автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Анализ особенностей распределения температур в конструкционных материалах теплообменных аппаратов

УЛТУТТ; "»Г" " 1 С1" « На правах рукописи

КУРОЧКИН Илья Александрович

АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР В КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Специальность: 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Московском государственном текстильном университете имени А. Н. Косыгина на кафедре «Промышленная теплоэнергетика».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

1. Доктор технических наук, профессор Тюрин Михаил Павлович

2. Кандидат технических наук Ионов Владимир Геннадьевич

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие Научный Исследовательский Институт Атомного Энергетического Машиностроения

Защита состоится «_»_2005 года в_час. на заседании

диссертационного совета Д.212.139.03 при Московском государственном текстильном университете им. А. Н. Косыгина по адресу: 119991, Москва, Малая Калужская ул., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного текстильного университета имени А. Н. Косыгина. Автореферат разослан «_»_2005 г.

доктор технических наук, профессор

Охотин Александр Сергеевич

Ученый секретарь диссертационного совет д.т.н., профессор

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность работы любого теплоэнергетического оборудования, в том числе и оборудования текстильной и легкой промышленности, а также методы её повышения достаточно хорошо известны и изучены. Как правило, они сводятся к различным конструктивным способам увеличения коэффициентов теплопередачи, включающим методы увеличения коэффициентов теплоотдачи и уменьшения теплового сопротивления материалов. Определение этих параметров в расчетах проводят в настоящее время при средних значениях теплофизических параметров, что на практике, особенно в телах, имеющих сложную, разупорядоченную структуру строения, не наблюдается. Особенно проблематичным при конструировании энергетического оборудования является более точный расчет коэффициентов теплопередачи, заключающийся, прежде всего, в учете температурной зависимости таких теплофизических свойств, как теплопроводность и подвижность. Хотя учет температурной зависимости этих параметров достаточно детально рассматривался в ряде работ, решение проблемы сводится в основном к введению поправок в соответствующие критериальные уравнения.

Актуальность работы, как в научном, так и в практическом значениях очевидна. Оптимальное конструкционное и режимное исполнение любого теплообменного аппарата определяет возможность его рационального практического применения, включая решение вопросов теплоснабжения и энергосбережения.

Применение моделей подвижности и релаксации процессов переноса тепла и импульса позволяет получить достаточно точные полуэмпирические закономерности температурной зависимости теплофизических свойств различных материалов. Подстановка этих зависимостей в критериальные уравнения позволяет выполнить решение моделей, описывающих протекание процессов в теплообменниках с учетом переменности этих свойств.

В данной работе быша поставлена задача установить механизмы переноса и рассеяния тепла в структурно разупорядоченных материалах, что позволяет получить достаточно точные закономерности температурной зависимости теплофизических свойств и дает возможность учета их переменности при решении большинства научных и практических задач, связанных с проектированием и эксплуатацией теплоэнергетического оборудования.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации является теоретическое и экспериментальное установление температурной зависимости теплофизических свойств материалов, имеющих разупорядоченную структуру и широко используемых при проектировании и конструировании различного теплообменного оборудования. Детальный учет этих свойств позволит интенсифицировать теплообменные процессы и минимизировать тепловые потери в элементах конструкции теплообменных аппаратов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Выбор исследованных в ходе работы материалов произведен на основании графического анализа температурной зависимости теплопроводности различных веществ, при этом основным критерием отбора являлся рост значения теплопроводности с увеличением температуры вещества. В диссертации рассмотрены следующие группы малоизученных материалов, применяемых при конструировании элементов современного теплообменного оборудования: металлы, имеющие разупорядоченную структуру вследствие неоднородного химического состава, а также ряд теплоизоляционных материалов. В исследованных металлах указанный рост коэффициента теплопроводности с температурой является положительным фактором, так как данные материалы при высоких рабочих температурах имеют низкое термическое сопротивление, а, следовательно, процесс теплообмена при их использовании значительно интенсифицируется. Температурный рост теплопроводности исследованных теплоизоляционных и строительных материалов оказывает существенное влияние на диапазон их практического применения. Анализ температурной зависимости теплофизических параметров этих веществ позволит рекомендовать оптимальные температурные интервалы применения тепловой изоляции, изготовленной на их основе.

Для выбранной группы веществ на основе моделей подвижности и релаксации носителей тепла проведен численный анализ температурных зависимостей электронной и фононной теплопроводности и подвижности. Построены графические зависимости, иллюстрирующие динамику этих параметров.

На основе проведенных расчетов сделан вывод о возможности использования моделей подвижности и релаксации носителей тепла для определения механизмов рассеяния и переноса в материалах с гетерогенной (пористой) структурой.

Выполненное на созданной для этой цели установке с помощью тепловизионной системы ТквгпаСЛМ 8С 3000 экспериментальное исследование температурных полей теплоизоляционных материалов на основе иглопробивных нетканых полотен позволило рассчитать коэффициенты теплопроводности данных текстильных материалов. Полученные экспериментальным путем значения теплопроводности были сравнены с данными, приведенными в справочной литературе, и показали хорошую сходимость.

Основные научные результаты, полученные лично аспирантом и их научная новизна заключается в следующем:

- построении с помощью моделей подвижности и релаксации температурной зависимости коэффициента теплопроводности и подвижности;

- теплофизическом модельном обосновании возможности использования моделей подвижности и релаксации носителей тепла для определения механизмов рассеяния и переноса в конструкционных материалах с разупорядоченной структурой;

- определении на основе данных моделей изменения теплофизических

параметров в материалах с гетерогенной (пористой) структурой.

Анализ процессов переноса и рассеяния тепла в структурно разупорядоченных материалах на основе моделей подвижности и релаксации позволил уточнить значения исследуемых теплофизических параметров этих веществ, а также получить новые справочные данные по ряду ранее не изучавшихся современных конструкционных материалов.

Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в установлении теоретически обоснованного подтверждения положения, заключающегося в том, что значения коэффициентов теплопроводности, установленные экспериментально и рассчитанные с учетом температурной зависимости теплофизических свойств, превышают на 20% значения, рассчитанные при средних значениях данных параметров.

Учет температурной зависимости теплофизических характеристик конструкционных материалов позволяет при проектировании и эксплуатации теплоэнергетического оборудования учитывать их влияние на эффективность работы данного оборудования и создавать более компактные и энергоемкие аппараты, использующие рассмотренные и исследованные в работе материалы.

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертации, были опубликованы и докладывались на научно-технических конференциях и конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Ml ГУ в 2001-2004 гг.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения.

Работа изложена на, 150 страницах машинописного текста и содержит 47 рисунков, 1 б таблиц, список использованной литературы из 74 наименований.

В первой главе диссертации отмечены особенности строения и физических свойств исследуемых материалов, а также области их практического применения.

Во второй главе проведен теоретический анализ существующих моделей, описывающих механизм теплопроводности кристаллических и разупорядоченных структур, отмечены особенности переноса тепла в структурно разупорядоченных средах.

В третьей главе проведен выбор (и его обоснование) моделей подвижности и релаксации носителей тепла в виде температурных зависимостей теплопроводности и подвижности для исследования температурной зависимости теплопроводности материалов с разупорядоченной структурой, а также численный анализ температурных зависимостей электронной и фононной теплопроводности и подвижности этих материалов. Построены графические зависимости, иллюстрирующие динамику данных параметров.

В четвертой главе исследованы температурные поля на поверхности тепловой изоляции на основе иглопробивных нетканых полотен. Исследование позволило рассчитать коэффициенты теплопроводности данных текстильных материалов, применяемых в теплоэнергетике. Приведена конструкция

лабораторного стенда для исследования теплопроводности. Представлены результаты эксперимента и проведен их графический анализ

В приложении к диссертации приведены теплофизические характеристики группы исследуемых материалов, программа для ЭВМ по расчету теплофизических характеристик в виде степенных функций температуры

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Первая глава содержит информацию о применении в промышленности текстильных структурно разупорядоченных материалов.

Экономия топливно-энергетических ресурсов приобретает в настоящее время все большее значение, так как имеет значительно более высокую рентабельность по сравнению с увеличением объемов добычи топлива и строительством новых мощностей по производству энергии Существенная роль в решении проблемы экономии тепловой энергии принадлежит конструкционным материалам, применяемым при проектировании и изготовлении теплообменных аппаратов, а также высокоэффективной тепловой изоляции.

Использование конструкционных материалов, обладающих высокой теплопроводностью в рабочем интервале температур наряду с эффективной теплоизоляцией приводит к существенному снижению энергозатрат, что не только сокращает расход энергии на отопление зданий, но и, в конечном итоге, позволяет защитить атмосферу от загрязнения.

Тепловая изоляция промышленных трубопроводов обеспечивает энергосбережение, а также позволяет проводить технологические процессы при заданных параметрах, создавать безопасные и комфортные условия работы обслуживающего персонала, с меньшими потерями транспортировать тепло от источника до потребителя. Кроме того, тепловая изоляция предотвращает замерзание холодной воды в трубопроводах в зимнее время года, позволяет хранить сжиженные и природные газы в изотермических хранилищах, обеспечивает снижение энергозатрат на отопление зданий и сооружений.

Ужесточение энергосберегающей политики и введение новых норм плотности теплового потока требует применения при проектировании и конструировании элементов современного теплообменного оборудования материалов нового поколения с улучшенными теплотехническими свойствами

Примером таких материалов могут служить текстильные материалы на основе различных полимерных веществ. Важной отличительной особенностью текстильных полимерных веществ является их способность к проявлению высокой анизотропии физических свойств. Эта способность наиболее ярко выражена в возможности изготовления эффективной тепловой изоляции, получившей большое техническое использование

Тепловая изоляция, изготовленная с применением текстильных полимерных веществ, обладает низкой теплопроводностью, высокой эксплуатационной надежностью и долговечностью, а также пожаробезопасностью и удобством монтажа.

В настоящее время в промышленной теплоэнергетике широко используют различные категории теплоизоляционных материалов на основе полимерных веществ:

- маты минераловатные прошивные безобкладочные или в обкладках из металлической сетки, стеклоткани или крафт-бумаги с одной или двух сторон;

- изделия минераловатные с гофрированной структурой для промышленной тепловой изоляции;

- плиты теплоизоляционные минераловатные на синтетическом связующем;

- изделия из стеклянного штапельного волокна на синтетическом связующем.

Однако как в старой, так и новой нормативно-технической документации отсутствуют достоверные данные по теплофизическим характеристикам указанных волокнистых теплоизоляционных материалов. Данные по коэффициентам теплопроводности теплоизоляционных материалов в конструкциях, приведенные в СНиП 2.04.14-88, не охватывают всю номенклатуру существующих в настоящее время теплоизоляционных материалов и давно устарели. Отсутствие указанных характеристик для широкого спектра новых теплоизоляционных и конструкционных материалов не позволяет обоснованно применять их при проектировании теплоэнергетического оборудования, что сдерживает практическое применение этих материалов в промышленности.

Вторая глава содержит модели переноса и механизмы рассеяния тепла в материалах.

Анализ механизмов переноса и рассеяния носителей тепла в конструкционных структурно разупорядоченных материалах предлагается проводить с использованием моделей подвижности и релаксации.

Согласно классической теории величина коэффициента теплопроводности составляет

где: с - удельная теплоемкость, - плотность, - средние скорость

носителей тепла и длина их свободного пробега. Эту зависимость можно представить в виде:

где - среднее время релаксации носителей тепла.

В металлах, электронных расплавах и полупроводниках носителями тепла являются свободные электроны. Анализ механизмов рассеяния и переноса следует проводить в этом случае на основе следующих зависимостей

Ь = (3)

Наиболее достоверное представление о механизмах рассеяния носителей тепла, являющихся определяющими в моделях теплопроводности, дает величина их подвижности. При переносе тепла электронами величина подвижности определяется из соотношения

л а

и, =—-¡-е Э ^ '

(5)

Входящий в данную формулу коэффициент температуропроводности определяется по формуле

Для неэлектропроводящих веществ в твердой и жидкой фазах носителями тепла являются фононы. Анализ механизмов рассеяния и переноса следует проводить в этом случае на основе следующей зависимости:

Чг?м§)-

(7)

Основным механизмом, определяющим подвижность носителей, является их рассеяние на частицах и структурных дефектах веществ. В этом случае главной задачей модели подвижности становится определение вида её температурной зависимости типа и по вычисленному значению степени

<а» установление вида рассеяния носителей переноса.

Однако необходимо подчеркнуть, что т.к. как правило при переносе тепла их носители испытывают рассеяния на различных объектах (электроны, фононы, примеси и др.), то значение степени «х» является некой средней величиной и определить точно вид рассеяния часто бывает не так просто.

Характерной чертой релаксационной модели явлений переноса является попытка описания переноса тепла, массы и импульса в веществе с единых позиций.

Данное описание основано на выражении теплопроводности в модели идеального газа, которое можно представить в виде

Х = \сру.

(V Г Г.

в\зв р)

(8)

3 ' ' з«^

Принятое в литературе выражение для среднего времени релаксации имеет вид

Идеализированная величина времени релаксации определяется по где: Й = А/2я".

Среднее реальное время релаксации в случае переноса энергии определяется из соотношения

(Н)

Доля актов рассеяния, влияющих на перенос энергии и равна

(12)

где

Все перечисленные выше модели, однако, не позволяют дать однозначного ответа на механизм рассеяния носителей тепла. Так, определяющая этот механизм в релаксационной модели величина степени п во времени релаксации не соотнесена с видом рассеяния при любой взятой температуре. Наиболее разработанной в этом отношении является модель подвижности, где величина степени х температуры позволяет качественно указать вид рассеяния носителей переноса.

Третья глава содержит анализ процессов переноса тепла на основе моделей подвижности и релаксации.

Все сказанное в приведенных выше моделях переноса тепла в структурно разупорядоченных материалах позволило установить следующий порядок анализа их электронной и фононной теплопроводности. Для выбранной группы материалов по температурным зависимостям теплопроводности, теплоемкости, плотности определялись значения температуропроводности и подвижности. На основе этих данных рассчитывались степени температурного изменения величин теплопроводности тепловой подвижности электронов

хы(,и„~^"")> а также значения п - доли актов рассеяния, влияющих на процесс переноса энергии.

Выбор исследованных в ходе работы конструкционных материалов произведен на основании графического анализа температурной зависимости теплопроводности различных веществ, при этом основным критерием отбора являлся рост значения теплопроводности с увеличением температуры вещества.

Сравнение теоретических расчетов со значениями теплопроводности и определяющих ее параметров проводили на таких характерных химических элементах, необходимый набор свойств которых был достаточно хорошо экспериментально исследован.

В ходе работы были рассмотрены следующие группы материалов:

1. Сплавы цветных металлов:

- алюминиевые сплавы: АД-1, АМг5, АМгб, АМгЗ, Д16;

- медный сплав Константан;

- титановые сплавы: ВТ5-1, ВТ6, ВТ14.

2. Стали: 12Х18Н10Т, 12Х25Н16Г7АР, 12Х18Н9Т.

3. Окислы: АЬОз, SiO2 (плавленый кварц, кварцевое стекло).

4. Теплоизоляционные материалы:

- вата минеральная: марки 75,100,125,150,200,250;

- вата стеклянная: марки 130,150,200,230;

- асбест: длинноволокнистый, марки 100,200,300,400,500,800,

- диатомовый кирпич.

Проведенный в работе анализ температурных зависимостей теплопроводности и подвижности указанных веществ показывает, что в реальных телах при очень низких температурах (Г<50-70 К) определяющим процессом рассеяния носителей является их взаимодействие с границами образца, так как при таких низких температурах длина свободного пробега делается соизмеримой с размерами тела. В данном случае зависимость подвижности II от температуры пропорциональна Г3, причем меньшее значение степени соответствует дополнительному неупругому рассеянию на границах образца, а большее - соответствует упругому рассеянию на границах образца.

При больших значениях температур (7>50-70 К), движение носителей определяется их рассеянием на тепловых колебаниях решетки, т е. на фононах. В этом случае зависимость подвижности II от температуры пропорциональна Г15. Однако помимо основных видов рассеяния существуют также добавочные механизмы рассеяния, обусловленные наличием примесей, что приводит к отклонению значения степени <х> от указанного -1,5, причем степень *>-1,5 соответствует упругому рассеянию на примесях, а степень *<-1,5 соответствует неупругому рассеянию на инородных примесях.

Проведенные в ходе анализа температурных зависимостей теплопроводности и подвижности расчеты и сравнение полученных результатов с литературными данными позволяет сделать вывод о возможности использования моделей подвижности и релаксации носителей тепла для определения механизмов рассеяния и переноса в материалах с гетерогенной (в частности - пористой) структурой.

Четвертая глава содержит экспериментальное исследование температурной зависимости теплопроводности пористых материалов.

Экспериментальное исследование теплофизических параметров рассматриваемых в диссертации веществ было предложено проводить на основе метода регулярного режима первого рода. Из всех рассмотренных в ходе работы нестационарных режимов системы этот режим - самый простой с точки зрения реализации.

Для экспериментального определения тепловых свойств исследуемой группы материалов на примере нетканых текстильных полотен была разработана экспериментальная установка, схема которой представлена на рисунке 1.

В результате проведенных на данной лабораторной установке исследований получен набор термографических изображений процесса охлаждения исследуемых образцов нетканых иглопробивных материалов.

На основании анализа полученных в ходе эксперимента термограмм построены полулогарифмические графики охлаждения образцов различной

поверхностной плотности, при помощи которых по формуле

ж = " (13)

г„ -т,

где и-9 = 9 - разность температур фиксированной точки тела и температуры среды в, найдены значения их темпа охлаждения т

По известным величинам темпа охлаждения т по формуле

а = К-т, (14)

была вычислена температуропроводность исследованных полотен а, а также значения коэффициента теплопроводности X.

Входящий в формулу (14) коэффициент пропорциональности К имеет размерность площади, выражается в ^ и зависит от формы и размеров тела Для некоторых форм К можно найти расчетным путем, зная характерные размеры тела, для любой формы его можно найти полуэкспериментальным путем

Рис 1 Схема экспериментальной установки для исследования тепловых свойств материалов

1 - тепловизионная система, 2 - персональный компьютер, 3 - жидкостный термометр, 4 -система нагрева образца, 5 - милливольтметр, 6 - автотрансформатор, 7 -теплоизолированный шкаф, 8 - набор термопарных датчиков, 9 - амперметр

Выполненное таким образом экспериментальное исследование температуропроводности теплоизоляционных материалов на основе иглопробивных нетканых полотен позволило рассчитать коэффициенты их теплопроводности Полученные экспериментальным путем значения теплопроводности были сравнены с теоретическими данными, приведенными в литературе, и показали хорошую сходимость.

Для экспериментального исследования температурных полей на поверхности тепловой изоляции на основе текстильных полотен различной пористости была разработана экспериментальная установка (рис 2), которая включает в себя следующие функциональные узлы - исследуемый образец,

- система нагрева и термостатирования исследуемого образца;

- регулятор мощности нагревательного элемента;

- измерительная система.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки для исследования тепловых полей на поверхности тепловой изоляции:

1- теплоеизионная система, 2 - персональный компьютер, 3 - жидкостный термометр, 4 -

алундовая трубка с встроенным электронагревателем, 5 - милливольтметр; 6 -автотрансформатор, 7 - теплоизолированный шкаф, 8 - набор термопарных датчиков, 9 -

амперметр

Исследуемый образец - нетканое полотно, изготовленное из полипропилена, в виде трубчатой изоляции с внутренним диаметром dB„ =30 мм.

Система нагрева исследуемого образца представляет собой алундовую трубку с наружным диаметром d„ = 30 мм с встроенным электронагревателем, мощность которого регулируется автотрансформатором Контроль температуры на поверхности алундовой трубки осуществляется набором термопарных датчиков хромель-копель, вмонтированных в трубку. Переключение термопар осуществляется переключателем, съемка показаний температур - потенциометром.

Термостатирование системы нагрева и исследуемого образца осуществляется в герметичном шкафу двойной изоляцией, первый слой -асбестовая панель толщиной 20 мм, второй - алюминиевая фольга для снижения тепловых потерь излучением.

Измерительная система состоит из тепловизионной системы на базе инфракрасной камеры ThermaCAMSC 3000, а также персонального компьютера с установленным на нем пакетом программ Age ma Research.

В ходе проведения экспериментальных исследований при помощи описанной выше установки получен набор термографических изображений

температурных полей на поверхности материала, изготовленного в виде трубчатой изоляции, при различных значениях мощности теплового потока и толщинах изоляционного слоя.

На основании анализа полученных термограмм построены графические зависимости распределения температуры вдоль исследуемой поверхности тепловой изоляции, которые представлены на рис. 3 сплошной линией,

При помощи вмонтированных в алундовую трубку термопарных датчиков хромель-копель установлены значения температур на поверхности алундовой трубки.

По известным величинам плотности линейного теплового потока и теплопроводности исследуемого образца были вычислены значения температур на поверхности тепловой изоляции при различной мощности теплового потока и толщине тепловой изоляции.

По результатам расчета построены графические зависимости распределения температуры по поверхности тепловой изоляции, изображенные на рис. 3 пунктирной линией.

Рис. 3. Распределение температуры вдоль поверхности трубчатой тепловой изоляции при различных значениях мощности теплового потока: а - толщина изоляции 5 мм, б - толщина изоляции 10 мм.

Анализ графиков, представленных на рисунках За и 36 показывает, что распределение температуры вдоль поверхности трубчатой тепловой изоляции неравномерно по длине рассматриваемого участка. Температура поверхности исследуемой тепловой изоляции в центральной части рабочей ячейки остается практически постоянной. Незначительные колебания температур по длине рабочего участка объясняются неоднородностью поверхности материала, из которого выполнена исследуемая в ходе эксперимента изоляция. На концевой части теплоизоляционного слоя на участке длиной порядка 8 мм наблюдается снижение значения температуры исследуемой поверхности на 1,2 "С, что объясняется дополнительными тепловыми потерями с торцевой части трубчатой тепловой изоляции. Данные потери возрастают с увеличением толщины слоя, а также с ростом мощности теплового потока При толщине образца 10 мм снижение температуры на торцевой части изоляции составляет 2,1У.

Расчетным путем было показано, что уменьшение тепловых потерь достигается путем увеличения пористости торцевой части нетканого материала, используемого для изготовления тепловой изоляции, что позволяет локально существенно снизить его теплопроводность и приводит к уменьшению тепловых потерь, обусловленных растечкой теплового потока на торцевых поверхностях.

Сравнение экспериментальных значений распределения температур (сплошная линия) на поверхности трубчатой тепловой изоляции, изготовленной из нетканого текстильного материала, со значениями, полученными в ходе проведения расчета (пунктирная линия), показывает приемлемую сходимость результатов. Расхождение расчетных и экспериментальных значений температур не превышает 8 %, причем на всем рассматриваемом рабочем участке изоляционного материала расчетные значения температур немного превышают экспериментальные. Такое незначительное отклонение объясняется дополнительными тепловыми потерями, не учтенными использованной теоретической моделью.

Полученные в ходе теоретического и экспериментального исследований результаты и их удовлетворительная сходимость позволяют сделать вывод о возможности применения предложенных выше моделей для описания и установления механизмов переноса и рассеяния тепла в современных конструкционных материалах теплообменных аппаратов, а также экспериментального определения теплофизических свойств этих веществ.

ВЫВОДЫ

1. Отмечены особенности и области применения в промышленности современных конструкционных и теплоизоляционных материалов на основе текстильных структурно разупорядоченных веществ.

2. Проведен теоретический анализ существующих моделей, описывающих механизм теплопроводности кристаллических и разупорядоченных структур, отмечены особенности переноса тепла в структурно разупорядоченных средах.

3. Проведен выбор (и его обоснование) моделей подвижности и релаксации носителей тепла в виде температурных зависимостей теплопроводности и подвижности для исследования температурной зависимости теплопроводности различных конструкционных материалов.

4. На основании графического анализа температурной зависимости теплопроводности различных веществ проведен отбор материалов, применяемых при конструировании элементов современного теплообменного оборудования, теплопроводность которых возрастает с увеличением температуры.

5. Проведен численный анализ температурных зависимостей электронной и фононной теплопроводности, а также электронной и фононной подвижности этих материалов Построены графические зависимости, иллюстрирующие динамику этих параметров.

6. Выполнено экспериментальное исследование температурных полей на поверхности ряда текстильных полотен, которое позволило рассчитать коэффициенты теплопроводности данных материалов, применяемых в теплоэнергетике при конструировании элементов современного теплообменного оборудования.

7. Выполнено экспериментальное исследование температурных полей на поверхности теплоизоляционных материалов на основе иглопробивных нетканых полотен.

8. На основе полученных результатов сделан вывод о возможности применения предложенных выше моделей для описания и установления механизмов переноса и рассеяния тепла в современных конструкционных материалах теплообменных аппаратов, а также экспериментального определения теплофизических свойств этих веществ

« #25^35

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

1. Особенности расчетов процессов тешюпереноса на основе моделей подвижности и релаксации носителей тепла / Под ред. Охотина А.С. - М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2001. - 233 с.

2. Курочкин ИА Применение тепловизоров в теплофизических исследованиях // Всероссийская ' научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2002): Тез. докл. - М., 2003. - С.168.

3. Капитанов А.Ф., Марюшин ЛА, Люсова Н.Е., Курочкин И.А Исследование процесса вытягивания методом термографии // Всероссийская научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2003): Тез. докл. - М., 2003. - С. 32-33.

4. Марюшин Л.А., Курочкин И.А., Кузнецова Т.А. Тепловой расчет элементов автоматической аппаратуры на основе пластинчатых полупроводников. - 6 с. - Деп. в ВИНИТИ, 26.02.2003., № 361-В2003.

5. Марюшин Л.А., Курочкин И А, Кузнецова ТА Исследования тепловыделений в полупроводниковых устройствах. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ, 26.02.2003., № 360-В2003.

ИД №01809 от 17.05.2000

Подписано в печать 11.01.05 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печл. 1,0 Заказ 2 Тираж 80

МГТУ им. А.Н. Косыгина, 119991, Москва, ул. Малая Калужская, 1

ВВЕДЕНИЕ.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ ТЕКСТИЛЬНЫХ СТРУКТУРНО РАЗУПОРЯДОЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1. Особенности строения и физических свойств полимеров.

1.2. Текстильные материалы и изделия на основе полимерных веществ.

1.2.1. Тепловая изоляция промышленных трубопроводов.

1.2.2. Тепловая изоляция в строительстве.

1.2.3. Фильтрующие элементы на основе полимерных нетканых материалов.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИ ПЕРЕНОСА И МЕХАНИЗМЫ РАССЕЯНИЯ ТЕПЛА В МАТЕРИАЛАХ.

2.1. Модель подвижности носителей переноса.

2.2. Основы релаксационной модели переноса.

2.3. Модель переноса тепла в структурно разупорядоченных средах.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ТЕПЛА НА ОСНОВЕ МОДЕЛЕЙ ПОДВИЖНОСТИ И РЕЛАКСАЦИИ.

3.1. Анализ переноса тепла в материалах с разупорядоченной структурой.

3.2. Анализ электронного теплопереноса в металлах и окислах.

3.2.1. Сплавы цветных металлов.

3.2.2. Стали.

3.2.3. Окислы.

3.3. Анализ теплопроводности в теплоизоляционных и строительных материалах.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4.1. Влияние включений воздуха на перенос тепла в пористых материалах.

4.2. Методы определения тепловых свойств материалов, основанные на регулярном режиме первого рода.

4.3. Описание экспериментальной установки для исследования тепловых свойств материалов.

4.4. Анализ полученных экспериментальных данных по определению теплопроводности пористых материалов.

4.5. Описание экспериментальной установки для исследования температурных полей на поверхности тепловой изоляции.

4.6. Анализ результатов исследования температурных полей на поверхности тепловой изоляции.

ВЫВОДЫ.

Эффективность работы любого теплоэнергетического оборудования, в том числе и оборудования текстильной и легкой промышленности, а также методы её повышения достаточно хорошо известны и изучены. Как правило, они сводятся к различным конструктивным способам увеличения коэффициентов теплопередачи, включающим методы увеличения коэффициентов теплоотдачи и уменьшения теплового сопротивления материалов. Определение этих параметров в расчетах проводят в настоящее время при средних значениях теплофизических параметров, что на практике, особенно в телах, имеющих сложную, разупорядоченную структуру строения, не наблюдается. Особенно проблематичным при конструировании энергетического оборудования является более точный расчет коэффициентов теплопередачи, заключающийся, прежде всего, в учете температурной зависимости таких теплофизических свойств, как теплопроводность и подвижность. Хотя учет температурной зависимости этих параметров достаточно детально рассматривался в ряде работ, решение проблемы сводится в основном к введению поправок в соответствующие критериальные уравнения.

Актуальность проблемы, как в научном, так и в практическом значениях очевидна. Оптимальное конструкционное и режимное исполнение любого теплообменного аппарата определяет возможность его рационального практического применения, включая решение вопросов теплоснабжения и энергосбережения.

Применение моделей подвижности и релаксации процессов переноса тепла и импульса позволяет получить достаточно точные полуэмпирические закономерности температурной зависимости теплофизических свойств различных материалов. Подстановка этих зависимостей в критериальные уравнения позволяет выполнить решение протекания процессов в теплообменниках с учетом переменности этих свойств.

В данной работе была поставлена задача установить механизмы переноса и рассеяния тепла в различных конструкционных материалах, что позволяет получить достаточно точные закономерности температурной зависимости теплофизических свойств и дает возможность учета их переменности при решении большинства научных и практических задач, связанных с проектированием и эксплуатацией теплоэнергетического оборудования.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации является теоретическое и экспериментальное установление температурной зависимости теплофизических свойств материалов, имеющих разупорядоченную структуру и широко используемых при проектировании и конструировании современного теплообменного оборудования. Детальный-учет этих свойств позволит интенсифицировать теплообменные процессы и минимизировать тепловые потери в элементах конструкции теплообменных аппаратов.

Выбор исследованных в ходе работы материалов произведен на основании графического анализа температурной зависимости теплопроводности различных веществ, при этом основным критерием отбора являлся рост значения теплопроводности с увеличением температуры вещества. В диссертации рассмотрены следующие группы малоизученных материалов, применяемых при конструировании элементов современного теплообменного оборудования: металлы, имеющие разупорядоченную структуру вследствие неоднородного химического состава, а также ряд теплоизоляционных и строительных материалов. В исследованных металлах указанный рост коэффициента теплопроводности с температурой является положительным фактором, так как данные материалы при высоких рабочих температурах имеют низкое термическое сопротивление, а, следовательно, процесс теплообмена при их использовании значительно интенсифицируется. Температурный рост теплопроводности исследованных теплоизоляционных и строительных материалов оказывает существенное влияние на диапазон их практического применения. Анализ температурной зависимости теплофизических параметров этих веществ позволит рекомендовать оптимальные температурные интервалы применения тепловой изоляции, изготовленной на их основе.

Для выбранной группы веществ на основе моделей подвижности и релаксации носителей тепла проведен численный анализ температурных зависимостей электронной и фононной теплопроводности и подвижности. Построены графические зависимости, иллюстрирующие динамику этих параметров.

На основе проведенных расчетов сделан вывод о возможности использования моделей подвижности и релаксации носителей тепла для определения механизмов рассеяния и переноса в материалах с гетерогенной (пористой) структурой.

Выполненное на созданной для этой цели установке с помощью тепловизионной системы ThermaCAM SC 3000 экспериментальное исследование температурных полей теплоизоляционных материалов на основе иглопробивных нетканых полотен позволило рассчитать коэффициенты теплопроводности данных текстильных материалов. Полученные экспериментальным путем значения теплопроводности были сравнены с теоретическими данными, приведенными в литературе, и показали хорошую сходимость.

Научная новизна диссертации заключается в: построении с помощью моделей подвижности и релаксации температурной зависимости коэффициента теплопроводности и подвижности; теплофизическом модельном обосновании возможности использования моделей подвижности и релаксации носителей тепла для определения механизмов рассеяния и переноса в конструкционных материалах с разупорядоченной структурой; определении на основе данных моделей изменения теплофизических параметров в материалах с гетерогенной (пористой) структурой.

Анализ процессов переноса и рассеяния тепла в структурно разупорядоченных материалах на основе моделей подвижности и релаксации позволил уточнить значения теплофизических параметров этих веществ, а также получить новые справочные данные по ряду ранее не изучавшихся современных конструкционных материалов.

Достоверность достигнутых результатов подтверждается хорошим совпадением эмпирических данных, полученных на лабораторной установке, с данными, полученными расчетным путем, а также сравнением этих данных с характеристиками установок, применяемых для исследования теплофизических параметров, известных из литературных источников.

Практическая ценность работы заключается в установлении теоретически обоснованного подтверждения положения, заключающегося в том, что значения коэффициентов теплопроводности, установленные экспериментально и рассчитанные с учетом температурной зависимости теплофизических свойств, превышают на величину ~ 20% значения, рассчитанные при средних значениях данных параметров.

Учет температурной зависимости теплофизических характеристик конструкционных материалов позволяет при проектировании и эксплуатации теплоэнергетического оборудования учитывать их влияние на эффективность работы данного оборудования и создавать более компактные и энергоемкие аппараты, использующие рассмотренные и исследованные в работе материалы.

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертации, были опубликованы в следующих печатных работах: 1. Особенности расчетов процессов теплопереноса на основе моделей подвижности и релаксации носителей тепла / Под ред. Охотина А.С.

М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2001. - 233 с.

2. Курочкин И.А. Применение тепловизоров в теплофизических исследованиях // Всероссийская научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2002): Тез. докл. - М., 2003. - С. 168.

3. Капитанов А.Ф., Марюшин JI.A., Люсова Н.Е., Курочкин И.А. Исследование процесса вытягивания методом термографии // Всероссийская научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2003): Тез. докл. - М., 2003. - С. 32-33.

4. Марюшин Л.А., Курочкин И.А., Кузнецова Т.А. Тепловой расчет элементов автоматической аппаратуры на основе пластинчатых полупроводников. - 6 с. - Деп. в ВИНИТИ, 26.02.2003., № 361-В2003.

5. Марюшин Л.А., Курочкин И.А., Кузнецова Т.А. Исследования тепловыделений в полупроводниковых устройствах. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ, 26.02.2003., № 360-В2003. и докладывались на научно-технических конференциях и конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТУ в 2001-2004 гг.

Содержание работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения.

120 ВЫВОДЫ

Отмечены особенности и области применения в промышленности современных конструкционных и теплоизоляционных материалов на основе текстильных структурно разупорядоченных веществ. Проведен теоретический анализ существующих моделей, описывающих механизм теплопроводности кристаллических и разупорядоченных структур, отмечены особенности переноса тепла в структурно разупорядоченных средах.

Проведен выбор (и его обоснование) моделей подвижности и релаксации носителей тепла в виде температурных зависимостей теплопроводности и подвижности для исследования температурной зависимости теплопроводности различных конструкционных материалов.

На основании графического анализа температурной зависимости теплопроводности различных веществ проведен отбор материалов, применяемых при конструировании элементов современного теплообменного оборудования, теплопроводность которых возрастает с увеличением температуры.

Проведен численный анализ температурных зависимостей электронной и фононной теплопроводности, а также электронной и фононной подвижности этих материалов. Построены графические зависимости, иллюстрирующие динамику этих параметров.

Выполнено экспериментальное исследование температурных полей на поверхности ряда текстильных полотен, которое позволило рассчитать коэффициенты теплопроводности данных материалов, применяемых в теплоэнергетике при конструировании элементов современного теплообменного оборудования.

Выполнено экспериментальное исследование температурных полей на поверхности теплоизоляционных материалов на основе иглопробивных нетканых полотен.

На основе полученных результатов сделан вывод о возможности применения предложенных выше моделей для описания и установления механизмов переноса и рассеяния тепла в современных конструкционных материалах теплообменных аппаратов, а также экспериментального определения теплофизических свойств этих веществ.

122

1.Алмев М.И. Теплопроводность полупроводников. - Баку: АН Аз ССР, 1963.

2. Андреев В.И. Диффузия, дрейф и электропроводность в полупроводниках. -М., 1983.

3. Бажанов С.А. Инфракрасная диагностика электрооборудования распределительных устройств // Энергетик. 2000. № 1.

4. Баранский П.И. и др. Полупроводниковая электроника. Свойства материалов. Справочник. Киев, 1975.

5. Бейзер А. Основные представления современной физики. М.: Атомиздат, 1973.

6. Берд Р., Стюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. М.: Химия, 1974.

7. Берман Р. Теплопроводность твердых тел. М.: Мир, 1979.

8. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Т. Физика полупроводников. М.: Наука, 1977.

9. Борисов Ю.Д. Новые теплоизоляционные материалы для строительства // Технический текстиль. 2002. № 3.

10. Ю.Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля. Справочник. -М.: Машиностроние, 1991.

11. П.Вавилов В.П., Климов А.Г. Тепловизоры и их применение. М.: Интел универсал, 2002.

12. Гроссорг Ж. Инфракрасная термография: основы, техника, применение. -М.: Мир, 1988.

13. Дриц М.Е., Бочвар Н.Р., Гузей Л.С. Двойные и многокомпанентные системы на основе меди. Справочник. М.: Наука, 1979.

14. Жузе В.П. Полупроводниковые материалы. Л., 1957.

15. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982.18.3айман Д. Электроны и фононы. М.: Мир, 1974.19.3айман Д. Принципы теории твердого тела. М.: Изд. ин. лит., 1962.20.3айман Д. Модели беспорядка. М.: Мир, 1974.

16. Иоффе А.Ф. Физика полупроводников. М.: Наука, 1957.

17. Иоффе А.Ф. Полупроводники. М.: Наука, 1955.

18. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Л.: Энергия, 1976.

19. Кайданов В.И. Электропроводность, термоэлектрические явления и теплопроводность полупроводников. М., 1986.

20. Кац С.М. Высокотемпературные теплоизоляционные материалы. М.: Металлургия, 1981.

21. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М.: Наука, 1976.

22. Кириллин В.В., Сычев В.В., Шейдлин А.Е. Техническая термодинамика. -М.: Энергия, 1968.

23. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. М. - Л.: ГНТИМЛ, 1957.

24. Конюхова С.В., Мухамеджанов Г.К., Сутягина Т.Ф. О номенклатуре нетканых фильтрующих материалов и областей их применения // Технический текстиль. 2002. № 1.

25. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М: Высшая школа, 1967.

26. Машиностроение. Энциклопедия. Том 1-2 / Под ред. К.С. Колесникова. -М.: Машиностроение, 1999.

27. Мейлихо Е.З., Лазарев С. Д. Электрофизические свойства полупроводников. Справочник физических величин. М., 1987.

28. Магден И.Н. Физика полупроводниковых материалов. М.: Знание, 1975.

29. Микрюков В.Е. Теплопроводность и электропроводность металлов и сплавов. М., 1959.

30. Миснар А. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций. М.: Мир, 1968.

31. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М.: Госэнергоиздат, 1956.

32. Михеев М.А., Михеева И.М. Краткий курс теплопередачи. М.: Госэнергоиздат, 1960.

33. Могилевский Б.М., Чудновский А.Ф. Теплопроводность полупроводников. М.: Наука, 1972.

34. Мучник Г.Ф., Рубашов И.Б. Методы теории теплообмена. 4.1. М.: Высшая школа, 1970.

35. Новицкий Л.А., Кожевников И.Г. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. Справочник. М.: Машиностроение, 1995.

36. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов JI.A. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М.: Наука, 1984.

37. Пелецкий В.Э., Тимрат Д.Л., Воскресенский В.Ю. Высокотемпературные исследования теплопроводности и электропроводности твердых тел. М.: Наука, 1978.

38. Платунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. Л.: Энергия, 1973.

39. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник / Под ред. Григорьева В.А. и Зорина В.М. Книга IV. М.: Энегоатомиздат, 1991.

40. Постников В.М. О сверхпроводимости тонких пленок висмута, свинца и т.д. Воронеж, 1971.

41. Полупроводники. Справочник. М., 1971.

42. Полупроводники и полупроводниковые материалы. М., 1955.

43. Полупроводниковые вещества. М.: Изд. ин. лит., 1960.

44. Рейсленд Д. Физика фононов. М.: Мир, 1975.

45. Смит Р. Полупроводники. М., 1962.

46. Смирягин А.П. Промышленные цветные металлы и сплавы. М., 1956.

47. Сычев В.В. Сложные термодинамические системы. М.: Наука, 1980.63 .Таблицы физических величин. Справочник / Под ред. Кикоина И.К. М.: Атомиздат, 1976.

48. Теплотехника и теплоэнергетика. Общие вопросы / Под общ. ред. Григорьева В.А. и Зорина В.М. М.: Энергия, 1980.

49. Титан и его сплавы / Под ред. Корнилова И.И. М., 1963.

50. Тихонов Б.С. Низколегированные сплавы на основе меди. М., 1977.

51. Тихонов Б.С. Медно-никелевые сплавы. М., 1978.

52. Увдиев Д.Я., Гарягдыев Г. Теплофизические свойства аморфных полупроводников. Ашхабад: Ылым, 1998.

53. Чапнин В.А. Физика полупроводников и её применение. М.: Знание, 1971.

54. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.: Г ос изд. физико-математической лит., 1962.

55. Шойхет Б., Сгаврицкая Л. Материалы и изделия для теплоизоляции промышленных трубопроводов // Технический текстиль. 2002. № 3.

56. Шматко О. А., Усов Ю.В. Электрические и магнитные свойства металлов и сплавов. Справочник. Киев: Наукова думка, 1987.

57. Физико-химические свойства полупроводниковых веществ. Справочник. -М.: Наука, 1979.7 4. Физико-механические и теплофизические свойства металлов / Под ред. Рыкалина Н.Н. М., 1976.