Теплообмен через периодически контактирующие металлические поверхности

,'ф
СОДЕРЖАНИЕ
Условные обозначения и размерности.....................................4
Введение...............................................................5
ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы контактного теплообмена. Цель и задачи исследования....................................................9
1.1. Основные понятия о тепловом контакте твердых тел. Контактное термическое сопротивление............................................10
1.2. Основные факторы, определяющие формирование контактных термосопротивлений для статических контактов...........................15
1.3. Состояние проблемы теплообмена в системах с нестатическими контактами............................................................25
1.4. Выводы. Цель работы и задачи исследования........................29
ГЛАВА 2. Моделирование процесса теплообмена через периодически контактирующие металлические поверхности.................................31
2.1. Задача о контактной теплопроводности двух периодически соприкасающихся стержней..................................................31
2.2. Тепловая модель процесса теплообмена через периодически соприкасающиеся поверхности стержней при отсутствии контактного термосопротивления ....................................................45
2.3. Тепловая модель процесса теплообмена через периодически соприкасающиеся поверхности стержней при наличии контактного термосопротивления........................................................50
2.4. Выводы...........................................................52
ГЛАВА 3. Постановка, программа, методика и установка для экспериментальных исследований..................................................53
3.1. Характеристика и программа экспериментальных исследований 53
3.2. Объекты исследований.............................................54
3.3. Планирование эксперимента........................................54
2
3.4. Методика и установка для исследования теплообмена через периодически контактирующие металлические поверхности и определения контактных термосопротивлений для замкнутых контактов............................56
3.5. Статистическая обработка результатов исследований и методика определения погрешностей....................................................64
3.6. Выводы............................................................66
ГЛАВА 4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований
и их анализ............................................................67
4.1. Теплообмен через периодически соприкасающиеся металлические поверхности при отсутствии контактных термосопротивлений................67
4.2. Теплообмен через периодически соприкасающиеся металлические поверхности при наличии контактного термосопротивления..................71
4.3. Влияние макрогеометрии контактирующих поверхностей, природы материала контактных пар, температуры, усилия прижима и наличия окисных пленок на теплообмен через периодически соприкасающейся поверхности...................................................................74
4.4. Практическая реализация научных решений...........................86
4.5. Выводы............................................................89
Основные выводы и результаты...........................................90
Список использованной литературы.......................................91
Приложения...........................................................100
3
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И РАЗМЕРНОСТИ
Тк - температура в зоне контакта, К;
() - тепловой поток, Вт\
Хм - коэффициент теплопроводности материала, Вт/м К; а - коэффициент температуропроводности, м /с;
Р - усилие прижима, МПа;
V - частота, гц\
А
Я - общее термическое сопротивление тепловому потоку, м К/Вт;
Як - контактное термосопротивление, мК/Вт\
тк - время в течение одного цикла, когда поверхности находятся в контакте, с;
Уъ - длина стержня, м\
Угпр - длина участка стержня, представляющая термосопротивление вследствие периодического прерывания теплового потока, м;
Нх - длина участка стержня, представляющего контактное термосопротивление, м;
Я: - средняя высота выступов микронеровностей, Му мкм;
Н6- средняя высота волн, м,мкм;
относительная неплоскостность;
Ху у, г- декартовы координаты.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие современной техники сопровождается интенсивным повышением тепловых нагрузок узлов и деталей конструкций. На тепловой режим таких технических систем значительное влияние оказывает контактное термическое сопротивление, обусловленное несовершенством механического соединения контактирующих металлических поверхностей. Этому вопросу в настоящее время посвящено большое количество исследований [1,2]. При этом в большинстве работ исследуются процессы теплообмена в соединениях со статическими контактами. В тоже время во многих энергетических установках (паро- и газотурбинные установки, двигатели внутреннего сгорания), металлообрабатывающих комплексах и других технических системах имеют место соединения с периодически контактирующими металлическими поверхностями, через которые проходят тепловые потоки высокой плотности.
К такого рода соединениям можно отнести контактные пары в виде седло клапана - гнездо в головке блока двигателей внутреннего сгорания, заготовка и пуансон при обработке металлов давлением, паяльник-заготовка и др.
В процессе проектирования, изготовления и эксплуатации указанных систем требуется информация о формировании температурных полей, характерных особенностях теплообмена и возможных мероприятиях по направленному регулированию протекания тепловых процессов.
Основываясь на известных положениях из теории контактного теплообмена [1], можно утверждать, что процесс теплопереноса через периодически контактирующие поверхности будет зависеть от температурных условий на поверхностях контакта, теплофизических характеристик материалов контактирующих тел, частоты и продолжительности контакта, а также от контактного термосопротивления в зоне сопряжения при замкнутых контактах.
Данная работа выполнялась по плану НИР ВГЛТА в рамках темы «Разработка и обоснование методов расчета и способов изменения термических со-
противлений в контактных соединениях конструкций» (гос. per. 201.85.00. 52.971).
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является исследование и разработка модели процесса теплообмена через периодически контактирующие металлические поверхности.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1. Получение аналитического решения математической модели процесса контактной теплопроводности через периодически контактирующие поверхности.
2. Разработка тепловой модели теплообмена через периодически контактирующие металлические поверхности при наличии и отсутствии контактного термосопротивления.
3. Установление влияния частоты и длительности контакта в течение цикла на процесс теплообмена.
4. Экспериментальное исследование влияния природы материалов, геометрии поверхностей контакта, температурных условий, усилий прижима и окисных пленок на термосопротивление тепловому потоку между периодически контактирующими поверхностями при наличии контактного термосопротивления.
Научная новизна работы.
1. Получено аналитическое решение математической модели процесса контактной теплопроводности через периодически контактирующие металлические поверхности, позволяющее понять физическую сущность процесса.
2. Разработана тепловая модель теплопереноса через периодически контактирующие металлические поверхности отличающаяся учетом влияния контактного теплообмена.
3. Установлено влияние частоты и длительности контакта в течение цикла на процесс теплообмена в таких системах.
6
4. Экспериментально установлено влияние природы материалов, геометрии поверхностей контакта, температурных условий, усилий прижима и окисных пленок на термосопротивление тепловому потоку через периодически контактирующие поверхности при наличии контактного термосопротивления.
Указанные составляющие научной новизны являются положениями, выносимыми на защиту.
Практическая значимость работы и реализация результатов
Приведенные в работе результаты исследований позволяют в производственных условиях:
1. Варьируя частотой и длительностью контакта в течение цикла направленно регулировать процессом теплообмена между периодически контактирующими теплонапряженными элементами технических систем.
2. Рассчитывать термосопротивление между периодически контактирующими металлическими поверхностями при наличии и отсутствии контактного термосопротивления.
3. Путем изменения природы материалов, геометрии поверхностей контакта, температурных условий и усилий прижима создавать системы с периодически контактирующими элементами с прогнозируемыми условиями протекания процессов теплообмена.
Результаты диссертационной работы непосредственно используются при проведении лабораторно-практических занятий по дисциплине «теплотехника» на кафедре «электротехники, теплотехники и гидравлики» Воронежской государственной лесотехнической академии.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены на XXX Гагаринских чтениях (Москва, 2004г.), на 24 Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения академика В.П. Макеева (Екатеринбург, 2004г.), на XII Туполевских чтениях (Казань, 2004г.), Международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию лесоинженерного факультета (Воронеж, 2004г.), на научных
конференциях Воронежской государственной лесотехнической академии (Воронеж, 2003,2004гг.).
Тематика исследований входит в ежегодные планы научно-исследовательской работы кафедры электротехники, теплотехники и гидравлики ВГЛТА.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 109 страниц, основное содержание работы изложено на 99 страницах машинописного текста, включает 29 рисунков и 6 таблиц.