Введение к работе
Предметом исследования является теплообмен з системе «нагреватель-зонд, погруженный в изучаемое вещество» в условиях мощного (~ 1 МВт/м2) импульсного тепловыделения. В виду существенности масштаба изменения температуры в опыте (Т ~ 102 К), значение имеют как зависимость теплофизи-ческих свойств зонда и вещества от температуры, так и соотношение характерных времен опыта (t ~ 10~3 с) и релаксации вещества, перегретого относительно температуры равновесия жидкость-пар или температуры начала терморазрушения вещества в квазистатическом процессе Т^-
Работа направлена на разработку экспериментального метода и устройства стабилизации мощности импульсного нагрева зонда, а также метода численного моделирования параметров теплообмена по массиву данных опыта в области устойчивых и термонеустойчивых (Г> Id») [1] состояний вещества.
Объектами для испытания метода и устройства служили низкомолекулярные углеводороды, как общепринятые системы сравнения в теплофизических опытах, растворы органических жидкостей, технические образцы масел, а также высокомолекулярных соединений, полученных из жидкой фазы полимеризацией мономера.
Актуальность темы. Для надежной работы оборудования и конструкций, вовлеченных в процессы переноса тепла, разрабатываются специальные технологические среды - смазочно-охлаждающие и закалочные жидкости, теплоносители, связующие, материалы тепловой защиты и т.д. Существует проблема обоснованного выбора технологических сред и рабочих тел термически напряженных процессов, а также оценки пределов «выживаемости» этих сред под действием мощного тепловыделения [2]. Основой решения проблемы служит знание теплофизических свойств веществ в условиях значительного и быстрого (относительно характерных значений скорости нагрева, принятых в традиционных теплофизических измерениях [3-7]) изменения температуры. Применительно к жидким средам эти данные могут быть получены преимущественно опытным путем.
Количество и качество данных по искомым теплофизическим свойствам связано с уровнем развития быстродействующих методов измерений. Обычно свойства веществ измеряются в устойчивых состояниях, которые сохраняются сколь угодно долго при неизменных внешних условиях. Применительно к таким условиям разработаны надежные экспериментальные методы [3-7]. Наибольшее распространение получили методы импульсного нагрева проволочного зонда - термометра сопротивления [1, 5-7]. Значения теплофизических свойств вещества определяются из аналитического решения модели теплообмена зонда со средой. В опытах определяется изменение температуры зонда во времени T(t), где t ~ 10"3 * 10 с, Д7Д>) ~ 10 К, при заданной мощности нагрева. Модель построена в предположении постоянства мощности нагрева и независимости свойств от температуры.
Несмотря на широкое применение данной группы методов в традиционной теплофизике, средства управления мощностью импульсного нагрева в соответствии с выбранной моделью теплообмена не найдены. Обычно в опытах применяется генератор напряжения, а условие постоянства мощности нагрева выполняется за счёт подбора номиналов для компонентов мостовой схемы. Подобный подход в приемлемом приближении работает при сравнительно небольших значениях температурного напора. Естественным выглядит стремление исследователя ослабить ограничение на значение АДУ) и получить инструмент изучения теплообмена в широкой области изменения температуры в импульсе (ЛГ(г) ~ К)' -ь 103 К), сохранив при этом строгую определенность режима нагрева. В этой связи, востребована разработка метода и устройства генерирования постоянной мощности на фоне изменения с температурой теплофизических свойств как зонда, так и вещества. Параметры теплообмена в такой задаче должны рассчитываться численными методами.
Цель работы состояла в разработке метода исследования теплообмена в условиях мощного тепловыделения. Метод объединяет экспериментальный метод нагрева зонда импульсом постоянной мощности и метод численного моделирования параметров теплообмена на основе результатов опытов.
Научная новизна.
Разработан метод электронной стабилизации мощности нагрева зонда в среде посредством следящей системы с отрицательной обратной связью для исследования переноса тепла в быстрых (миллисекундных) процессах.
Метод осуществлен в автоматизированном устройстве с возможностями задания значений мощности и длительности нагрева, записи в память компьютера, математической обработки и графического представления отслеживаемых в опыте параметров.
Развиты основы метода численного моделирования параметров теплообмена в импульсных процессах с учетом температурной зависимости теплофизиче-ских свойств зонда и вещества. Суть вычислений состоит в минимизации рассогласования между моделирующим полиномом и опытной термограм-мой путем итеративного подбора параметров.
Получено новое знание о теплообмене при импульсном тепловыделении в веществе, в том числе, на фоне фазового перехода жидкость-пар и/или химических превращений, в условиях поддержания постоянного значения мощности нагрева во времени.
Практическая ценность работы обусловлена широким применением жидких сред и полимерных материалов в технологических процессах с мощным тепловыделением. Развиваемый подход, основанный на комплексном использовании результатов импульсного эксперимента и численного моделирования, служит удобным инструментом для изучения параметров теплообмена при импульсном нагреве вещества в широкой области изменения температуры. Сфера действия метода распространяется на область термически неустойчивых состояний вещества, недоступную традиционным теплофизическим методам. Разработанное устройство может быть применено для быстрого сопоставления теплового сопротивления и кратковременной термоустойчивости конкурирующих образцов, синтезированных под определенную технологическую задачу. Посредством соответствующего выбора амплитудных значений мощности нагрева, устройство может быть применено для косвенного контроля текущего
состояния жидких сред в процессах, сопровождающихся их старением или изменением состава.
Автор защищает: . метод стабилизации мощности импульсного нагрева зонда в масштабе характерных значений скорости нагрева вплоть до 1-Ю6 К/с и плотности теп-:, лового потока от зонда в вещество -1-Ю МВт/м2;
метод предсказания температурной зависимости теплофизических свойств
вещества по результатам однократного измерения и минимальному массиву
исходных данных,
. Апробация работы.
Результаты работы докладывались на международной конференции
«СВЯЗЬ-ПРОМ 2005» в рамках II Евро-Азиатского международного форума
«СВЯЗЬ-ПРОМЭКСПО 2005» (Екатеринбург, 2005), научной конференции
«Демидовские чтения на Урале» (Екатеринбург, 2006), 16-м симпозиуме по те-
плофизическим свойствам (г. Боулдер, США), IV Российском совещании «Ме-
тастабильные состояния и флуктуационные явления» (Екатеринбург, 2007), VI
международной теплофизической школе "Теплофизика в энергосбережении и
управлении качеством" (Тамбов, 2007), 8-й международной теплофизической
конференции "VIII IWST" (Москва, 2007), 18-й европейской конференции по
теплофизическим свойствам (г. По, Франция, 2008), IX молодёжном семинаре
по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург,
2008).
Публикации. Материалы диссертации изложены в 14 работах, включая 3 работы в рекомендованных ВАК изданиях, 6 статей в сборниках научных трудов и материалов конференций и 5 тезисов докладов. Список статей представлен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы; содержит 111 страниц текста, включая 51 рисунок и 1 таблицу. Список литературы содержит 93 работы.
