Введение к работе
Актуальность темы. В последние четыре десятилетия в отечественной и зарубежной литературе, посвященной вопросам теплопереноса, интенсивно развивалось отдельное направление, известное как контактный теплообмен. Во многих случаях при тепловых расчетах конструкций с составными элементами требуется учитывать контактные термосопротивления, обусловленные несовершенством механического соединения соприкасающихся металлических поверхностей
В процессе разработки современного энергетического оборудования, авиационных и космических аппаратов, радиоэлектронных устройств, аппаратов прямого преобразования энергии требуется снижать контактное термосопротивление. И наоборот, когда требуется механически прочная изоляция в резервуарах для низкотемпературных жидкостей, при теплоизоляции узлов в летательных аппаратах, высокотемпературных батарей контактное термосопротивление в зоне контакта отдельных элементов следует повышать. Таким образом, перед специалистами, занимающимися вопросами теплового проектирования указанного оборудования, стоит актуальная задача обладать инструментарием по направленному регулированию процессами контактного теплообмена
Проведенные ранее исследования по данной проблеме не носили системного характера, поскольку были вызваны необходимостью решения частных производственных задач. Для разработки научных положений по вопросам терморегулирования в малонагруженных составных системах требуется проведение комплексных экспериментальных исследований и вывод обобщающего параметра, позволяющего предсказывать эффективность вводимого в зону контакта заполнителя Решение вышеуказанной задачи осуществлялось автором по плану НИР ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» в рамках темы «Разработка и обоснование методов расчета и способов изменения термического сопротивления в контактных соединениях конструкций» (№ per. 201.85.00.52.971).
Цель и задачи исследованиа Целью настоящей диссертационной работы является разработка и обоснование методов регулирования термосопротивления в малонагруженных соединениях путем введения в зону контакта заполнителей из различных материалов. Для реализации постановленной цели решались следующие задачи:
анализ состояния вопроса изменения контактного термосопротивления в соединениях из металлических поверхностей;
разработка и обоснование обобщающего параметра в виде безразмерного термосопротивления контакта малонагруженных металлических поверхностей, позволяющего устанавливать характеристики различных сочетаний основного металла контактной пары и заполнителя в зоне раздела;
моделирование процесса контактного теплообмена малонагруженньгх соединений с плоскошероховатыми, волнистыми и имеющими макроотклонения поверхностями;
экспериментальные исследования способов повышения и снижения контактных сопротивлений в малонагруженньгх соединениях
Предмет и объект исследования. Предметом исследования является механизм процесса изменения термического сопротивления контакта металлических поверхностей путем введения в зону раздела заполнителей различной природы.
Объектом исследования являются контактные пары из сплава Д16Т, латуни Л80, стали 12Х18Н10Т, стали 45; заполнители контактной зоны: асбест листовой, слюда, стеклоткань, фторопласт, проволочные сетки из железа, нержавеющей стали, латуни; порошки оксидов магния, меди и алюминия; полимерные клеи ВК-3, ВС-10Т, клеевые композиции из смолы ЭДД отвердителя ПЭПА и дисперсных наполнителей в виде графитового и никелевого порошка ІШК; гальванические покрытия из меди, кадмия и свинца; фольга из алюминия и кадмия.
Научная новизна результатов исследования.
-
Разработан и обоснован обобщающий параметр в виде безразмерного термосопротивления контакта малонагруженных металлических поверхностей, позволяющий устанавливать характеристики различных сочетаний основного металла контактной пары и заполнителя в зоне раздела
-
Разработана модель процесса контактного теплообмена, позволяющая определять термосопротивление в зоне контакта для малонагруженньгх поверхностей различной геометрии.
-
При экспериментальном изучении механизма регулирования контактных термосопротивлений в малонагруженных соединениях установлено влияние материала заполнителей и материала контактной пары на повышение или снижение контактного термосопротивления.
Практическая значимость работы. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований использованы в качестве научной основы для создания новых технических и технологических решений при проектировании теплонапряженных систем с составными элементами, испытьтающими малые механические нагрузки.
Предложенные в работе методы направленного регулирования процессов те-плопереноса через контактные соединения путем введения в зону раздела заполнителей различной природы применены на предприятии ОАО НВП «Протек» по улучшению теплопроводности между модулем блока питания и поверхностью радиатора охлаждения.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе по дисциплине «Теплотехника» на кафедре электротехники, теплотехники и гидравлики ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия».
Достоверность результатов. Достоверность обеспечивается использованием фундаментальных законов из теории теплообмена, применяемыми при проведении экспериментов аттестованными измерительными приборами и подтверждается хорошим совпадением расчетных и экспериментальных результатов.
Апробация и реализация результатов исследований. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 10 Всероссийской научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов «АКТ-2009» (Воронеж, 2009); 4 Международной научной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Научный потенциал студенчества в 21 веке» (Ставрополь, 2010); 5 Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2010); 8 Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда 2010); 1 Международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика» (Ставрополь, 2010); 17 Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (Томск, 2011); Международной молодежной научной конференции «XIX Туполевские чтения» (Казань, 2011); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» (2010,2011).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 17 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 6, 7, 8, 15, 17] - разработка математической модели определения контактных термосопротивлений для малонагруженных соединений; [2,3,4,5,7] - обработка и анализ экспериментальных данных; [10,12, 13,14,16] - разработка методических основ регулирования процесса теплообмена в составных системах.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, приложения и списка литературы, включающего 102 наименования. Основная часть работы изложена на 125 страницах, содержит 53 рисунка и 2 таблицы.
