показаний термопар, следующие с десятиминутным интервалом, различаются не более чем на 0,1 °С.
Шероховатость поверхностей контакта замерялась по профилограммам, снятым контактным методом на профилометре-профилографе «Калибр-ВЭИ».
Исследовалось влияние нагрузки и температуры на КТС для контактных пар при непосредственном контакте поверхностей и при введении в зону раздела заполнителей в виде прокладок из асбеста, слюды и металлических сеток. Проведены две серии испытаний: для однослойных (рис. 2 и 3) и многослойных (рис. 4 и 5) заполнителей.
Рис. 2. Зависимость термосопротивления контактной пары из алюминиевого сплава Д16Т - стали 20 с плоскошероховатыми поверхностями от нагрузки с прокладками в зоне контакта из: 1 - асбест (3 = 0,43 мм); 2 - железная сетка, обработанная растворителем (3 = 0,75 мм, размер ячейки 1 мм х 1 мм); 3 - та же железная сетка с оксидной пленкой; 4 - сетка из нержавеющей стали ( 3 = 0,88 мм, 1 мм х 1 мм); 5 - сетка из нержавеющей стали (3 = 0,39 мм, 0,5 мм х 0,5 мм); 6 - сетка из нержавеющей стали (3= 0,13 мм, 0,05 мм х 0,05 мм); 7 - сетка латунная (3= 0,6 мм, 0,5 мм х 0,5 мм); 8 - сетка латунная (3= 0,19 мм, 0,05 мм х 0,05 мм); штриховая линия -непосредственный контакт. Температура в зоне контакта Т = 338 К (а). Профилограммы соприкасающихся поверхностей (б)
Рис. 3. Зависимость термосопротивления контактной пары из алюминиевого сплава Д16Т - стали 20 с плоскошероховатыми поверхностями от нагрузки с прокладками в зоне контакта из: аналогично данным рис. 2. Температура в зоне контакта Т = 473 К
Приведенные на рисунках данные опытов позволяют сделать следующие выводы. Практически для всех заполнителей повышение механической нагрузки на контактную пару сопровождается снижением КТС, при этом
зависимость Ъ = / ( р ) значительно более выражена
для контактных пар с заполнителями по сравнению с контактными парами, при непосредственном контакте поверхностей. Введение в зону раздела заполнителей значительно повышает величину КТС по сравнению с парой, имеющей непосредственный контакт. Для однослойных заполнителей наибольший эффект по повышению КТС дает введение в зону контакта сеток из нержавеющей стали, причем увеличение толщины проволоки сетки и размера ячеек приводит к дальнейшему росту КТС. Как и следовало ожидать, введение железных и латунных сеток снижает КТС. Следует особо отметить, что железная сетка с оксидной пленкой на поверхности повышает КТС по сравнению с железной сеткой, обработанной растворителем. Этот эффект можно объяснить влиянием малотеплопроводной оксидной пленки.
Повышение температуры в зоне контакта приводит к снижению КТС для всех исследуемых заполнителей, что можно объяснить увеличением теплопроводности воздушных включений и материалов заполнителей.
Рис. 4. Зависимость термосопротивления контактной пары из алюминиевого сплава Д16Т - стали 20 с плоскошероховатыми поверхностями от нагрузки с прокладками в зоне контакта из: 1 - асбест (2 слоя) (3 = 0,86 мм); 2 - асбест (3 слоя) (3= 1,29 мм); 3 - слюда (2 слоя) (3 = 0,8 мм); 4 - слюда (3 слоя) (3= 1,2 мм); 5 - асбест (3 = 0,43 мм) + сетка из нержавеющей стали (3= 0,88 мм, 1 мм х 1 мм) + асбест (3= 0,43 мм); 6 - асбест (3= 0,43 мм) + сетка из нержавеющей стали (3= 0,39 мм, 0,5 мм х 0,5 мм) + асбест (3 = 0,43 мм); 7 - асбест (3 = 0,43 мм) + сетка из нержавеющей стали (3= 0,13 мм, 0,05 мм х 0,05 мм) + асбест (3= 0,43 мм). Температура в зоне контакта Т = 403 К
Рис. 5. Зависимость термосопротивления контактной пары из алюминиевого сплава Д16Т - стали 20 с плоскошероховатыми поверхностями от нагрузки с прокладками в зоне контакта из: аналогично данным рис. 4. Температура в зоне контакта Т = 473 К
а
б
Приведенные на рис. 4 и 5 данные опытов для контактных пар с многослойными заполнителями свидетельствуют об улучшении теплоизоляционных свойств в зоне перехода. Особенно заметного повышения КТС можно достичь применением заполнителя в виде листового асбеста и сетки из нержавеющей стали [4, 5]. Применение сетчатых экранов связано с необходимостью создания механически прочных и малотеплопроводных соединений.
Для оценки преимуществ по теплоизоляции требуется введение некоторого параметра, характеризующего относительную эффективность вводимого в зону раздела заполнителя. При этом этот параметр должен характеризовать влияние различных сочетаний основного металла и заполнителя. Для этих целей предлагается безразмерный параметр в виде отношения термосопротивления
зоны контакта Ипр с несжатой прослойкой заполнителя
3 к термосопротивлению при непосредственном контакте И и эквивалентной толщины межконтактной среды А . Считаем этот параметр как безразмерное термосопротивление, т. е.
малотеплопроводными заполнителями позволяют осуществлять операции по направленному снижению теплопе-реноса в теплонапряженных системах с составными элементами.
K = (R„p/d)/( RJ Д).
(2)
Входящие в (2) термосопротивления и И^р могут быть определены опытным путем или путем расчета. Так термосопротивление при непосредственном контакте
поверхностей И можно рассчитать по методикам [2, 6],
исходя из значений усилий прижима поверхностей контакта и их геометрии. Эквивалентная толщина межкон-тактной среды (воздуха) находится из снятых с соприкасающихся поверхностей профилограмм [7].
По данным рис. 2 согласно формуле (2) на рис. 6 получены кривые зависимости К = / ( Р ) .
Приведенные на рис. 6 кривые по зависимости безразмерного термосопротивления от давления свидетельствуют о том, что с ростом К повышается термосопротивление зоны перехода, т.е. возрастают теплоизоляционные свойства контактной зоны. При этом можно видеть, что с повышением давления в зоне контакта снижаются различия в безразмерных термосопротивлениях для разных по природе заполнителей. Отсюда очевидно, что при высоких механических нагрузках различия в эффективности заполнителей различной природы уменьшаются [6].
В заключение следует отметить, что приведенные выше результаты экспериментальных исследований процессов контактного теплообмена через зоны раздела с
Рис. 6. Зависимость безразмерного термосопротивления от нагрузки для контактной пары из алюминиевого сплава Д16Т - стали 20 с плоскошероховатыми поверхностями от нагрузки с прокладками в зоне контакта из: аналогично данным рис. 2
Литература
1. Меснянкин С.Ю. Современный взгляд на проблемы теплового контактирования твердых тел // С.Ю. Меснянкин, А.Г. Викулов, Д.Г. Викулов. Успехи физических наук. 2009. Т. 179. № 9. С. 945-970.
2. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А., Царевский С.Н. Контактное термическое сопротивление. М.: Энергия, 1977. 328с.
3. Мадхусудана К.В. Контактная теплопередача. Исследования последнего десятилетия // К.В. Мадхусу-дана, Л. С. Флетчер. Аэрокосмическая техника. 1987. № 3. С. 103-120.
4. 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.
5. 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. 36-39.
6. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М.: Энергия, 1971. 216 с.
7. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970. 226 с.
8. Валюхов С.Г. Определение нейросетевой факторной модели по результатам исследований нанокомпозиционного покрытия / С.Г. Валюхов, А.В. Кретинин, О.В. Стогней // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т.8. № 12.1. С. 85-89.
Воронежская государственная лесотехническая академия CONTACT HEAT EXCHANGE IN THE JOINTS WITH LOW HEAT-CONDUCTING FILLERS
V.M. Popov, O.L. Yerin, A.A. Tinkov, A.N. Shvyrev
Formation of contact thermal resistances between metallic surfaces in introduction of metallic-conducting sheet material is examined experimentally. Forecasting opportunity of effectiveness of ablative insulating qualities of fillers for different kinds of joints is shown
Key words: contact thermal resistance, filler, pressure, temperature, heat conductivity
