автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Экспериментальное исследование теплопередачи в многослойных системах

Актуальность работы.

Функционирование современных энергонапряженных устройств и узлов с высокой концентрацией энергии неразрывно связано с применением многоэлементных теплопередающих систем. Конструктивно эти системы выполняются в виде набора тонкостенных металлических оболочек из разнородных тугоплавких металлов, разделенных жидкостными и газовыми прослойками, вакуумированными паросодержащими зазорами, включая жаростойкую керамику. Примерами таких многослойных систем теплосброса служат камеры сгорания и теплозащитные оболочки, твэлы и бланкеты устройств формирования высокотемпературной плазмы. В разработках термоэмиссионных твэлов особую актуальность приобретают составные структуры с регулируемой теплопередачей, где оптимальный температурный режим поддерживается изменением состава и давления газов, заполняющих межо-болочечные зазоры, а надежность теплоотвода жидкостями связана с гидродинамической устойчивостью течения двухфазных потоков в узких кольцевых каналах. Ресурсные испытания твэлов ядерных реакторов в составе многоэлементных теплопередающих систем, например, в разработках энергетической устанорки 11Б97 для орбитального комплекса «Геркулес» инициировали постановку комплекса фундаментальных НИР, связанных с экспериментальными исследованиями причин ресурсной нестабильности термических сопротивлений систем теплосброса при плотности тепловых потоков до 100-150 Вт/см2.

Основное содержание обобщаемых в докладе работ нацелено на экспериментальное выявление эффектов, приводящих к ресурсной неустойчивости теплопередачи в системе газозаполненных оболочек (ГЗО), включая тонкие водокольцевые зазоры, выполненных в рамках государственных пробами важнейших ФНИР «Фасон-РВО», «Формация-МВО» и «Фаул-УН», в торых участвовал Томский политехнический институт.

Научная новизна.

1) Разработаны и апробированы экспериментальные методики, моделирующие термическую ситуацию в ГЗО. 2) Установлено, что перенос массы в оболочках ГЗО с различными средами при высоких температурах характеризуется близкими количественными показателями и отличается толь-к хл авом продуктов взаимодействия. 3) Получены новые данные, дополз няющие исследования других авторов по термическим сопротивлениям газовых зазоров при изменении парциального давления компонентов. 4) Выявлены области устойчивости потоков в тонких водокольцевых зазорах по условиям возникновения ухудшенного теплообмена. 5) Подтверждено, что термические процессы, изменяющие структурную однородность материала оболочки, влияют на термическое сопротивление.

Теоретическая значимость.

1) Термовакуумные исследования на образцах вольфрама подтверждают гипотезу о диффузионном переносе пор и выбросе газов. Установлен нелинейный характер массопереноса вольфрама в присутствии паров воды при давлении 0 — 0,01 мм рт. ст. и температуре 2600° С. 2) Выявлены границы области давления, в которой имеет место неустойчивость термического сопротивления инертных газов (Не, Аг) в ГЗО, объясняемые сорбционным влиянием материала оболочки. 3) Предложена обобщающая зависимость для критического теплового потока в тонких водокольцевых зазорах. 4) Предложена гипотеза о влиянии структурной неоднородности материала оболочки на ресурсное изменение термического сопротивления.

Практическая значимость.

1) Предложены методические приемы использования разреженных газов в системах регулирования температуры в ГЗО, позволяющие избежать влияние гистерезисных эффектов. 2) Применительно к тонким водокольце-вым зазорам установлены значения массовых скоростей и пульсации давления в момент, предшествующий режиму ухудшенного теплообмена, и разработаны мероприятия по повышению устойчивости теплообменной системы, реализованные в аппаратах форсированного теплообмена. 3) Разработаны условия кондиционирования материала оболочки, обеспечивающие стабилизацию термического сопротивления. 4) Учет влияния факторов неустойчивости теплообмена в энергонапряженных оболочечных элементах апробирован в практике проектирования теплообменных аппаратов современной техники. 5) Разработаны конструкции, технология изготовления, испытаны головные образцы установок аварийного резервирования теплоснабжения, мобильных генераторов технологического пара, парогенераторов импульсного действия.

На защиту выносятся:

1. Методики термогазовакуумных исследований, моделирующих термические ситуации в ГЗО.

2. Совокупность экспериментальных результатов по выявлению эффектов тепло- и массопереноса в ГЗО.

3. Концепции физических моделей, являющиеся теоретической основой для обобщения экспериментальных результатов.

4. Рекомендации по обеспечению режимов устойчивого теплообмена в энергонапряженных ГЗО.

Публикации по научному докладу.

Научный доклад обобщает исследования и разработки, опубликованные в 31 работе, среди которых 1 монография, 2 изобретения, 5 статей в центральных журналах, 7 докладов на Международных, Всесоюзных, Всероссийских конференциях.

Апробация научного доклада.

Основные результаты работ, обобщаемых научным докладом, обсуждены на конференциях и совещаниях различного уровня, в том числе: НТС РКК «Энергия» им. С.П. Королева ( Калининград Моск. обл., 1975-90 г.г.); 4 семинарах кафедр по теплофизике и теплоэнергетике вузов Сибири и Дальнего Востока (• Красноярск, Новосибирск, Барнаул, Владивосток, 1982-88 г.г.); Всесоюзной конференции по теплофизике и гидродинамике процессов кипения и конденсации ( Рига, 1982 г.); объединенном заседании секций тепломассообмена АН СССР ( преде, акад. Леонтьев А.И.) и теплообмена излучением ГКНТ СССР ( преде, чл.-корр. Петухов Б.С.) ( Томск, 1984 г.); 3 заседаниях НТС Минвуза СССР ( преде, проф. Сычев В.В.) и секции теплофизики и атомной энергетики ( преде, проф. Рассохин Н.Г.) ( Москва, МЭИ, 1984-85 г.г.); Всесоюзной конференции по двухфазному потоку в энергетических машинах и аппаратах ( Ленинград, 1985 г.); 6 заседаниях НТС института теплофизики СО РАН ( Новосибирск, 1989-96 г.г.); 2 сессиях Научного Совета СО РАН по комплексной проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика» ( Новосибирск, 1991, 1993 г.г.); Всероссийском семинаре по экологии, надежности, безопасности энергетики ( Томск, 1994, 1996 г.г.); Международном симпозиуме по науке и технологии ( Томск, 1998 г.).

Личный вклад автора.

В обобщаемых научным докладом работах, выполненных в соавторстве, автору доклада принадлежат определяющая часть в постановке задач и обработке результатов, руководство и непосредственное исполнение всех экспериментальных исследований, разработка для них экспериментальных установок и методик исследований. В работах по математическому моделированию автор имеет равный вклад с другими соавторами, за исключением обоснования и реализации численных методов, которые выполнены В.Д.Клопотовым. Автор отмечает организующую роль на разных этапах работы над материалами научного доклада консультантов д.т.н. В.В.Саломатова и к.т.н. А.С.Заворина.

СОДЕРЖАНИЕ НАУЧНОГО ДОКЛАДА

1. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ГАЗОВОЙ СРЕДЫ НА ПЕРЕНОС МАССЫ В ОБОЛОЧЕЧНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМАХ

Металлы, керамики и покрытия на поверхностях ГЗО систем тепло-сброса можно рассматривать как пористые структуры, содержащие растворенные газы и пары воды. Характерный размер газовых пор, например, в металлах, составляет 50-100 нм при среднем межпоровом расстоянии 1-2 мкм. В процессе работы системы теплосброса газовые поры либо растут, что вызывает температурные деформации, либо мигрируют к поверхностям, создавая специфичную газовую среду в зазорах. Расстояние, на которое перемещаются газовые поры, зависит от температуры и температурного градиента. При достаточно высоких плотностях тепловых потоков, величины температурных градиентов в металлах составляют порядка десятков градусов на мм, в керамиках, из-за низкой теплопроводности, - сотни град/мм. Процессы, связанные с термоциклированием, способны привести к концентрации газовых пор вблизи поверхности, создать термонапряженные зоны и вызвать эрозию поверхностных слоев подобно коррозионным эффектам. Термическое сопротивление оболочечных элементов увеличивается в процессе работы до какого-то конечного значения и не соответствует расчетам, исходя из допущений сплошности и однородности.

Выбор вольфрама в качестве образца и температуры для исследований обоснованы испарением продуктов окисления вольфрама с поверхности, позволяющим определять потерю массы взвешиванием образца. Результаты измерений, выполненных в экспериментах на вакуумной установке (рис. 1), б позволяют аппроксимировать массоперенос вольфрама в присутствии воды для давлений Рнго~ (0 * 0,01) мм рт. ст. при температуре 2600° С зависимостью:

0/0, = (РН;0/Р0)°-57, (1-1) где: С, - скорость испарения вольфрама при Р0= 1 • 10'6 мм рт. ст. Перенос массы вольфрама в электровакуумных приборах, интенсифицирующийся в присутствии паров воды, объясняют (Ушаков Б.А. и др. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М.: Атомиздат, 1974.) явлениями водородного цикла в соответствии с реакцией: + 4 Н20 = \Ю3 • Н20 (газ) + ЗН2. Продукты взаимодействия вольфрама распыляются, при этом высший окисел вольфрама осаждается на охлаждаемой поверхности, а свободный водород восстанавливает вольфрам из напыленного продукта по реакции:

Ю3 + ЗН2 = + 3 н2о.

Перенос массы вольфрама в присутствии кислорода соответствует механизму: Ш + 02 = \\Ю2;

2\\Ю2 + 02 =

При постоянной температуре платность взаимодействующего с вольфрамом газа пропорциональна давлению и, следовательно, скорость переноса массы должна подчиняться линейной зависимости от давления. Данные измерений свидетельствуют о нелинейности скорости испарения вольфрама в зависимости от давления паров воды. Проявляется сходство с процессом испарения в кислороде. Однако скорость окисления и скорость испарения массы вольфрама при окислении подчиняются закономерностям разного характера и различаются по физическому механизму. Обследования состояния поверхности вольфрама под микроскопом после проведения опытов свидетельствуют об отслоении поверхностных структур, наблюдаются следы отрыва металла, сколы. Осмотр поверхности вольфрама после работы в высоком вакууме свидетельствует об однородности структуры, сколов и отслоений металла не наблюдалось. Явления выбросов газа из металлов и других материалов в процессе обезгаживания хорошо известны в вакуумной технике и пока не находят удовлетворительного объяснения, подобно тому как не находит объяснения явление поверхностного охрупчивания металлов при работе систем теплосброса в условиях высокого вакуума. Результаты исследований свидетельствуют в пользу гипотезы диффузионного переноса пор и выброса газов.

Термодиффузионные процессы с участием газовых пор подвержены времени и подчиняются сложной зависимости от температуры, плотности теплового потока. Концентрация газовых пор вблизи поверхности оболочки создает условия для поверхностного растрескивания при любом изменении плотности теплового потока и может сопровождаться выбросом газа. В этой связи возникает интерес к процессам уноса массы с поверхности металлов при изменении состава газовой среды, имея в виду, что поры металла после обезгаживания могут быть заполнены как инертными газами, так и коррози-онно-активными газами и парами воды. Опытами установлено, что явление переноса массы вольфрама при высокотемпературном процессе в газовых средах сопровождается сходными количественными показателями и отличается только составом продуктов взаимодействия.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ В ТОНКИХ ЗАЗОРАХ Передача теплоты через ГЗО рассматривается в комплексе с определением термического сопротивления инертных газов, заполняющих зазоры между оболочками. В сложных системах теплосброса, включающих разнородные конструкционные материалы оболочечных элементов, приходится решать вопросы определения температур, исходя из требований жаропрочности, жаростойкости и совместимости материалов со средами, заполняющими зазоры. Вакуум и инертные газы на данном этапе представляются наиболее приемлемыми средами, однако для этого требуется дополнить информацию по определению значений термических сопротивлений газовых зазоров при изменении парциального давления компонентов.

Экспериментальные исследования термического сопротивления разреженных газов выделили проблему выявления величины температурного скачка у границы с поверхностью оболочки, величина которого определяется поправкой - коэффициентом аккомодации в соответствии со значением: ДТ = К. • 5 • (<1 ТАЗ п) 0 (2.1)

Коэффициент аккомодации К — многофакторный параметр и, подобно степени черноты, зависит не только от состояния поверхности и рода материала, но и от состава и парциальных давлений газов, температуры и геометрии поверхностей.

-РО'СС.НЙО&А*

В решении прикладных задач определение коэффициента" ции имеет фундаментальное значение и полезно в плане выявления систематической погрешности экспериментальных измерений путем использования эталонного газа. Главное внимание уделяется моделированию термической ситуации в газовом зазоре.

Экспериментальная установка, моделирующая конкретную систему теплосброса, воспроизводит регулирование температуры цилиндра путем изменения состава и давления разреженных газов в зазоре при изменении теплового потока. Главный элемент установки - вакуумная камера с размещенной в ней измерительной ячейкой (рис. 2). Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рис. 3. Системы откачки, измерения давлений газов и защиты от попадания паров рабочих жидкостей и посторонних газов прогреваются при обезгаживании и снабжены охлаждаемыми ловушками. Рабочие диапазоны измерительных систем перекрывают друг друга и калибруются по показаниям абсолютных приборов, а парциальные давления и газовый состав рассчитываются в соответствии с данными масс-спектрометрии.

В основу стационарной методики измерения термического сопротивления газового зазора положен принцип поддержания постоянной температуры теплоизлучающего цилиндра изменением плотности теплового потока при установленном давлении газа. При этом контролируются газовый состав по масс-спектру, величина зазора с учетом теплового расширения и температурный перепад по показаниям термопар, заложенных на наружной поверхности теплоизлучающего цилиндра и внутренней стенке водоохлаждаемого цилиндра. Поправки на потери тепла излучением вносились после измерений в высоком вакууме. Статистическая погрешность устранялась измерениями гистерезисов термического сопротивления.

Результаты выполненных измерений термического сопротивления разреженных инертных газов Не, Аг, Хе и Кг представлены графиками на рис. 4. Обобщение экспериментальных данных проводилось в соответствии с зависимостью:

Я = С / 8 [Т|(п+1)- Тг(п+1)] + £1,2 • ст (Т|4 - Т24), (2-2) где: Сип- коэффициенты, свойственные конкретному газу.

При выявлении значения систематической погрешности измерений было вычислено значение коэффициента аккомодации энергии гелия в зазоре, составившее 0,33 ± 0,05, что согласуется с интервалом ожидаемых значений.

Использование полученных экспериментальных значений в системах регулирования температуры конкретных устройств требует разработки методических рекомендаций, исключающих влияние аномальных эффектов, встретившихся при проведении экспериментальных исследований. В числе аномалий зависимости термического сопротивления от давления газа отмечаются гистерезисные эффекты в диапазоне давлений от 4 торр для воздуха, до 400-1000 торр для гелия. Проявление гистерезисного эффекта отмечается на графике (рис. 4), например, для аргона и гелия. По выполненным оценкам границы давлений газа и величины отклонений от устойчивых значений термического сопротивления представляются таблицей 1.

Таблица

Границы значений неустойчивого поведения термического сопротивления газов

Гаэ Границы неустой- Давление макси- Максимальное Минимальное отчивости по давле- мального откло- отклонение, клонение, % нию, мм рт.ст. нения, мм рт. ст. %

Не 25-1000 155-200 60-70 15

Аг 3-55 12-13 40-50 20

В качестве предполагаемой причины появления гистерезисных эффектов в поведении термического сопротивления рассматривается влияние сорбционных процессов стенок оболочек по отношению к заполняющему газу на коэффициент аккомодации, значение которого увеличивается. Как видно из таблицы 1, сорбционное влияние стенки из нержавеющей стали в большей степени проявляется для гелия. Надо отметить, что для ксенона гистерезисные эффекты не были обнаружены, следовательно, высокая газопроницаемость гелия согласуется с его высокой сорбционной способностью и соответствует гипотезе.

Гистерезисные эффекты изменения термического сопротивления порождают сложности в градуировке температурных датчиков вакуума, работающих по принципу нагретой нити, в отмеченных диапазонах давлений и создают неопределенность при использовании разреженных газов в системах регулирования теплопередачи через многоэлементные структуры. Методический прием, позволяющий избежать влияние гистерезисных эффектов при регулировании, например, гелием, заключается в том, что установку заданной температуры следует проводить после продувки зазора гелием повышенного, свыше 1000 мм рт. ст., давления, иначе потребуется выдержка системы теплосброса в течение времени самоустранения гистерезисного эффекта.

3. КРИЗИСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕНА В УЗКИХ ВОДО-КОЛЫДЕВЫХ ЗАЗОРАХ

Применяемые в технике форсированного теплообмена водоохлаж-даемые тонкостенные оболочечные элементы порождают проблемы устойчивости потоков в тонких водокольцевых зазорах. В числе причин неустойчивости теплообмена рассматриваются факторы, связанные со структурной неоднородностью металла оболочки, влияния сил поверхностного натяжения и интенсивности газоотделения на профиль скорости потока. Все в комплексе оборачивается понижением значений критических тепловых потоков в процессах теплообмена при охлаждении и способно вызвать аварийные ситуации в системах теплосброса энергонапряженных конструкций.

Недостаток информации по методикам расчета теплообмена в тонких водокольцевых зазорах определяет необходимость проведения экспериментальной работы по физическому моделированию конкретных систем теплосброса.

Основные трудности проведения экспериментальных работ заключаются в осуществлении методик получения и обобщения результатов измерений. Процессы, протекающие в тонких водокольцевых зазорах, имеют неравновесный характер, а теплофизические свойства материалов и применяемые термодинамические параметры получены в равновесных условиях, поэтому весь набор измеряемых величин касается входного и выходного участков потока. Гидравлический поток в зазоре имеет струйный характер со сложной геометрией и плохо перемешивается наряду с формированием паровой фазы, которая способна распространяться в составе элементарной струйки по всей длине обогреваемого участка в виде фрагментированных парогазовых включений. Фазовые переходы в процессе нагрева охлаждающей жидкости, связанные с газовыделением и парообразованием в пределах элементарных струй, образуют местные завихрения потока и, создавая участки гидравлического сопротивления, способны вызвать пульсации расхода и давления в зазоре, что может привести к кризисам теплообмена.

Исследование критических тепловых потоков в тонких зазорах имеет целью выявление значений массовых скоростей и величин пульсаций давлений в момент, предшествующий наступлению кризиса, а также разработку мероприятий, способствующих повышению устойчивости теплообменной системы.

В серии экспериментов удалось выявить области устойчивого теплообмена, где кризисные явления не наблюдаются, и теплообмен происходит без пульсаций температур и давления, область неустойчивости, где возникающий кризис теплообмена устраняется увеличением расхода воды, и критическую область, в которой кризисные явления неустранимы (рис. 5а). В качестве конструктивной меры, позволяющей убрать область неустойчивости, предложена методика расчета и установки дросселирующей шайбы на выходном участке. При этом скачок давления, возникающий в зазоре при локальном кризисе, приводит к конденсации образующегося пара и турбули-зации потока в месте возникновения пятна.

Граница кризисной области обобщается зависимостью критического теплового потока от размерного фактора (<1/1), степени недогрева (Тх-Т):

Чркр = А • (<У£ ) • (Т5-Т) ■ Ср (р • V*), Вт/м2 (ЗЛ)

Корреляционный коэффициент А устанавливается в диапазоне массовых скоростей (р • лу) от 140 до 350 кг/м2. с величиной, зависящей от состояния греющей поверхности и концентрации растворенного в воде газа (рис. 56). В диапазоне массовых скоростей от 230 до 350 кг/м2. с наблюдаются концевые явления парообразования и закономерности, свойственные известным явлениям ухудшенного теплообмена, где турбулизация потока обусловлена существенной неравновесностью давления.

4. ТЕРМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК

Теплопроводность в твердых телах определяется действием 3-х основных механизмов, преобладающими в которых принимаются электронный и фононный, хотя вклад фононной составляющей, например в металлах, оценивается на уровне 1-2%. Определяя тепловую энергию физических тел интенсивностью колебаний узловых атомов, распространение энергии приписывают фиктивным частицам - фононам, длина пробега ^ которых определяется решеточной составляющей теплопроводности Я: где: С - теплоемкость; V - скорость звука, определяемая через модуль сжатия & и плотность р: равная порядка ~ 103 м/с для большинства материалов. Тогда, например, для керамик длина пробега составляет порядок 3-5 мкм, что соответствует среднему размеру зерна или расстоянию между дефектами кристалла.

Электронный перенос энергии узловых атомов определяется электропроводностью материала и зависит от концентрации и распределения свободных электронов, длина пробега которых соответствует

1 = 2 А. / пку, (4-2) где: п ~ ¡О22 см'3 - средняя плотность свободных электронов, V - их средняя скорость, к - постоянная Больцмана.

По разным оценкам, длина свободного пробега электронов составляет порядок 1 мкм, что соответствует размеру зерна металла или расстоянию между дефектами кристалла.

Коэффициент теплопроводности X, Вт/ мК, входящий в числитель формул (4.1) и (4.2) - экспериментально определяемая величина по гипотезе Био-Фурье:

К2/А = -Л(<1Т/<1х)-Р. (43>

Замена градиента температуры в (4.3) конечными разностями приводит к неоправданной методике экспериментального определения коэффициента теплопроводности, например для пластины:

Х = ч-5/АТ, (4-4) где: я - расчетная плотность теплового потока, Вт/м2, 5 - толщина пластины, м, ДТ - установившийся температурный перепад на краях пластины, К.

Для обоснованности такой замены принимают в основу положение об однородности, сплошности, статичности и изотропности физических тел по отношению к механике теплового переноса, что позволяет не рассматривать эффекты рассеяния энергии с позиций термодинамики неравновесных процессов и применять методики определения температурного распределения, базируясь на решении уравнения теплопроводности и внедренных в расчеты значениях термического сопротивления, например, для тонкостенной оболочки в виде: и = 5/а,. (4.5)

Практика расчетов и измерений термического сопротивления размерных физических тел, температурного распределения соответствует погрешности температурных измерений в характерных соотношениях АТ / ц и 5, когда 5 превышает порядок 10'2 м, а плотность теплового потока в 3-5 Вт/см2 соответствует уровню температуры до 600°С.

Однако, если принять в основу статистические особенности теплового рассеяния энергии в определении градиента температуры, приходим, с позиции неравновесной термодинамики, к зависимости с! Т / ах = Е / (к -Л.) - а Б/ <11 • Р, ■ (4.6) в которой коэффициент теплопроводности имеет смысл локальной температуры, т.е. энергии узлового атома. Тогда положение закона Фурье о однородности и изотропности справедливо на уровне зерна идеально-мозаичного кристалла кубической структуры, соответственно, и методика определения коэффициента теплопроводности может быть построена на физических измерениях температурного перепада граней идеального кристалла. Поликристаллические и аморфные материалы, рассеивая энергию на дефектах границ, сдвигают определение однородности и изотропности в размерные рамки экспериментально определяемых величин.

Конструкционные элементы, составляющие тонкостенные оболочки, представляются в виде систем многослойных структурных образований, отклоняющихся от предположений сплошности, изотропности и структурной однородности, заложенных в теоретические основы теплопроводности материалов. В этой связи предполагается, что поверхностные структуры материала оболочки могут представить собой участки повышенного, по сравнению с объемными элементами, термического сопротивления, расчет которого осложняется неопределенностью структурно-пространственного распределения. Имея в виду, что поверхностные структурные аномалии материалов распространяются на глубину 100-200 мкм при фиксируемых в экспериментальной практике отклонениях температурного профиля в 20-30 К от расчетного значения, можно предположить, что эффективная теплопроводность поверхностного слоя отличается в 200-250 раз от теплопроводности базовой структуры материала, что обычно вызывает сомнения в достоверности температурных измерений. Однако, известные явления спекания металлов и керамик при температурах (0.6 - 0.8) Т пл., процессы перекристаллизации, происходящие твердофазные реакции, явления поверхностной диффузии и гетерогенного катализа, контактной сварки можно объяснить в рамках единого механизма в предположении повышенных локальных температур приграничных структурно неоформленных элементов.

Представляя перенос тепла в тонкостенных оболочках связанным с релаксационными явлениями формирования теплового потока в поверхностном слое тепловоспринимающей поверхности оболочки волновым процессом передачи теплового излучения от внешнего источника и последующей трансформацией теплового потока в тепловое излучение на поверхности излучающей стенки оболочки, отстоящей на расстоянии (1, пользуясь представлениями о интерференционных максимумах, предложим, что за время релаксации I энергия поверхностных атомов превышает энергию атомов базовой структуры, подобно энергии аккомодации в разреженных газах. Считая время релаксации теплового возмущения пропорциональным четной полуволне интерференционного максимума 26!\, где V — скорость распространения теплового фронта, и пользуясь выражением граничного температурного перепада в виде: где ц - плотность теплового потока, а - коэффициент температуропроводности, I- время, имеем зависимость для определения значения коэффициента эффективной теплопроводности: ф=(1Г{\1К4^ + сИЛ). (4.7)

Коэффициент аккомодации К определяется по экспериментальным данным.

Термические процессы, связанные с изменениями структурной однородности материалов, в той или иной степени влияют на значения коэффициента теплопроводности и определяют экспериментальные подходы к кондиционированию образцов. Самый распространенный способ кондиционирования - длительный термический отжиг при температуре, соответствующей измерениям, что «снимает историю» получения исходной структуры материала. Однако, встречаются материалы, типа неравновесных твердых растворов, где появляются такие эффекты, как например, «памяти» металлов (ниобиевые сплавы). Измерения коэффициентов теплопроводности в таких системах осложняются невоспроизводимостью результатов и характеризуются гистерезисными проявлениями. Этот момент делает невозможным кондиционирование образцов при проведении измерений термических сопротивлений в тонкостенных оболочечных элементах и вносит существенную статистическую погрешность в определение коэффициента аккомодации.

Время отжига образца материала при кондиционировании зависит от толщины стенки, температуры, технологических условий подготовки и предшествующей истории получения, фиксирующей состав кристаллической решетки и соотношения между аморфной и кристаллической составляющими. Например, известные бейнитные превращения в сталях происходят в широком температурном диапазоне за время, исчисляемое десятками и сотнями часов. В этой связи трудно ожидать воспроизводимых данных измерений термического сопротивления в образцах сталей, пока не завершится перестройка структуры. В ниобиевых сплавах явления структурной перестройки обратимы, соотношение между аморфной и кристаллической составляющей подчинено температурно-временным характеристикам и образует стойкую невоспроизводимость результатов измерений теплопроводности.

5. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСБРОСА.

Наряду с физическими экспериментами выполнена работа по численному исследованию процессов теплопередачи в системах теплосброса (СТС).

Моделирование велось по трем основным направлениям.

1. Исследование температурного поля в поперечном сечении СТС ( в системе координат Л,ф) с целью: определения величины температурного перекоса по углу на коллекторе из-за наличия в СТС вакуумио-реберного зазора. Этот температурный перекос не должен превышать строго заданной величины (3 К) и зависит от количества и толщины ребер; получения оптимальной температуры коллектора при заданном тепловом потоке в зависимости от числа и толщины ребер в вакуумном зазоре; получения зависимости температуры коллектора от давления инертного газа в газовом зазоре, Используя при расчете полученные нами экспериментальные данные .по термическому сопротивлению газов.

2. Исследование теплообмена в узких водокольцевых каналах (в системе координат г,г) с целью: определения зависимости между расходом жидкости и явлением кризиса теплообмена; получения и анализа температурного перекоса по высоте канала на внутренней и внешней стенках при тепловом потоке, изменяющемся по закону q = q0 sin

3. Исследование влияния теплового расширения на температурное поле многослойной системы с целью обнаружения возможного нарушения контакта между слоями й изучения влияния этого нарушения на температурное поле.

В соответствии с поставленными задачами по каждому направлению совместно с соавторами были разработаны математические модели в виде систем дифференциальных уравнений со специфическими граничными и начальными условиями, которые реализованы с помощью численной экономичной разностной схемы с расщеплением и с использованием физических параметров, полученных непосредственно в экспериментах.

С помощью программы расчета температурных полей в поперечном сечении конструкции проведены исследования влияния теплового расширения на температурное поле, которые показали, что в коллекторных пакетах наблюдаются периодические расслоения, приводящие к колебанию температуры во всей конструкции, включая поверхность коллектора. Характер этих колебаний (амплитуда, частота, время начала, время окончания) являются функцией мощности теплового потока. Время образования и исчезновения зазора (в зависимости от мощности) меняется от 0.02 до 0.4 сек. Выявлены следующие общие закономерности. При больших потоках, 50 Вт/см2 и более, температурные колебания непродолжительны во времени и заканчиваются задолго до выхода на стационарный режим. При меньших потоках процесс стабилизации температуры более растянут во времени, а при потоках 10 Вт/см2 и менее температурные колебания затухают в стационарном режиме. Во всех случаях периоду стабилизации предшествует характерный всплеск температуры с последующим ее понижением. Эти результаты подтверждаются экспериментальными данными.

Программа, моделирующая теплообмен в узком водокольцевом канале, учитывает нагрев воды по мере ее продвижения по каналу, изменение ее свойств и режимов теплообмена со стенкой. Коэффициент теплоотдачи, в зависимости от координаты z (высоты канала), вычисляется с учетом состояния теплоносителя: ламинарный или турбулентный режим течения, развитое кипение, поверхностное кипение. Определяется критический тепловой поток и граничное паросодержание.

Полученные результаты показывают, что при потоках q>50 Вт/см2 неизбежно развивается кризис кипения и увеличение расхода жидкости не приводит к его устранению. Поток тепла, распределенный по закону q = q() sin (-у), создает перепад температуры по высоте таким, что эффективная поверхность теплообмена сокращается на 50%.