Введение к работе
Актуальность проблемы В исследовании теплофизических свойств материалов развиваются два подхода экспериментальный и аналитический Методы экспериментального определения теплофизических характеристик (ТФХ) базируются на решении краевых задач теплопроводности Методы аналитического определения ТФХ опираются на теоретические представления о механизме переноса теплоты Существенный научный вклад в него внесли Н С Бахвалов, Р Берман, Л Л Васильев, Г Н Дульнев, Ю П Заричняк, О А Сергеев, Л П Филлипов, А Г Шашков и др Однако, несмотря на успешное развитие методов расчета, основным способом получения информации о теплофизических характеристиках веществ остается эксперимент
Теплофизические измерения, как самостоятельное научное направление, имеют богатый исторический опыт Особых достижений в этой научной области удалось достичь за последнее столетие Так, к двадцатым годам прошлого столетия в распоряжении исследователей появились достаточно надежные методы определения ТФХ металлов и теплоизоляторов в области умеренных температур В создании методических разработок этого периода видную роль сыграли известные иностранные теплотехники Г Гребер, В Нуссельт, М Якоб, Э Гриффите, В Нернст, П Вернотт, Ф Кольрауш и Д Егер, Уортинг и др Теоретические и экспериментальные исследования стационарных и калориметрических методов, ставшие классическими, были выполнены известными советскими теплофизиками Н Б Варгафтиком, М П Вукаловичем, А А Гух-маном, В А Кириллиным, М А Михеевым, Б С Петуховым, В Э Пелецким, Д Л Тимротом, А Е Шейндлиным и др Основоположниками теоретических разработок нестационарных тепловых режимов по праву считаются Г М Кондратьев, А Ф Чудновский и А В Лыков Благодаря научной деятельности этих ученых возникли научные школы, занимающиеся разработкой ліетодов начальной стадии (А Ф Чудновский, А В Лыков, В С Волькен-штейн и др), методов регулярного режима первого рода (Г М Кондратьев, М П Стаценко, Г Н Дульнев, Н А Ярышев, А Ф Бегункова, Б Н Олейник, О Б Цветков и др ), методов регулярного режима второго рода (А В Лыков, Е П Шурыгина, НЮ1 айц, Л Л Васильев и др ), методов температурных волн (Е Г Швидковский, Л П Филиппов, О А Краев, и др ), методов монотонного режима (О А Краев, Ю П Барский, Е С Платунов, В В Курепин, С Е Буравой, В А Самолетов и др )
К 90-м годам прошлого столетия Е С Платуновым и его учениками была разработана нелинейная теория монотонного режима и создан комплекс динамических методов измерения ТФХ Разработан ряд приборов (ИТЭМ-1, ИТЭМ-1М, ИТ —400), которые прошли государственные первичные испытания и с 1978 по 1992 г г выпускались серийно на Актюбинском заводе "Эталон"
Потребность в измерении ТФХ веществ и материалов в настоящее время существует во многих современных областях науки и техники Достоверные
сведения о ТФХ веществ необходимы и важны для ряда приоритетных направлений, связанных с проблемами энергосбережения при строительстве объектов различного назначения, вопросами снижения энергопотребления в нефтегазовой перерабатывающей промышленности, получением и применением искусственного холода, переработкой и хранением пищевых продуктов, получением чистых газов (меіаллургия, приборостроение, химическое машиностроение), освоением космоса и северных территорий, созданием средств транспортировки и хранения жидких газов, созданием транспортных средств с жидководородным топливом, разработкой новых устройств в технике кондиционирования и в криомедицине, созданием современных синтезированных материалов и т д Тепловые режимы различных устройств, используемых в вышеназванных отраслях техники, строго регламентируются и рассчитываются на основании экспериментальной информации о ТФХ, как для конструкционных материалов, так и для рабочих веществ К сожалению, низкая производительность и сложность методов и средств, применяемых в настоящее время, существенно затрудняет проведение таких исследовательских работ Данный недостаток обусловлен, прежде всего, низкой степенью автоматизации существующих приборов К тому же с 1992 г отечественная промышленность практически прекратила выпуск приборов и установок для теплофизических измерений В начале настоящего столетия на российском рынке вновь стали появляться современные теплофизические приборы, как российского, так и иностранного производства Однако предлагаемые устройства имеют определенные недостатки они ориентированы на исследование тепловых свойств на образцах определенных размеров, не позволяют проводить комплексные измерения теплофизических характеристик, используются в большинстве своем для измерений в узком диапазоне температур
Поэтому к числу актуальных научных проблем, подлежащих решению в области теплофизики, относятся разработка высокопроизводительных методов измерения тепловых свойств, создание автоматизированных средств измерения ГФХ в широком диапазоне температур, получение новой информации о теплофизических характеристиках веществ и материалов
Целью работы является развитие теории регулярных тепловых методов измерения ТФХ, основанных на решении нелинейных нестационарных задач теории теплопроводности, разработка комплекса высокопроизводительных методов, позволяющих проводить измерения ТФХ как функций температуры, создание экспрессных методов и средств неразру шагощего контроля термических сопротивлений для неразъемных механических соединении, измерение ТФХ технически важных материалов, применяемых в холодильной и криогенной технике, а также ряда пищевых продуктов в условиях замораживания и размораживания
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: анализ существующих методов и средств, предназначенных для измерения ТФХ в широком температурном диапазоне, анализ существующих методов для
контроля термических контактных сопротивлений механических соединений, разработка теоретических основ новых методов для комплексных измерений ТФХ с учетом их температурной зависимости, разработка теоретических основ группы новых нестационарных методов неразрушающего контроля термических контактных сопротивлений теплообменных труб, проектирование, создание и калибровка комплекса автоматизированных установок, реализующих предложенные регулярные методы исследований тепловых свойств твердых, жидких, пастообразных и сыпучих материалов, создание алгоритмов и программного обеспечения, используемого при постановке экспериментов и обработке опытной информации
На защиту выносятся: разработанная и теоретически обоснованная группа линейных методов регулярного режима, позволяющих комплексно, в одном опыте и на одном образце определять ТФХ различных материалов при различных фиксированных температурах, разработанная и теоретически обоснованная группа нелинейных методов монотонного режима, позволяющих комплексно, в одном опыте и на одном образце изучать температурную зависимость ТФХ различных материалов в области низких и умеренных температур, в том числе разнообразных влагосодержащих материалов в условиях замораживания и размораживания, группа автоматизированных средств комплексного исследования ТФХ твердых материалов и веществ в жидком и пастообразном состояниях в области температур от 80 до 400 К, экспресс-метод неразрушающего контроля термических сопротивлений металлических соединений; результаты исследований эксплуатационных и метрологических характеристик созданной аппаратуры, алгоритмы автоматизированного проведения эксперимента и обработки опытных данных с помощью персональных ЭВМ, экспериментальные данные о теплофизических характеристиках ряда новых конструкционных материалов и пищевых продуктов
Достоверность, полученных результатов, достигалась калибровкой созданных автоматизированных установок по образцовым объектам с известными параметрами, сравнением собственных опытных данных с известными данными, которые были получены ранее с помощью известных методов, проверкой полученных опытных данных на воспроизводимость
Научная новизна работы: разработана теория ряда новых методов для комплексного измерения линейных ТФХ неметаллических материалов, основанная на решении одномерных нестационарных задач теплопроводности, разработана теория нового комплексного метода измерения нелинейных ТФХ в монотонном режиме, на основе созданной теории разработан комплекс новых динамических высокопроизводительных методов измерения ТФХ, разработана и экспериментально проверена группа нестационарных экспресс-методов неразрушающего контроля ТКС биметаллических теплообменных труб, получены новые экспериментальные данные о теплофизических свойствах материалов, в том числе фрикционных материалов, полупроводников, полимеров, углепластиков, ряда влагосодержащих пищевых продуктов
Практическая ценность работы: разработанные методы определения ТФХ используются в созданных средствах измерения для исследования тепловых свойств различных материалов на образцах, удобных для изготовления, разработанные методы для неразрушающего контроля ТКС и созданные на их основе автоматизированные приборы позволяют организовать отбраковку промышленных биметаллических теплообменных труб в заводских условиях, непосредственно после их изготовления, создан комплекс автоматизированных высокопроизводительных рабочих средств широкого применения как для измерения ТФХ различных веществ в области температур от 80 до 400 К, так и для контроля ТКС механических соединений, разработаны алгоритмы и программное обеспечение для проведения эксперимента и обработки опытных данных с помощью персональных ЭВМ, которые полностью автоматизируют процесс измерений, новые экспериментальные данные о ТФХ веществ и материалов, в том числе, фрикционных материалов, полупроводников, полимеров, углепластиков, эффективных теплоизоляторов, ряда пищевых продуктов растительного и животного происхождения использованы в прикладных исследованиях для расчета технологических процессов и конструкций аппаратов
Результаты работы в виде опытных образцов приборов были внедрены и использовались- в ЦНИИ конструкционных материалов "Прометей" (СПб), в исследовательском центре проблем энергетики Казанского научного центра РАН (г Казань), в федеральном государственном научном учреждении "НИИ ИНТРОСКОПИИ" (г Томск), в Московском государственном университете прикладной биотехнологии, в ОАО "Завод фрикционных материалов" (г Ярославль), в ОАО "ЛЕННИИХИММАШ" (СПб), в СПбГУНиПТ при создании учебной лаборатории "Физика низких температур" для студентов и магистров, обучающихся по направлению 140400 "Техническая физика"
Работы по созданию специализированных вычислительных устройств проведены в тесном контакте с ООО "ЛМТ", руководителем которого является доцент кафедры вычислительной техники ИТМО (ТУ) Платунов А Е
Вклад автора: научная постановка задач экспериментальных и теоретических исследований, решение основных теоретических, методических и практических вопросов, в том числе анализ двухмерных температурных полей с внутренними тепловыми источниками в образцах и теплоизмерительных устройствах, выбор режимов испытаний, разработка алгоритмов и программ проведения экспериментов и обработки опытных данных, проектирование приборов, установок, измерительных ячеек
Диссертационная работа развивает традиции школы теплофизиков-прибористов заел деятеля науки РФ, дтн, профессора Е С Платунова в создании методов и средств изучения тсплофизических свойств в монотонном и регулярном тепловых режимах
Апробация диссертации и публикации. Основные результаты работы докладывались в период с 1994 по 2006 г.г на 14 Всесоюзных, российских и международных конференциях и семинарах XXIII —XXXI научно-техн
конф профессорско-преподавательского состава, СПбГУНиПТ, г СПб, Международная научно-техн конф "Холод и пищевые технологии", 1996 г, СПбГАХПТ, СПб, Международная научно-техн конф "Ресурсосберегающие технологии пищевых производств", 28 - 29 апреля 1998 г, СПбГАХПТ, СПб, 1st workshop on thermochemical, thermodynamic and transport properties of halogenated hydrocarbons and mixtures — Pisa (Italy), December 15-18, 1999 г , IV международная теплофизическая школа "Тешюфизические измерения в начале XXI века", 24 - 28 сентября 2001 г , г Тамбов, XI Международная деловая встреча "Диагностика — 2001" XII Международная деловая встреча "Диагноетика-2002", XXI тематический семинар "Диагностика оборудования и трубопроводов компрессорных станций", V международная теплофизическая школа "Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством", 20 — 24 сентября 2004 г, г Тамбов, II Международная научно-техн конф "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке", XI Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ, 4-7 октября 2005 г, СПб, "Индустрия образования", 1999 г, г Орел, VI специализированная выставка "Автоматизация-2005", 2005 г, СПб, VII специализированная выставка "Автоматизация-2006", 2006 г, СПб
По теме диссертации опубликовано 37 работ, в их числе 8 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ Получен 1 патент РФ
Структура диссертации. Работа содержит 285 машинописных страниц текста, 120 рисунков, 5 таблиц, 250 наименований библиографического указателя, 32 страницы приложений
Похожие диссертации на Теория, методы и средства комплексного исследования теплофизических свойств в режиме разогрева-охлаждения
