Введение к работе
Актуальность проблемы. Интенсивное развитие атомной энергетики, ракетной и космической техніки, химии полимеров, радиоэлектроники, холодильной и криогенной техники, горной теплофизик'! и др. и чрезвычайное разнообразие используемых в э^их областях техники материалов и условий их применения требуют большого объема информации о теплофизических характеристиках (ТХ), тепловых эффектах и параметрах. Отсутствие или неполнота такой информации не позволяют производить надежный расчеты тепловых режимов различных энергетических объектов л технологических процессов, в полной мере осуществлять мероприятия, направленные на решение многочисленных задач энергосбережения, например, создание энергосберегающих технология, конструкций, сооружений.
Несмотря на значительныэ успехи в развитии методов прогнози--рования и расчета ТЗХ, основным источником информации о них остается эксперимент. Так каї..промышленный выпуск приборов для тепло-физических измерений практически отсутствует, весь объем информации получают на установках лабораторного типа, созданных различными организациями для удовлетворения собственных потребностей. Каждая из таких установок, за редким исключением, является уникальной и эксплуатируется лишь у самого разработчика. Для них характерны высокая стоимость и отсутствие должного метрологического обеспечения, что не способствует единству в данной області! измерений.
Для успешного решения многих практических задач приходится совершенствовать известные и создавать новые методы исследования и средства измерений тепловых параметров и характеристик. Поэтому работа, посвященная созданию научных основ проектирования тепло-метрической мостовой аппаратуры для теплофизических измерений, основанной на применении первичных термоэлектрических преобразователей теплового потока (ПТП), и разработке новых измерительных схем, устройств и приборов для научных исследований и массовых технических измерений, объединенных единым мотодом и общими принципами построения и метрологического обслуживания, - актуальна и имеет большое народнохозяйственное значение, в частности, для отечественного приборостроения.
Цель работы - решение научно-технической проблемы по созданию теоретических основ и принципов построения теплометричесхой
4 аппаратуры, элементной базы для ее производства и срздств метрологического обеспечения.
Дня достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
предложен и разработан новый высокоэффективный тешомет-рический мостовой метод, обеспечивающий повышении точності!, надежности и производительности теплофизических измерений;
разработаны новые мостовые топлометрические стемы для определения термического сопротивления, теплопроводности и теплоемкости материалов и веществ в различном физическом состоянии, тепловых эффектов и параметров процессов;
изучены особенности применения преобразователей теплового потока в теплофизическом приборостроении и сформулированы требования к их характеристикам;
исследованы характеристики (чувствительность, теплопроводность, теплоемкость) преобразователей теплового потока и зависи- ыость их от различных факторов, разработаны методики и алгоритмы расчетов параметров ПТП, оптимизированных по чувствительности и условиям эксплуатации;
разработаны методы и изготовлена аппаратура .для метрологического и технологического.обеспечения теллометрии;
решены задачи практической реализации теплометрических мостовых схем;
разработаны и нзготоьлены экспериментальные образцы мостовых приборов для теплофизических исследований, метрологически освидетельствованы и переданы ряду организаций для использования в исмерительиой практике.
'Научная новизна. В диссертации разработаны научные основы проектирования теплометрических приборов и єлементов, которые реализуют теплометрический мостовой метод измерения, и предназначены для исследования ТХ, 'тепловых параметров и эффектов. Создана элементная база для реализации теплометрических мостов, а также комплекс аппаратуры для их метрологического обеспечения. Новизна разработок защищена 28 авторскими свидетельствами на изобретения. Результаты исследований и разработок, представленные в диссертации, выполнены самостоятельно и совместно с коллективом сотрудников на протяжении 1978 - 1991 гг.
При этом получены следующие научные результаты:
- разработаны научные основы теплометрических мостов и их
о проектирования, сформулированы принципы их построения;
вперзые разработаны мостовые теплометрические схемы приJo-роз, предназначенные для исследований ТйХ различных веідес/в;
разработана методика выбора элементной базы теплометрических мостоз с оптимальными ЇЖ и чувствительностью;
создана методика проектирования греобразователеП топлозого потока с требуемой чувствительностью, учитывающая особенности применения, ПТП в теплофизнческом приборостроении;
получены формулы для расчета Т?Х преобразователей я даны рекомендации по обеспечению проектирования ПТП с требуемыми параметрами и геометрическими размерами с учетом минимизации погрешности измерений;
создана база технологического и метрологического обслуживания теплометрического приборостроения;
даны рекомендации по учету особенностей практической реализации теплометрических мостов;
на основе предложенных мостовых схем создан комплекс приборов для измерения термического сопротивления, теплопроводности J* теплоемкости материалов и веществ, тепловых эффектов и параметров;
- предложены и разработаны новые измерительные сродства для метрологического обеспечения теплометрической аппаратуры.
На защиту выносятся:
научные основы создания теплометрических приборов, реализующих новые методы измерения Т'ЕС, тепловых параметров и эффектов;
теоретические основы проектирования теплометрических мостовых схем для измерения Т5Х с учетом особенностей исследуемого материала и минимизации погрешности измерения;
теоретические основы проектирования преобразователей теплового потока с требуемыми характеристиками, оптимизированными по чувствительности к тепловому потоку и условиям зксплуатаїуік;
результаты теоретических и экспериментальных исследований свойств ПТП и зависимостей их от различных факторов;
комплекс аппаратуры для метрологического и технологического обеспечения производства теплометрических мостовых приборов;
комплекс методов и приборов для исследования ТФХ материалов в диапазоне температур от 80 до 500 К.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Использование теоретических основ проектирования теплометрических
мостовик схем позволило разработать приборы н устройства для исследования Т-.'Х, тепловых эффектов и параметров теплообмена.
Разработка теоретических основ проектирования ПТП с требуемыми хяппкто(«истинами явилась одним из основних факторов становления тепломотрии как самостоятельной научной дисциплины и развития тепло;чп'риувокого направления в теплофизнческом приборостроении.
Разработанные образцовыо средства измерения тепловых потоков и моточики метрологической аттестации новых нестаи.дартизованных средств измерения обеспечили высокую точность и достоверность из-мирепий с помощью выпускаемой теплометрической аппаратуры.
Результаты работы в виде аттестованных экспериментальных образцов нестандартпэопанннх рабочих средств измерения теплових величии внедрены в НПО "ЭНЕРГИЯ", НПО иу.С.И.-Лаиочкинд, 'ТІ 10 "np/.Oti", машиностроительном заводе им.С.В.Ильюшина, СНШ.!, НПО "31ШЯ.1 им. Д.И.Менделеева", ИТМО им.А.В.Лыкова АН Беларуси, ЛИТМЭ, Стаико-хиыическом институте АН Украины и др.
Лостоверность и обоснованность основных результатов определяются корректностью постановки задач и применяемых для их решения экспериментальных и математических методов, результатами анализа погрешностей и метрологической аттестации созданных экспериментальных образцов теплометрической аппаратуры, а также успешным решением практических задач промышленного внедрения средств измерений.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на У, УІ Всесоюзных конференциях по тепло- и массо-обмечу (г.Минск, 1976г. и 1980 г.), Всесоюзных научно-технических семинарах по метрологическому обеспечению теплофизических намерений при низких температурах (г.Хабаровск, 1976г., 1982г., 1985г.), УП Всесоюзной конференции по калориметрии (г.Черноголовка, 1977г.), X Всесоюзной научно-технической конференции по текстильному материаловедению (г.Львов, 1980 г.), У Всесоюзной научно-технической конференции по вопросам авиационной химтехнологии (г.Киев, 1981г.), П Всесоюзной конференции по механизмам кровоповреждения и кгжо-защиты (г.Харьков, 1984 г.), на Всесоюзных научно-технических конференциях по методам и средствам теплофизических измерений (г.Киев, 1982 г.; 1984 г.; г.Севастополь, 1987 г.; 1989 г.), УІ и УП всеакадемических школах по проблемам стандартизации и метрологии
7 ь научных исследованиях (г.Вильнюс, 1988 г.; г.їрунзе, 1989 г.), IX Всесоюзной теплофизическоП школе (г.Тамбов, І98С г.), на заседаниях Рабочей комиссии Госстандарта СССР по тепловым и температурным измерениям (г..Хабаровск, 1984 г.; г.Ленинград, 1991 г.), а также на УІ Европейской конференции по тепяофизическш: свойствам еєщєств (г.ДуброЕіик, 1978 г.), УІ Международной конференции по теплопередаче (г.Торонто, 1978 г.), 3-ьем пленарном заседании международного бюро по горноП теплофизике (г.Пловдив, 1983 г.), У .Международной конференции по термограмметрии и теплоэнергетику (г.Будапешт, 1987 г.), на трех международных конференциях "МЕРА-90, МЁ-РА-9І, МЕРА-92" (г.Иосква, 1990 г., 1991 г., 1992 г.), в Институте низких температур 1ІАН (г.Вроцлав, 1988 г.).
Автор за теплометрические устройства, экспонированные на ВДНХ СССР, награждена 5 бронзовыми и I золотой медалями, дипломами ВДНХ УССР, двумя прениями и дипломом Ш степени по итогам конкурсов на соискание премий им. С.Л.Вавилова.
Основные публикации по решенной проблеме представлены 77 источниками в научно-технической литературе широкого профиля, в том числе в виде статей в научных журнала;: и тематических сборниках - 31,брошюр - 2, тезисов докладов - 14, описаний авторских свидетельств на изобретения - 28, заключительных отчетов по НИР, тлеющих номер Государственной регистрации, - 2. Научный доклад дает их обобщение, а также содержит сведения по практическому эффекту их использования в ряде областей техники.
Структура работы. Диссертация представлена в форле научного доклада, обобщающего результаты выполненных автором исследований и состоящего из пяти разделов, заключения и списка публикаций, в которых изложены основные ее результаты.