Введение к работе
Актуальность проблемы. Обилие материалов, используемых в технике и физике низких температур, разнообразие решаемых задач и их специфичность привели к необходимости существенного расширения фронта исследований теплофизических характеристик (ТФХ) при низких и криогенных температурах.
Сведения о ТФХ веществ и материалов необходимы для развития тех областей науки и техники, которые связаны с получением и применением искусственного холода, в том числе переработкой и хранением пищевых продуктов, получением чистых газов, освоением космоса и различных по климатическим условиям регионов, созданием систем кондиционирования и жизнеобеспечения, термо- и баростатирования, средств транспортировки и хранения сжиженных газов и т.п..Низкие температуры широко применяются в таких энерго- и материалоемких областях, как химическое и нефтяное машиностроение, металлургия, криоэнергетика, криоэлектроника, управляемый термоядерный синтез, авиационный и космический транспорт с жидко-и углеводордным топливом,развитие которых также определяется полнотой информации о ТФХ используемых материалов. Открытие в 1986г. высокотемпературной сверхпроводимости еще более расширило сферу применения низких температур и активизировало связанное с этим изучение различных физико-механических свойств, в том числе и теплофизических характеристик.
Однако объем имеющейся и получаемой информации по ТФХ не отвечает возникшим потребностям. Такое положение в первую очередь определяется спецификой теплофизических исследований при низких температурах, сложностью и низкой производительностью применяемых методов и средств измерений. Поэтому к числу актуальных проблем, подлежащих решению в области холодильной и криогенной техники, бесспорно относится расширение низкотемпературных исследований по изучению ТФХ веществ и создание высокопроизводительных методов и средств для их измерения. К указанной проблеме по своей физической сути тесно примыкает проблема определения характеристик датчиков теплового потока ( тепломеров), потребность в которых оценивается десятками тысяч штук и которые требуют индивидуальной градуировки в процессе производства.
Цель работы заключается в развитии теории нестационарных динамических измерений ТФХ материалов и тепломеров, разработке методов и высокопроизводительных рабочих автоматизированных средств для их измерения в области криогенных, низких и умеренных температур.
Работа обобщает многолетние исследования и разработки, проведенные автором и под его руководством в Санкт-Петербургской Государственной Академии холода и пищевых технологий (ранее ЛТИХП). Исследования
- і -
проведены в рамках реализации координационных планов и программ АН СССР по направлению 'Теплофизика и теплоэнергетика" за 1975-1990 г.. ГК СМ СССР по науке и' технике по проблеме "Массо- и теплоперенос в технологических процессах" за 1975-1985 г.. выполнения задания ГК СМ СССР по науке и технике "Создать и освоить промышленное производство теплофизической аппаратуры" за 1975-1980 г. и плана НИР ГК по науке и технике по созданию и освоению в отраслях народного хозяйства технологий и оборудования для процессов массо- и теплопереноса по разделу 03.08.11 "Разработать метода и создать экспериментальные стенды" на 1987-1990 г.,а также Комплексной программой метрологического обеспечения теплофизических измерений на 1983-1987 г.
Научная новизна. 1. Установлены границы применения линейной теории теплопроводности при обосновании методов изучения теплофизических характеристик; на основе анализа нелинейного уравнения теплопроводности получены критерии, определяющие возможность использования решений линейных задач.
2. Проведена классификация методов измерения теплофизических ха
рактеристик по виду теплового воздействия на испытуемый образец, выде
лена новая перспективная группа методов, основанная на комбинации нес
кольких воздействий. Впервые создана общая теория измерений ТФХ при
комбинированных тепловых воздействиях на испытуемый образец, позволяю
щая обобщить на случай переменной фоновой температуры методы начальной
иррегулярной стадии опыта, гармонических воздействий и квазистационар
ного режима.
На основе решения линейных задач теплопроводности установлены закономерности нестационарных температурных полей простых тел (пластина, цилиндр, цилиндр конечной длины) при монотонном изменении соответствующих внешних воздействий с граничными условиями первого и второго рода. Установлены границы применения закономерностей квазистационарного режима при теплофизических исследованиях, а также при анализе температурных полей тел.
3. Разработан комплекс новых, защищенных авторскими свидетельст
вами высокопроизводительных методов (более 10). ориентированных в ос
новном на область низких температур и позволяющих проводить измерения
ТФХ материалов и тепломеров в режимах, близких к режимам их эксплуата
ции.
Автоматизированные приборы и установки, созданные на основе этих методов и новых принципов построения аппаратуры для измерения ТФХ при низких температурах, охватывают основные группы технически важных материалов и тепломеров, существенно упрощают процесс измерений и повы-
-5--шаюг производительность исследований (иногда в десятки раз).
4. Получены новые экспериментальные данные о теплофизических характеристиках ряда материалов, в том числе высокотемпературных сверхпроводников, медноникелевых сплавов и сталей стабильной структуры, полимеров, эффективных теплоизоляционных материалов.
На защиту выносятся:
общая теория измерения ТФХ при комбинированных тепловых воздействиях на испытуемый образец;
разработанные метода измерения ТФХ веществ и материалов, а также характеристик тепломеров в широком диапазоне температур;
принципы построения аппаратуры широкого применения для определения ТФХ в области криогенных, низких и умеренных температур;
комплекс автоматизированных средств для измерения ТФХ в диапазоне 4.2 - 1200 К;
результаты исследований эксплуатационных и метрологических возможностей созданной аппаратуры;
экспериментальные данные о ТФХ ряда новых материалов (высокотемпературных сверхпроводников, сплавов, полимеров, теплоизоляторов).
Практическая ценность исследований, обобщенных в диссертации, состоит в создании и внедрении в практику комплекса автоматизированных высокопроизводительных рабочих средств широкого применения для измерения ТФХ материалов и тепломеров, в том числе:
установка для измерения теплопроводности веществ в области температур 80-400 К в управляемом режиме охлаждения-нагрева;
установка для измерения теплопроводности при криогенных температурах 4,2-50 К;
установка для измерения теплоемкости в управляемом режиме охлаждения - нагрева в области температур б - 350 К;.
установка для измерения теплопроводности эффективных теплоизоляционных материалов в области температур 80 - 400 К;
комплекс приборов для измерения ТФХ электропроводных материалов;
комплекс приборов для градуировки тепломеров при нормальных условиях и в диапазоне температур от 170 до. 370 К;
промышленные измерители ТФХ второго поколения ИТ-.Л-400М, ИТ-С-400М для области температур 120 - 700 К;
прибор для изучения теплопроводности эффективных теплоизоляционных материалов при нормальных условиях на образцах стандартных размеров;
прибор для комплексных измерений ТФХ материалов при нормальных условиях, в том числе печатных плат без их разрушения;
.-6-
прибор для измерения теплопроводности и теплоемкости в диапазоне температур 230 - 320 К;
прибор для измерения теплоемкости в области 300 - 1200 К.
Опытные образцы перечисленных приборов и установок были использованы на ряде предприятий и организаций, в частности , в ЦНИИ конструкционных материалов "Прометей". Всесоюзном институте авиационных материалов (ВИАМ, г. Москва), СКВ "Биофизприбор"-(г. Санкт-Петербург), НПО измерительной техники (г. Калининград. Московская область), заводе Тидрометприбор" (г. Тбилиси, Грузия), опытном заводе "Селен" АН Азербайджана (г. Баку), Институте химии древесины АН Латвии (г. Рига), Фи-зикогтехническом институте АН Украины (г. Харьков).
По некоторым разделам диссертации работа проводились в тесном контакте с ГСКБ теплофизического приборостроения (ГСКБ ТФП, г. Санкт-Петербург). Теоретические исследования автора использованы в ряде разработок ГСКБ ТФП ("Контакт", "Крион". "Поток". "ИТП". УТТидр.). На завод "Эталон" (г. Актюбинск, Казахстан) передана техническая документация для серийного производства промышленных теплофизических приборов второго поколения ИТ-400М.
По заказу ряда предприятий ( НПО "Позитрон", ЦНИИКМ "Прометей", Тиредмет" (г. Москва). Л0М0 (г. Санкт-Петербург). АО "Ижорские заводы" и "Государственный Обуховский завод"(г. Санкт-Петербург), ВИАМ (г. Москва) и др.) проведены измерения теплофизических характеристик некоторых материалов.
Апробация диссертации. Основные результаты работы докладывались на заседаниях секции "Тепловые и температурные измерения, теплофизические свойства веществ" Научного Совета "Массо- и теплоперенос в технологических процессах" ГК СМ СССР по наук^ и технике (апрель 1990 г.), Комиссии по тепловым и температурным измерениям НТС Госстандарта (Тбилиси. 1986-г., Новосибирск 1987 г.. Хабаровск 1988 г.), а также на: Всесоюзной конференции по тепломассообмену, Минск 1980 г., конференциях и совещаниях "Современное состояние тепло-физического приборостроения (1981, 1982 г. Киев, 1987. 1989 г. Севастополь, 1990 г. Москва), Всесоюзных совещаниях по низкотемпературньш теплофизическим измерениям (1976. 1979. 1985. 1988 г. Хабаровск). Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства теплофизических измерений" (1987 г. Севастополь), Всесоюзных конференциях по теплофизическим свойствам веществ (Минск 1978 г.. Новосибирск 1988 г.). Всесоюзном совещании "Механические свойства и разрушение сталей при низких температурах" (Ленинград 1988 г.). Всесоюзной научно-технической конференции по криогенной технике ("Криогеника-87",Москва 1987
г.), 25 Всесоюзном совещании по Физике низких температур (Ленинград 1988 г.). Всесоюзной научно-практической конференции "Интенсификация производства и применение искусственного холода" (Ленинград І986 г.), в лекциях и докладах на Всесоюзных теплофизических школах (Тамбов І986, 1988, 1990 г.).
По теме диссертации опубликовано более 70 статей, докладов, авторских свидетельств, в том числе две монографии в соавторстве.
Вклад автора. Научная постановка задач экспериментал.* -ных и теоретических исследований, решение основных теоретических, методических и практических вопросов, в том числе анализ температурных полей ,выбор и расчет режимов испытаний, формулировка принципов проектирования приборов и установок, проектирование измерительных ячеек, разработка алгоритмов программ проведения экспериментов и обработки опытных данных выполнены лично автором диссертации.
Структура диссертации. Работа содержит 264 машинописных стр., 78 рисунков и 6 таблиц (введение, четыре главы и заключение), 455 наименований библиографического указателя. 96 стр. приложения и 18 документов об использовании результатов работы.