автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Градиентная теплометрия в теплоэнергетических установках

10-3

2214

На правах рукописи

Митяков Андрей Владимирович

ГРАДИЕНТНАЯ ТЕПЛОМЕТРИЯ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

Специальность 05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2010

Работа выполнена на кафедре «Теоретические основы теплотехники» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор техн. наук, профессор Сапожников Сергей Захарович

доктор техн. наук, профессор Рундыгин Юрий Александрович

доктор техн. наук, ст. науч. сотр. Зейгарник Юрий Альбертович

доктор техн. наук, профессор Свиридов Валентин Георгиевич

Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова», г. Санкт-Петербург

Защита состоится «06» апреля 2010 г. в 16 ч. 00 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.229.04 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, в ауд. 411 ПГК.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан «02» марта 2010 г.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения, в двух экземплярах просим направлять по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, ГОУ «СПбГПУ», на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Факс: (812) 5526552 e-mail: kgl210@mail.ru

Ученый секретарь у , .

диссертационного совета Григорьев К. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Совершенствование конструкций, оптимизация схемных решений и режимов, сокращение энергопотребления, защита окружающей среды при действии теплоэнергетических установок требует комплексных теоретических и экспериментальных исследований процессов теплообмена на стадиях разработки, испытаний, эксплуатации и модернизации энергетического оборудования.

Современный теплотехнический эксперимент - лабораторный и промышленный - резко повысил информативность. В первую очередь, это связано с возможностями цифровой измерительной техники и компьютеризацией опытов, позволяющими регистрировать, архивировать и обрабатывать большие массивы данных. В то же время датчики существенно отстают от уровня преобразовательной техники и в настоящее время сдерживают развитие экспериментальных исследований. Сходные трудности, но на гораздо более высоком уровне, проявляются при эксплуатации теплоэнергетических установок, когда измерения технологических параметров являются входными сигналами для систем управления.

Диссертация посвящена одному из узких мест в эксперименте - определению тепловых потоков (теплометрии) на поверхностях теплообмена. Если в лабораторных условиях теплометрия представляет лишь методические и аппаратные трудности, то в экспериментах промышленных к ним добавляются требования высокой надежности датчиков и аппаратуры в течение длительного времени, сложность или невозможность доступа к датчикам во время эксплуатации энергоустановки, ограничение числа каналов для вывода информации и др.

Актуальность темы подтверждается поддержкой, оказанной работе Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ). Основные результаты получены в ходе выполнения проектов 02-02-17562-а, 02-02-81035-Бел2002_а, 03-02-06906-мас, 04-02-16944-а, 04-02-81005-Бел2004_а, 05-02-08128-офи а, 05-02-16071-а, 05-02-16184-а, 05-08-33486-а, 06-08-00777-а, 0608-03049-6, 07-08-00635-а, 08-08-00414-а, 08-08-00802-а и 08-08-12205-офи, МНТЦ 3475р, а также проекта «Энергосберегающие технологии» Инновационной образовательной программы ГОУ «СПбГПУ». Цели исследования.

1. Разработать с единых методических позиций систему расчетов, позволяющих создавать и применять градиентные датчики теплового потока (ГДТП) в лабораторном и промышленном теплотехническом эксперименте.

2. Создать и исследовать ГДТП из монокристаллов и искусственных слоистых сред, определить их рабочие характеристики, область применения и оценить многофункциональность.

3. Изучить динамические характеристики ГДТП, использовать их быстродействие в ходе тестовых и приоритетных исследований теплообмена в существенно нестационарных условиях.

4. Тестировать ГДТП и приборы на их основе путем исследования конвектив-

ного, радиационного и сложного теплообмена применительно к решению задач промышленной теплоэнергетики.

5. Разработать методику, создать измерительные ячейки и выполнить тепло-метрию с использованием гетерогенных ГДТП на теплообменных поверхностях промышленных котельных агрегатов в условиях эксплуатации. Научная новизна.

1. Создана физическая модель, адекватно описывающая действие ГДТП различных типов. Дана оценка толщины «рабочего» слоя, генерирующего тер-моЭДС, сопоставлены условия и результаты теплометрии, выполненной датчиками продольного и поперечного типов.

2. Впервые получены слоистые композиты на основе металлов, сплавов и полупроводников, являющиеся заготовками для ГГДТП. Осуществлена диффузионная сварка пакетов из чередующихся пластин при отсутствии защитных сред. Установлено, что ширина диффузионной зоны на границе слоев не превышает 5% их толщины.

3.Показано, что постоянная времени ГДТП слабо зависит от их типа, материалов и конструкции, а сами датчики адекватно реагируют на существенно нестационарные тепловые воздействия и свободны от влияния электромагнитных полей.

Практическая ценность.

1. Разработаны, созданы, отградуированы и тестированы в ходе лабораторных и промышленных экспериментов ГДТП различных видов, размеров и конструкций. Установлено, что их технические характеристики существенно превышают уровень современных мировых аналогов.

2. Установлены соотношения между ожидаемым уровнем теплового потока, размерами ГДТП и возможностями аппаратуры, позволяющие выбирать любой из трех факторов по двум другим, тестирована и успешно использована система для обработки сигналов ГДТП, их архивирования и преобразования.

3. Созданы макеты и опытные образцы устройств, использующие ГДТП для измерения температуры, расхода, касательных напряжений трения и параметров в электрических сетях.

4. Создан опытный образец чувствительного элемента, регистрирующий поток излучения без дополнительного усиления сигнала.

5. ГДТП использованы как средство количественной диагностики тепловых потерь на промышленных и энергетических объектах.

6. Реализована в промышленных условиях градиентная теплометрия в топке котла БКЗ-210-140ф, показавшая работоспособность и информативность ГГДТП, а также их полезность при диагностике шлакования поверхностей теплообмена.

Внедрение. Результаты работы использованы в учебном процессе ГОУ «СПбГПУ» и «СПбГУ ИТМО» (г.Санкт-Петербург), в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН (г.Санкт-Петербург), на ТЭЦ-4 (г.Киров), филиале ОАО «Силовые машины» - «Электросила» и ЗАО «Стрелец СПб-Б» (г.Санкт-Петербург). Достоверность результатов подтверждается их совпадением (в тестовых

экспериментах) с надежными данными других источников, использованием при построении физических моделей фундаментальных краевых задач теплопроводности, апробированных уравнений подобия и экспериментальных данных других авторов, использованием экспериментальной техники последнего поколения с подтвержденными метрологическими характеристиками, привлечением к экспертизе свойств ГДТП широкого круга специалистов. Личный вклад автора. Все основные результаты работы получены под руководством и при участии автора. Диссертанту принадлежат: постановка задачи, создание физической модели для описания характеристик ГДТП, разработка, создание, градуировка и испытание гетерогенных ГДТП, основные результаты, полученные при тестировании ГДТП и в ходе градиентной теплометрии. Он активно участвовал в создании теплометрических ячеек для исследования теплообмена в котельном агрегате, а также в проведении и обсуждении результатов промышленных экспериментов. Часть опытов и расчетов выполнены совместно с членами исследовательской группы на кафедре «Теоретические основы теплотехники» ГОУ «СПбГПУ», а также со специалистами других подразделений университета и организаций, чье участие отмечено в тексте диссертации. Автор защищает:

1. Основы теории ГДТП, позволяющие с единых позиций описывать и сопоставлять действия сплошных и слоистых датчиков, выбирать материалы для их создания, а также конструктивные и технологические параметры, прогнозировать вольт-ваттную чувствительность.

2. Конструкцию, технологию производства, градуировки и монтажа гетерогенных датчиков теплового потока (ГГДТП), обеспечивающих выполнение высокотемпературной градиентной теплометрии.

3. Использование ГДТП для измерений температуры, расхода, протекания жидкости, касательных напряжений трения и параметров электрических сетей.

4. Экспериментально установленный уровень постоянной времени ГДТП

с 9

(10 ...10" с) и возможность применения ГДТП в присутствии мощных электромагнитных воздействий.

5. Новую систему градиентной теплометрии в топках котлоагрегатов, конструкцию измерительных ячеек на основе ГГДТП и результаты промышленного использования метода - в частности, как средства диагностики при шлаковании поверхностей теплообмена.

Апробация работы

Отдельные разделы и диссертация в целом докладывались и обсуждались на семинаре Петербургского отделения Международной Энергетической Академии и ядерного общества Санкт-Петербурга «Эффективные системы теплоснабжения в муниципальном и индивидуальном строительстве» (Санкт-Петербург, 1997); 11-й международной конференции по теплообмену (Кюнд-жу, Корея, 1998); 2-4 Российских национальных конференциях по тепломассообмену (Москва, 1998, 2002, 2006); 12-17 Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (1999

- 2009); научном семинаре под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Физико-технические проблемы энергетики» (Москва, 1999); научном семинаре в ОАО НПО «ЦКТИ им. И.И. Ползунова» (Санкт-Петербург, 2000); 4-м и 6-м Минских международных форумах по тепломассообмену (Минск, 2000, 2008); 3-й европейской конференции по термическим исследованиям (Гей-дельберг, Германия, 2000); 40-й научно-практической конференции «Крылов-ские чтения» (Санкт-Петербург, 2001); 5-й Международной конференции по экспериментальному теплообмену, механике жидкости и термодинамике (Салоники, Греция, 2001); 26-28 Сибирских теплофизических семинарах (Новосибирск, 2002-2009); научных семинарах кафедры «Теоретические основы теплотехники» ГОУ «СПбГПУ» (2000-2009); выездном семинаре Национального комитета РАН по тепломассообмену под руководством академика РАН А.И. Леонтьева по вопросам измерений в теплофизике (Санкт-Петербург, 2004); Международной конференции «Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений» (Москва, 2004); 43-м аэрокосмическом семинаре и выставке AIAA (Рено, США, 2005); 2-й и 3-й Российских конференциях «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Москва, 2005, 2008); Политехническом симпозиуме (Санкт-Петербург, 2006); 13-й международной конференции «Методы аэрофизических исследований (ICMAR)» (Новосибирск, 2007); Международной конференции «Двигатель-2007» (Москва, 2007); 5-й Балтийской конференции по теплообмену (Санкт-Петербург, 2008) и Международном молодежном форуме «Будущее высоких технологий и инноваций

- за молодой Россией» (Санкт-Петербург, 2009).

Исследования автора получили поддержку и признание специалистов. Он награжден премией имени первого ректора Санкт-Петербургского политехнического института князя А.Г.Гагарина (1998), медалью Российского союза молодых ученых «За преданность науке» (2008), грамотой «За высокие достижения в научной и инновационной деятельности на благо Санкт-Петербургского государственного политехнического университета» (2008). Работы с участием А.В.Митякова признавались лучшими и получали награды на Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева (1999, 2009), международном молодежном форуме «Будущее высоких технологий и инноваций - за молодой Россией» (2009). Диссертант стал победителем конкурса грантов Президента Российской Федерации для молодых российских ученых (2008) и лауреатом премии правительства Санкт-Петербурга (2009).

Публикаиии. По материалам работы имеется 57 публикаций, в том числе 2 монографии и 1 патент Российской Федерации на полезную модель. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, указателя литературы из 201 ед. и 6 приложений. Она представлена на 284 с. текста и 39 с. приложений, имеет 170 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, перечислены результаты, выносимые на защиту, сформулированы научная новизна и практическая цен-

ность исследования, определен личныи вклад автора.

Глава 1 содержит постановку задачи и определяет область исследования: те-плометрию на основе градиентных датчиков теплового потока (ГДТП) типа вспомогательной стенки.

Выделены ДТП продольного и поперечного типов (рис. 1); в первом случае вектор плотности теплового потока с] и напряженности поля термоЭДС

Е коллинеарны, во втором Рис. 1. ДТП продольного (а) и поперечного (б) типов

Основу современного парка составляют именно ДТП продольного типа, при том, что основной их недостаток - снижение чувствительности при попытке увеличить быстродействие - принципиально неустраним.

На рис. 2 различные ДТП сопоставлены по вольт-ваттной чувствительности 50, постоянной времени тт,п и рабочей температуре Г; здесь же нанесены характеристики ГДТП (включая гетерогенные), разработанных автором.

Рис. 2. Характеристики ДТП: но чувствительности и быстродействию (а), по температурному диапазону (б). Цифрами обозначены датчики фирм: 1 - ГДТП на основе висмута и ГГДТП, СПбГПУ (Россия); 2 -ИТТФ HAH Украины; 3 - «Vatell» (США);

4 - «Wuntronic» (ФРГ); 5 - «Captée» (Франция); 6 - «Hukseflux» (Нидерланды);

7 - лаборатории физической электроники (Швейцарии); 8 - «Newport» (США);

9 - «TNO» (Нидерланды); 10 - ALTP «FORTECH H TS GmbH», (ФРГ) Действие ГДТП основано на возникновении поперечной компоненты электрического поля в среде с анизотропными теплопроводностью, электропроводностью и коэффициентом термоЭДС при прохождении теплового потока в направлении, не совпадающем с главными осями анизотропной среды.

ГДТП обычно состоят из прямоугольных брусков - анизотропных термоэлементов (АТЭ), для повышения сигнала последовательно соединенных в батарею. Вольт-ваттная чувствительность АТЭ

s _ ev _ (£33-g|))sinecose 0 qF b{)i33s'm2 9 + X,, cos2 э) '

где ex - термоЭДС, генерируемая АТЭ; q - плотность теплового потока на поверхности АТЭ; F - площадь АТЭ в плане; г33, 8ц, А.33, Я.м - соответственно, электро- и теплопроводность анизотропной среды в направлениях главных осей 33 и 11; Э - угол, под которым АТЭ вырезан из монокристалла. Оптимальное значение угла 0 , определяется из равенства

Термостойкость природных монокристаллов, пригодных для изготовления ГДТП, невысока, а перечень

краток. Поэтому в работе развита ЩГ

теория слоистой среды (рис. 3), которая в пределе, при малых толщи- ш. \ ЛЯИг %.'¿аШт ^^ нах слоев 5, и 82, стремится к сре- г Иг /ш^м

Эффективные значения кине- .¿вИг;

тических коэффициентов в направ- ЧГ ЛшЯГ

лениях главных осей х0 и 20 имеют вид: „ , ..

Рис. 3. Искусственно созданная слоистая

- для теплопроводности: анизотропная среда

X -А

1 + к6

к,

^■zo -

S,+S2

8,*., +82А,2 +

я. У

СТ|СТ2(е, -е2 )8,82

S, Л,, +8Д2 Л. | + К^Х-,

S,+S2

1 +

»Я.,

8|С| + 82а2

\ + кя

-для коэффициентов термоЭДС:

ех0 ~

в|8| , Ё2§2 £1 ,

ст, СТ,

8,

о. °2 а, ст2

• = е.

кп

(2)

(3)

(4)

t-zO

S|(T|S| H-SjOtE-, СУ|8| +К6а2Е2

8,ct,

8 2ст2

ct, + K6o2

'* + KcKaK6s 1 +

(5)

(Здесь А,, , Х2 - теплопроводность слоев; а, , а2 - удельная электропроводность слоев; 8, , е2 - коэффициенты термоЭДС слоев; 8, , 52 - толщина слоев; Ка = ст,/ст,; Кг=е2/ е, ; К8 = 52 /5, ; Т - среднее значение термодинамической температуры для рассматриваемой среды (величина X — (ст|02(е| — е2 )5|82 )/(б|СТ| + 82ст2 ) - добротность среды - для металлических материалов пренебрежимо мала).

Полагая в равенствах (1)-(5) \х0=Х

Ii»

zO = ^-33 >

£ vo —

£.0=Е33 определим значения 50и6ор(, а также максимум вольт-ваттной

чувствительности S0max = S()(0opl), где

1 + К,

0„р. = ±arctg

1 +

Кь К,

(1 + KtKx)

(6)

Безразмерная вольт-ваттная чувствительность слоистого АТЭ

1 +

к.

1 + KeKaKs__

1 + КаК5 1 + KaKs

sinOcosO

(7)

1 + К1 К* . 2n 1 + Kr 2 Г> Л -sin 0 +-r^COS 0

1 + к*

0,02

К «1,23; К -

Рис.4. Безразмерная iiojii. i-пап паи чувствительность слоистого АТЭ

Функция имеет экстре-

мум; на рис. 4 показан ход кривых и выделен случай, когда АГС= 0,43, 6,067, ЛГа=1,23 (композиция сталь 12Х18Н9Т + никель). Это позволяет рассматривать все ГДТП -как монокристаллические, так и гетерогенные - в рамках одних и тех же расчетных формул.

В работе показана возможность создания ГГДТП на основе слоистых композитов. Работы J1. Гайлинга, Т. Зансра,

Р.-М.Сьюджей, P.C. Дериберри и

Б.С. Манна, а также датчики АЬТР и др. подтвердили правомерность подхода, но не позволили создать ГДТП, технологически и конструктивно пригодные для теплотехнического эксперимента.

В 2007 г. в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете с участием автора впервые созданы ГДТП на основе слоистых композитов. Наличие макронеоднородностей (гетерогенная структура) таких сред натолкнуло на мысль назвать их гетерогенными градиентными датчиками теплового потока (ГГДТП). Первым шагом стало создание ГГДТП на основе композиций сталь 12Х18Н9Т + никель, сталь 65X13 + никель, хромель + алюмель и железо + константан. Эти ГГДТП работоспособны до тем-

а) б)

Рис. 5. Микроструктура композиции сталь 12Х18Н9Т+никель, вмполпенной ш слоев толщиной 0,25 мм: а-до травления; б - после травлении слоев В качестве слоев удалось использовать не только монолитные, но и проницаемые материалы: волокнистые, сетчатые, с регулярной перфорацией и т.д. Датчик становится проницаемым для потоков жидкости или газа. Толкование сигнала такого ГДТП представляет отдельную задачу, но его применение в исследованиях систем вдува, газовых завес и т.д. дает явные и не имеющие аналогов преимущества.

Особый интерес вызывает применение композиций полупроводник-металл и полупроводник-полупроводник, поскольку значения коэффициентов термоЭДС у полупроводников на порядок и более превышают уровень, характерный для металлов.

Методом диффузионной сварки в воздушной среде (при температуре около 820 К и выдержке в течение 1 ч) удалось получить ГГДТП из композиции кремний + алюминий и и-кремний + /»-кремний. Высокая растворимость алюминия в кремнии, традиционно используемая в цветной металлургии, сыграла положительную роль, обеспечив диффузионное соединение с образованием переходной зоны шириной в 5... 15 мкм.

Чаще всего ГДТП градуируют абсолютным методом в стационарном тепловом режиме, но их малое термическое сопротивление и низкая инерционность позволяют использовать также монотонные процессы нагрева и охлаждения. Для градуировки ГГДТП при высоких температурах создан стенд (рис. 6, а), который представляет собой цилиндрический корпус 3 (из стали),

на оси которого в специальных держателях 5 фиксируется трубка из никелевой фольги 2 с вольфрамовым нагревателем внутри. На поверхности трубки 2 установлены исследуемые ГГДТП 1 и термопара 6. Корпус 3 закрыт крышками 4 и герметизирован силиконом. В одной из крышек 4 находится герметичный разъем для подачи питания на нагреватель и снятия сигналов с ГГДТП и термопары. Через патрубок 7 производится вакуумирование полости стенда,

что позволяет устранить конвек->6 '1 тивный теплообмен между его

элементами. Тепловой поток от на-

600 Г, С

гревателя передается излучением в радиальном направлении к внешним стенкам. Термопара служит для определения температуры отнесения. Результаты типичной градуировки представлены на рис. 6, в. Суммарная стандартная неопределенность косвенных измерений не превышает 10% .

В работе предложено рассматривать триаду «датчик-сигнал-аппаратура» применительно к возможностям цифровой техники. Показано, что любые две компоненты такой триады однозначно определяют третью; так, разрядность аналого-цифрового преобразователя к выбирается из соотношения

к > 3,321 ■

(8)

В)

£тах - максимальный

где /75=2...3 - коэффициент запаса, обеспечивающий различение «сигнал-шум»; Ку - коэффициент

усиления; уровень ГДТП.

В диссертации предложена (и апробирована в лабораторных условиях) система регистрации, обработки и архивирования сигналов ГДТП, позволяющая использовать такие датчики наравне с традиционными термопарами или, при необходимости, совместно с ними.

Рис. 6. Схема (а), фотография (б) и гралуиро-ночнме кривые (в) для композиции спин, 12Х18Н9Т+никель (кривая 1) и хромель + алюмель ( кривая 2). Цифрами обозначены: I - ГГДТП; 2 - трубка; 3 - корпус; 4 - крышка; 5 - держа I ель; 6 - термопара; 7 - патрубок

ожидаемого

сигнала

•Расчет выполнен согласно «Рекомендациям по межгосударственной стандартизации РМГ 43-2001. Государственная система обеспечения единства измерений».

Главу завершает раздел, посвященный многофункциональности ГДТП. Показано, в частности, что ГДТП может служить термоприемником как «обычного» типа, аналогом терморезистора, так и устройством, не требующим источника электропитания. Последний способ термометрии назван «пассивным», он вдвое сокращает потребность в каналах связи при почти двукратном увеличении информативности.

Показано как использовать ГДТП в расходометрии и при создании индикаторов движения жидкости. Датчики (и преобразователи на их основе) позволяют определить касательные напряжения трения при минимальном нарушении изотермичности течения. Применение ГДТП в электрических сетях позволяет бороться с несанкционированным энергопотреблением.

Глава 2 посвящена динамическим характеристикам ГДТП и их применению в исследовании нестационарных процессов.

Схема стенда для исследования динамических характеристик ГДТП представлена на рис. 7. От лазера 1 луч 2 с начальным диаметром 0,1 мм проходил через оптическую систему 3 и отклонялся зеркалом 4; при этом луч 2 «разводился» до диаметра 15 мм и попадал на фотодиод 5, ГДТП 6 и приемник лазерного излучения 7. Все эти элементы были закреплены на основании 8 с помощью кремнеорга-нической теплопроводной пасты КПТ-8 и подключены к запоминающему осциллографу 9 модели С1-94. Отметим, что фотодиод 5 (с постоянной времени около 1 мкс) использовался в схеме для практически одновременного с началом облучения запуска осциллографа 9.

Исследование ГДТП толщиной 0,2...4,0 мм показали, что их постоянная времени не зависит от этого размера; можно предположить, что в нестационарном режиме термоЭДС формируется только поверхностным, «горячим» слоем анизотропной среды.

Опыты с лазерами различных типов, на разных длинах волн и режимах генерации подтвердили первые результаты (рис. 8). Использование осциллографа последнего поколения фирмы «Tektronix» показало, что постоянная времени xmjn составляет 10s... 10"9с.

Передний фронт сигнала настолько крут, что оценить постоянную времени по экспоненциальной аппроксимации не удается, однако ценность пред-

Рис. 7. Схема стенда для экспериментального исследования динамических характеристик ГДТП. Цифрами обозначены: 1 - лазер; 2 - луч; 3 - конденсорная оптическая система; 4 - зеркало; 5 - фотодиод; 6 - ГДТП; 7 - приемник лазерного излучения; 8 - массивная алюминиевая подложка; 9 - осциллограф

ставляет сам порядок величины: при постоянной времени 10" с характерные

.10 Гц, достижимого прежде лишь

частоты удается довести до уровня 105. для датчиков типа АЬТР (см. рис. 2, а).

Аналогичным образом определялись динамические характеристики ГГДТП. Высокая теплопроводность этих датчиков потребовала большего уровня возмущающего теплового потока, поэтому мы использовали двойной импульсный МЬ-УАв-лазер с энергией в импульсе 50... 120 мДж и частотой следования импульсов 1... 10 Гц, работающий на длине волны 635 нм.

ГДТП СН2 200mV

50 мкс/дел

Рис. 8. Динамические характеристики ГДТП из »нему ia, полученные при воздействии лазера ОГМ-20: а - в моноимпульсном режиме; б - в режиме свободной генерации сигнал ГДТП (кривая 1) в сравнении с он налом фотодиода ФД-2 (кривая 2)

Объектом исследования послужили ГГДТП из композиций сталь 12Х18Н9Т + никель и и-кремний + р-кремний. Характерные осциллограммы (рис. 9) показывают, что и для этих датчиков постоянная времени имеет указанный выше уровень, причем ГГДТП на основе кремния примерно на порядок опережают датчики из висмута по быстродействию.

tfl|c Стоя I I ft --1 I * leJcPrrVU I h-

ч 1 '

X

ШтЧЛ 1

9нс 14,2нс

rilOlWl KI г ГТяпи

01513551] 11:34:40 ш I ЗООтВ 10 От 4110 00 \

а) б)

Рис. 9. Осциллограммы динамических харакзерисгик ГДТП: а - для датчиков из висмута (100 мВ/дел, 10 нс/дел); б - для композиции »-кремний +/»-кремний (50 мВ/дел, 100 нс/дел) Достоверность полученных результатов подтверждается, помимо про-

чего, сравнением с данными, полученными для тех же ГДТП другими исследователями.

Для того чтобы проверить возможность формирования термоЭДС в поверхностном слое ГДТП, в работе предлагается модель, основанная на решении задачи теплопроводности. Крайне малый наклон изотерм в используемых анизотропных средах позволяет использовать решение одномерной нестационарной краевой задачи Фурье для изотропной среды. Показано, что для практически важного начального периода, когда число Фурье ¥о = сп/х2 = 5 -10_3...2 • 10-1 (здесь а - эффективная температуропроводность ГДТП, т - текущее время, х - координата, совпадающая с направлением вектора Ц), достаточно воспользоваться моделью полуограниченного тела.

С использованием интегрального метода теплового баланса показано, что толщина термически прогретого слоя

Л = л/бот, (9)

что при тт|п«10~8с соответствует (3,4...6,0)-10"7 м для ГДТП всех существующих видов и превышает уровень (1,0...2,0)10 7 м, при котором возможны термоэлектрические явления.

Сопоставление динамики ДТП продольного и поперечного типов показало, что в стационарном режиме их возможности почти одинаковы, но термическое сопротивление ГДТП на несколько порядков меньше. В нестационарном режиме постоянная времени ГДТП из висмута примерно в 2,5Т07 раз меньше, чем у ДТП продольного типа модели ПТП 1 Б. 11.2.1.11 .П00.1.16.00.0.

Быстродействие ГДТП позволила использовать их для теплометрии в ударных трубах. Помимо важной (и полученной впервые) информации о природе физических процессов, эти опыты интересны с прикладной стороны, поскольку сходные (по характерному времени) процессы возникают в МГД-технологиях и других перспективных способах преобразования теплоты. Кроме того, удалось оценить помехозащищенность ГДТП в потоке ионизированного газа и низкотемпературной плазмы и прогнозировать их использование в промышленных условиях.

Опыты, выполненные на ударных трубах ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН (рис. 10), кафедр «Гидроаэродинамика» и «Теоретические основы теплотехники» ГОУ «СПбГПУ», показали, в частности, что, вопреки сложившимся представлениям, температура в торце ударной трубы возрастает монотонно, а плотность теплового потока не меняется скачком. Если ранее расхождение теории с экспериментом относили на счет инерционности датчиков, то при различии между тт1П и временем опыта в 105 раз такое объяснение исключается.

Градиентная теплометрия на стенке плоского сверхзвукового сопла в присутствии поля напряженностью до 4 Тл позволила получить зависимость плотности теплового потока ц от числа Стюарта Б = (в^10ас )/(ри>) (Вп - характерное значение магнитной индукции, и» - скорость движения среды, /0 - характерный размер пластины сопла, ас. и р- удельная электропроводность и плотность

среды, соответственно) (рис.11).

Через 500 мкс для кривой, соответствующей Б = 0,42, и через 1,1 мс для кривой, соответствующей 8 = 0,32, наблюдается резкий рост плотности теплового потока.

Мы связываем это с возникновением отрывного течения в сопле перед пластиной, инициированного МГД взаимодействием (ср. кривую при 8 = 0).

Рис. 10. Схема ударной трубы ФТИ им.А.Ф. Иоффе РАН. Цифрами обозначены: I - камера высокого давлении; 2 - диафрагма; 3 - камера ннзкого давления; 4 - фронт ударной волны; 5 - датчик давления; б - вакуумная камера; 7 - испытуемое тело; 8 - система ошических измерений; 9 - источник высокого напряжения; 10 - ресивер; 11 - вставки с ГДТП; 12 - осциллограф; 13 - баллон с газом; 14 - вакуумный насос

Исследовалось также изменение плотности теплового потока на поверхности тела, обтекаемого потоком азота; модель и электрическая схема установки представлены на рис. 12.

Параметры сверхзвукового потока азота в выходном сечении сопла были следующими: давление - 5 кПа, плотность - 0,04 кг/м\ температура -440 К, скорость - 1600 м/с число Маха - 4. Длительность стационарного истечения азота составляла 1,5 мс. По цепи, состоящей из плазменного промежутка и соленоида, в течение 1,5 мс осуществляется разряд источника и возникает импульсный ток около 100 А. Магнитное поле, возникающее при прохождении тока через соленоид, взаимодействует с током в плазме; в результате плазма приобретает вращательное движение вокруг тела в азимутальном направлении. В предваритель-

о, кВт/м

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 т, мс Рис. 11. Плотность теплового поз ока на стенке сопла в зависимости от наличия и напряженноегн магнитного ноля

ных экспериментах обнаружена существенная зависимость частоты вращения плазмы от полярности подключения внешнего источника.

Тепловой поток на поверхности тела вращения измерялся для обоих вариантов подключения. ГДТП, имевшие размеры в плане 2*2 мм, были смонтированы на цилиндрической части тела вращения в 15 мм от кольцевого

~4фффф<

а) б)

Рис. 12. Модель (а) и фоих рафии (б) тела, обтекаемого потоком плазмы, и электрическая схема установки: I - соленоид; 2 - кольцевой электрод; 3 - центральный электрод; 4 - ГДТП

электрода. Результаты опытов представлены на рис. 13.

Для варианта подключения, когда кольцевой электрод служит анодом (кривая 2), частота пульсации 15 кГц соответствует частоте вращения плазмы, измеренной с помощью фоторегистратора. В случае, когда кольцевой электрод служит катодом, частота вращения плазмы вдвое больше (кривая 1).

Рис. 13. Изменение плотности теплового но- Таким образом, экспериментов на поверхности модели, обтекаемой тально установленный уровень по-сверхзвуковым потоком азота, в случаях, стоянной времени ГДТП (10 ... когда кольцевой электрод служит: 1- като- К)"4 с) делает их практически безы-дом; 2-анодом; 3-плотность теплового 11Срционными датчиками теплового

потока при выключенном МГД-устройстве ____¡г„„........................„

1 «* г потока в большинстве теплотехниче-

ских процессов, а высокая помехозащищенность позволяет применять даже в присутствии сильных электромагнитных полей.

Глина 3 посвящена тестированию средств и методов градиентной теп-лометрии в экспериментах, связанных с различными видами теплообмена.

С помощью ГДТП исследовался свободно-конвективный теплообмен на вертикальной пластине высотой 4950 мм и шириной 900 мм, нагреваемой электрическим током. Результаты опытов сопоставлялись с данными термоанемометрии, полученными на той же пластине Ю.С. Чумаковым и др.

Методами градиентной теплометрии исследовались три режима течения в пограничном слое: ламинарный, переходный и турбулентный, вплоть до числа Грасгофа вг, =gPAГд:1/(v 2) = 3,5• 10м (здесь g - ускорение свободного падения, р - коэффициент объемного термического расширения

воздуха, х - расстояния от нижней кромки пластины до точки измерения).

Местные значения плотности теплового потока (при условии, что степень черноты пластины и ГДТП практически одинаковы) совпадают в пределах погрешности эксперимента, что подтверждает правомерность использования градиентной теплометрии. Помимо этого, использование ГДТП позволило получить новые данные по нестационарному распределению мгновенной плотности теплового потока на

0,3 0,2 0,1

о *

к. я„

Ж

А Т

0,0 10

#

? «ч

нагретой вертикальной поверхности и оценить пульсационную составляющую этого потока для исследуемых режимов течения.

На рис. 14 представлено распределение интенсивности пульсаций плотности теплового потока

=7?,Ли (я

ю7

10'

вг

Рис. 14. Интенсивность пульсаций плотности теплового потока и температуры на вертикальной пластине

ч уч /1„■ \ч пульсационная со-

ставляющая плотности теплового потока при данном значении текущей координаты х; - средняя плотность теплового потока при том же значении .г) по высоте пластины. На этом же рисунке, для сравнения, изображена зависимость максимального значения интенсивности пульсаций температуры воздуха в текущем сечении пограничного слоя

ат = ^Т^/лт от продольной координаты (здесь - пульсационная составляющая температуры при постоянном температурном напоре АТ).

„ „ , Можно отметить небольшое за-

Рис. 15. Модель цилиндра, облекаемою „ ,

поперечным потоком воздуха: 1 - ГДТП; паздывание (по числу Грасгофа Ог,) в

2 - цилиндр; 3 - стол; 4 - подвод пара; возрастании интенсивности пульсаций

5-слив конденсата; 6-манометр плотности теплового потока ац по

сравнению с величиной ат. Так, по-видимому, и должно быть: по мере уве-

личения числа Грасгофа сначала возрастает интенсивность пульсационного

движения в воздухе (что способствует резкому увеличению притока холод-

ных масс воздуха в пограничный слой), и только после этого холодный воз-

дух достигает поверхности. Как следствие, на фоне возрастающих пульсаций плотности теплового потока на поверхности пластины увеличивается доля теплового потока, передаваемая конвективным путем.

Исследование поперечного обтекания одиночного цилиндра выполнялось на модели (рис.15), обогреваемой насыщенным водяным паром (с температурой около 100°С).

Модели устанавливались в рабочей части аэродинамической трубы (Ти<0,8%, и><25 м/с); исследовались цилиндры длиной 500 мм и диаметром 25, 66 и 166 мм. ГДТП размерами 4x7 мм имели вольт-ваттную чувствительность 9,8. ..20 мВ/Вт и перекрывали азимутальный угол 2,8...18,5°.

Местные коэффициенты теплоотдачи рассчитывались по формуле

а»(т) =

К - 77

где <7ф(т) - местные значения плотности теплового потока, измеренные при

фиксированном значении ф.

Результаты опытов были обработаны как зависимости

Ми (ф),

N11. N1. — 1 2?

N11,,

где Ыи0(ф) - значение числа Нуссельта в лобовой точке (ф = 0), а число

Рейнольдса Яе = \vdjv определялось по средней скорости потока и' и кинематической вязкости воздуха V, взятой при температуре 7).

Как видим (рис. 16), полученные данные достаточно близки к результатам, хорошо известным и признанным надежными. Особенно интересно совпадение наших результатов с данными работы Х.Накамуры и Т.Игараши, которые использовали ДТП фирмы «УагеП». Хорошее совпадение наблюдается во всех случаях, включая минимальные значения N11 вблизи Ф = 85".

Рис. 16. Результаты определения местных коэффициентов теплоотдачи на поверхности поперечно обтекаемого цилиндра

В опытах исследовались пульсации скорости, давления и плотности теплового потока. Чтобы исследовать корреляцию между коэффициентом теплоотдачи и пульсациями скорости, на удалении 1,5 мм от ГДТП (и при том же угле ф) помещался термоанемометр. В опытах удалось преобразовать аналоговый сигнал ГДТП в цифровой с частотой до 30 кГц; каждое измерение вы-

поднялось 610 раз с частотой 2 кГц. Экспериментальные данные обработаны в виде критерия интенсивности пульсаций плотности теплового потока 72 /—

Л = 100%, где •у'/ф" ~~ среднеквадратичное значение пульсаций

плотности теплового потока при фиксированном угле <р; - средняя плотность теплового потока при том же угле ср. Статистическая обработка позволила определить дисперсию плотности теплового потока

и = а2=^(</, —(¡)~/(п — 1), где а - среднеквадратичное отклонение; ¡¡Г —

<=|

среднее арифметическое измеряемой плотности теплового потока.

Вид кривых г|(ф) и £>(ф) (рис. 17) согласуется с результатами известных работ как качественно, так и количественно.

й \ О"

л /кп ]-01

Г -о-□ -А- *е= 15 1

1=0-« 1=0'* г <е-ч111 ?е-5 |и

30 60 90 120 150

а)

Ч*

б)

Рис.17. Интенсивность пульсаций плотности теплового потока (а) и дисперсия плотности теплового потока (б)

Исследовался также теплообмен на поверхности цилиндра, имеющего турбулнзаторы в виде стержней, параллельных образующей и разнесенных относительно лобовой точки на угол ± у (рис. 18).

В ходе опытов подобран оптимальный угол установки турбулизато-ров: при 1|/ = ±55° местный коэффициент теплоотдачи на угле ф = 70° возрастает в 4 раза по сравнению с гладким цилиндром, а средний по окружности коэффициент теплоотдачи -Рис. 18. Схема установки турбулизаторов в 1 25 раза (рис. 19, а).

на цилиндр: 1-ГДТП;2-цилиндр; Дисперсия пульсаций плотности

3 - стол; 4 - подвод пара; 5 • .......

7

** N

\

-

_

И' и

-*" и

сат а; 6 - миномет р; 7 -

■ слив кон.тсн-гурбулнзаторы

теплового потока (рис.19, б) для цилин-

дра с турбулизаторами существенно отличается от дисперсии пульсаций на гладком цилиндре. Здесь турбулентность влияет на тепловой поток по иному: вплоть до ф=70...90° дисперсия возрастает несущественно, а в области 90... 120° наблюдается резкий ее всплеск. Поток «запоминает» добавочное возмущение, пульсации в толщине пограничного слоя возрастают далеко за точкой отрыва, но их влияние на теплообмен сводится к нулю задолго до приближения дисперсии к уровню, достигаемому на гладком цилиндре.

Ыа о.ю-1

а) б)

Рис. 19. Местные безразмерные козффнннензы теплоотдачи на поверхносзи (а) и дисперсия плотпосги теплового поз ока (б) при обтекании гладкою цилиндра (1) и цилиндра с турбулизаторами, установленными под углами ±55° к набегающему потоку (2)

Следующим этапом работы стало исследование местной плотности теплового потока па поверхностях теплообмена с турбулизаторами (лунками, кавернами, траншеями и т.д.) (рис. 20).

В) г)

Рис. 20. Схемы обогреваемых паром пластин с турбулизаторами: - сферическая лунка; б - вытянутая лунка; в - цилиндрическая зраншея; г-траншеи трапециевидного сечении

40 20 0 20 <7/2, мм 40 20 0 20 ¿/2, мм б) в)

Рис. 21. Исследование теплообмена в сферической лунке с ошосителыюй глубиной /</</=0,14: а - вид модели с ГДТП (обозначены квадратиками) сверху; б, в - результаты опытов поданным измерений в продольном и поперечном сечениях, соответственно Трудоемкость монтажа и сложность коммутации ГДТП вызвали необходимость в существенной переделке установки: лунку (вместе с паровой рубашкой) удалось сделать поворотной частью модели, а все ГДТП расположить на одном меридиане (рис. 22).

Измерения проводились на лунке диаметром 72 мм и глубиной /;= 15 мм (/)/</= 0,2). Показания ГДТП из висмута площадью 25 мм2 снимались с усреднением на временном интервале в 20 с.

Достаточно типичны результаты исследования сферических лунок разной относительной глубины (/?/</= 0,1...0,5). В первых сериях опытов ГДТП размещались на поверхности лункн и (для контроля) на пластине перед ней (рис.21, а). Измерения были обработаны в виде зависимостей ал./ан.(11е) (индекс <«» относится к величинам, измеряемым на сферической поверхности лунки, а индекс «м» - на плоскости; Яе = н'^/у, где с1 - диаметр лунки) (рис. 21,6, в).

Определялись также значения а„ в шлейфе за лункой (на удалении до 2,5</). Результаты опытов коррелируют с данными литературы; одновременно установлено, что результаты численного моделирования нуждаются в уточнении.

30 мм

60 мм

Для обработки результатов опыта и построения трехмерных распределений плотности теплового потока в зависимости от полярных координат с центром, находящимся на оси лунки (рис.23, а), использован пакет прикладных программ Surfer 5,0. Этот же пакет позволяет представить данные в виде системы изолиний (рис.23, б).

»«чиенсаг

а)

Рис. 22. Схема (а) н общий вид (б)

б)

модели лупки с поворотной частью

б)

Рис. 23. Поле плотности теплового потока в сферической лунке относительной глубиной />/</= 0,2: а - трехмерная визуализация поля; б - изолинии на поверхности лунки

Приведенный пример показывает, что сравнительно небольшого количества ГДТП достаточно для построения информативной и наглядной картины теплообмена. Важно, что в результате опытов получены усредненные по времени коэффициенты теплоотдачи: именно эти величины существенны для оптимизации теплообменных элементов в теплоэнергетических установках.

Суммарная стандартная неопределенность коэффициента теплоотдачи не превышала 0,99 Вт/(м"К) Относительная погрешность определения коэффициента теплоотдачи при типичном а = 100 Вт/(м:К) составляла 0,99%.

Использование ГДТП для измерения радиационных тепловых потоков

Re = 3,0-10'

It

Re = 7,0-104

II

Re = 1,0-10'

позволило создать чувствительный элемент (ЧЭ) для индикации облучения объекта мощным потоком фотонов. ЧЭ представляет собой полушар из алюминия (рис. 24,а), на поверхности которого выполнены «террасы», покрытые ленточными ГДТП (общая длина ленточки АТЭ сечением 0,25x0,25 мм, уложенной на полушар диаметром 20 мм, превысила 14 м). ГДТП соединены последовательно, а их токовыводы пропущены через каналы в полушаре и далее подсоединены к компактному разъему. Для повышения «живучести» ЧЭ снабжен радиационным экраном.

нпя

где и| = 7]/100, и2 = Г2/Ю0, а смысл остальных обозначений ясен из рис. 24, б.

Изменение температуры на поверхностях экрана и полушара, а также расчетный сигнал ЧЭ, определенные при <7=0,5-10'' Вт/м", представлены на рис. 25; они соответствуют результатам испытаний опытного образца.

Выходной сигнал ЧЭ превышает 4 В, что, даже при невысокой вольт-ваттной чувствительности (5и=1,7... 1,8 мВ/Вт), позволяет отказаться от дополнительного усиления.

Примером весьма сложного и существенно нестационарного теплообмена традиционно считают процесс, протекающий в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

Выполненная автором в 1996-1997 гг. натурная градиентная тепло- мет-рия в камере сгорания дизельного двигателя до настоящего времени остается единственной в мире.

а) б)

Рис. 24. Чувствительный элемент с радиационным экраном: а - общий вид; б - схема, поясняющая тепловую модель Предложенная в работе тепловая модель сводит задачу конструирова-ЧЭ к решению системы уравнений

ЯхЧ~со<

¿и |__

с!т ~ 100с, р, 8,

ск 100с2р2Д2

т, к 1600

1200

800

400 273'

1 Экран]

1 ж •

- - ф . г [олушар

5 10 15 20 25 т>с

£, В 4 3 2 1 0

■ -

1 1 — •е„)=0,98, е,=0,98, е( =0,98 • • е|0=0,1, еА=0,1, £,.=0,98 —с|0=0,1, еА=0,1, £,.=0,1

1 •

I 4 •

0 5 10 15 20 25 т,с

а)

а) б)

Рис. 25. Изменение температуры (а) и расчетного сигнала ЧЭ (б) в зависимости от степени чернот ы экрана

Применение ГДТП позволило экспериментально исследовать нестационарную теплоотдачу от газа к поверхности камеры сгорания четырехтактного дизельного двигателя Indenor XL4D производства концерна РСА Peugeot Citroën. Основные характеристики двигателя: вих-рекамерный, степень сжатия 23, максимальная мощность 35 кВт при 5000 об/мин, максимальный крутящий момент 84,3 Н м при 2500 об/мин. ГДТП размещали на огневой поверхности камеры сгорания так, чтобы сделать вывод проводов наиболее удобным (рис.26, а).

В первой серии опытов коленчатый вал прокручивали без подачи топлива (на частотах 250 и 870 об/мин), во второй -топливо подавалось по штатной схеме, а частоты составляли 900 и 1320 об/мин.

Видно, что максимум плотности теплового потока приходится на ВМТ, хотя практически во всех работах по тепломет-рии в ДВС приводятся зависимости плотности теплового потока от угла поворота коленчатого вала, на которых максимум плотности теплового потока «отстает» от ВМТ. Это вызвано, в основном, большой постоянной времени традиционно применяемых термоприемпиков, а также тем, что изменение температуры стенок каме-

б)

Рис. 26. Определение местной плотности теплового поз ока в камере сгорании: а - размещение ГДТП (I - ГДТП, 2 - крышка блока цилиндров); б - зависимость плотности теплового потока от угла повороза коленчатого вала (1 - сгорание, 1320 об/мни, 2 - сжатие без тонливоподачи, 870 об/мии)

ры сгорания (и, следовательно, термопар) обычно отстает от изменения температуры газа, что вносит фазовую ошибку в рассчитанный по данным термометрии тепловой поток. В наших опытах наблюдалось также различие в амплитуде колебаний плотности теплового потока в соседних циклах, что может быть вызвано как неравномерностью в движении заряда, так и неравномерностью топливоподачи от цикла к циклу.

При сгорании топлива (рис. 26, б, кривая 1) видны два максимума плотности теплового потока, что характерно для двигателей с разделёнными камерами сгорания. Первый максимум достигается вблизи ВМТ, а второй - в 70...80° от ВМТ. Теория и физические представления о таком процессе освещены в специальной литературе, однако экспериментального подтверждения «двойной максимум» до этих опытов не имел.

Интересно, что на всех кривых тепловой поток сохраняет знак. Это свидетельствует о том, что огневая поверхность в зоне измерения не успевает охладиться в такте всасывания, а плотность теплового потока пульсирует, не меняя знака.

Таким образом, в главе 3, помимо тестирования датчиков и методики градиентной теплометрии, удалось получить ряд принципиально новых и представляющих прикладной интерес результатов.

Глава 4 посвящена градиентной теплометрии в топках котельных установок. До настоящего времени о местной плотности теплового потока на поверхностях экранных труб и плавников удавалось судить лишь по показаниям термовставок - коротких трубок с термопарами, врезанных в контур высокого давления. Расчетная методика недостаточно обоснована, измерения трудоемки и, что главное, нарушают герметичность системы, а потому крайне нежелательны. Как следствие, информация о распределении плотности теплового потока на поверхности топки остается скудной, а принципиально иные подходы до последнего времени не развивались.

Помимо прочего, по изменению (во время эксплуатации) плотности теплового потока можно судить о загрязнении (шлаковании) труб - и, если приняты меры - их освобождении от шлака; такая возможность появляется только в случае, когда зон измерения достаточно много.

Отсутствие в мировой практике опыта теплометрии в топках с применением ГГДТП потребовало выполнить серию предварительных исследований.

В работе использовались ГГДТП, выполненные из композиции сталь 12Х18Н9Т + никель. Толщина слоев составляла 0,1 мм, угол разреза - 45±5° к плоскости заготовки, толщина датчика - 0,2 мм, размеры в плане - 7x10 мм. В крайних точках пластин подсоединялись токосъемные проводники. С учетом запланированного попарного расположения датчиков на измерительной вставке (фронтального и бокового) в качестве проводов использовались две стандартные хромель-алюмелевые термопары. Хромелевые провода подсоединялись к одному из ГДТП, алюмелевые - к другому; при этом обеспечивалась термостойкость сборки и исключался вклад термоЭДС электродов.

В качестве исходного макета для создания измерительной ячейки использовалась температурная вставка ЦКТИ (рис.27, а).

Градуировка (рис. 27, б) осуществлялась на специально созданном стенде: электрический нагреватель располагался соосно с трубой вставки. Его мощность, регулируемая автотрансформатором, поддерживала «опорную» температуру стенки в пределах от 370 до 630 К. Таким образом удавалось моделировать реальное тепловое состояние стенки, охлаждаемой пароводяной смесью.

Перед градуировкой поверхность вставки доводилась (покрытием сажей) до степени черноты 0,98...0,99. Источником нагрева служил экран, разогреваемый снаружи с помощью газовой горелки.

а) б)

Рис.27. Схема измерительной вставки и ■радуировочной ячейки: а - общий вил вставки без экрана с установленными ГДТП; б - схема I ралуировочной обвязки на вставке с датчиками: 1 - ГГДТП; 2 - горелка; 3 - экран-излучатель; 4 - труба; 5 - электронагреватель

— Плотность теплового потока оп-2 6 / ределялась из уравнения Стефана-\ 1111 / . Больцмана, в котором температуры \ \ \/ ^ (/ определялись по показаниям термо-I \ \__ _ 11 пар, установленных на экране и на по-

верхности трубы. Сигналы ГДТП фиксировались одновременно с показаниями термопар. Установлено, что вольт-ваттная чувствительность

различных ГДТП составляла 110... 190 мкВ/Вт.

Для монтажа ГГДТП использовались доработанные вставки ЦКТИ. Один датчик размещался на лобовой части вставки, другой - со смещением на 45°. Оба ГГДТП фиксировались на отфрезерованных в размер 8х 10 мм площадках слоем высокотемпературного компаунда, закрывались слоем слюды и защитным экраном из стали

Рис. 28. Способ монтажа ГГДТП на плавнике. Цифрами обозначены: 1 - экранные трубы; 2 - плавник; 3 - измерительная пробка; 4 - ГГДТП под слоем электронзоляцин; 5 - стальная вставка с прорезями под провода; 6 - термоаойкая nacía; 7- коммутационные провода

12Х18Н9Т, приваренным по контуру (с помощью точечной сварки) к поверхности вставки. Коммутационные провода по технологической канавке доводились до тыльной образующей и далее выводились за теплоизоляцию котла по приваренной к вставке трубе.

Предварительные испытания ГГДТП, установленных в камере сгорания жа-ротрубно-дымогарного водогрейного котла ВТГ-80 тепловой мощностью 80 кВт, дали положительные результаты и показали, что методическая погрешность, вносимая термическим сопротивлением датчика и экрана, не превышает 1 %.

Еще одна серия экспериментов показала, что коэффициент эффективности плавника как ребра прямоугольного сечения во всех расчетных режимах составляет не менее 0,96, поэтому целесообразнее, в перспективе, монтировать ГГДТП не на трубах, а на плавниках - без нарушения герметичности системы, с возможностью замены датчика и т.д. (рис. 28).

Анализ условий облучения труб и плавников показал, что соотношение средней по экрану плотности теплового потока и плотности, измеренной на середине плавника с/|1К1Х, зависит от безразмерного шага труб 5/с/:

д 1

'/шах 1 , "/2 ~ 1 (И)

Учёт этой зависимости позволяет пересчитывать измеренные на середине плавника плотности теплового потока с помощью коэффициентов, зависящих от геометрических характеристик экранов топки и не зависящих от режима работы котла.

Промышленная часть эксперимента проведена на котле БКЗ-210-140ф (ст. № 9) ТЭЦ-4 г. Кирова.

Паровой котел БКЗ-210 (номинальной паропроизводительностью £>„ = 58,3 кг/с, с параметрами перегретого пара: давлением рпс= 13,8 МПа и температурой /пс= 540°С; тепловой мощностью ()к = 143 МВт) был модернизирован в 2008 г. и переведен на вихревую технологию сжигания трех видов топлива (кузнецкого каменного угля марки Г и Д, фрезерного торфа и природного газа). В процессе монтажа новой газоплотной топки в ее вихревой зоне активного горения были установлены предварительно отградуированные доработанные термовставки ЦКТИ с ГГДТП.

В ходе длительного эксперимента (более четырех месяцев) сопоставлены характеристики местной плотности теплового потока, полученные с помощью стандартной термовставки ЦКТИ и ГГДТП.

В этот период котел эксплуатировался в диапазоне паровых нагрузок (0,5... 1,2)£)н на различных режимах (сочетаниях работающих пылесистем, гранулометрическом составе твердого топлива, воздушном балансе топки и др.) и трех указанных выше видах топлива. При этом тепловое напряжение топочного объема в указанном диапазоне нагрузок изменялось в пределах 75... 180 кВт/м3, а средние значения плотности воспринятого стенами топки

теплового потока составили 72... 155 кВт/м2.

Температура факела в вихревой зоне, измеренная оптическим пирометром, в зависимости от паровой нагрузки котла и сжигаемого топлива изменялась в пределах 1270... 1670 К. В целом вихревая зона топки оказалась достаточно изотермичной (в отдельных режимах работы котла разница между максимальной и средней температурой факела не превышала 100 К).

Полученные с помощью термовставок ЦКТИ и ГГДТП данные об изменении местной плотности теплового потока во времени представлены в виде графиков (рис. 29), из которых видно, что характер зависимостей качественно близок (за исключением термопары ЦКТИ № 1) и коррелирует с изменениями режима работы котла (периодами растопки и стационарной нагрузки). Однако при качественной корреляции, значения плотности теплового потока, вычисленные по методике ЦКТИ и по сигналу ГГДТП, отличаются на 200 кВт/м:. Оценки по результатам обработки балансовых опытов показали, что значения местной плотности теплового потока, вычисленные по методике ЦКТИ, в 2,4...3,6 раз превышают средние значения по топке, в то время как значения, определенные по сигналу ГГДТП, дают превышение от среднего в пределах 1,2 раза. Последнее хорошо согласуется с известными литературными данными и физическими представлениями о закономерностях теплообмена в камерных топках.

При работе котла на твердом топливе установлено влияние загрязнениия топочных экранов на показания ГГДТП. Например, в наладочных опытах увеличение доли вторичного воздуха в сочетании с утонением помола топлива приводило к повышению температурного максимума в зоне активного горения и интенсификации шлакования топочных экранов, о чем свидетельствовало резкое снижение сигнала ГГДТП (типичные кривые представлены на рис. 30). Снижение доли вторичного воздуха и особенно угрубление помола топлива способствовали понижению температуры в ядре горения и процессу самоочистки топочных экранов от загрязнений, о чем свидетельствовало повышение сигнала ГГДТП, и что также подтвердилось визуально.

Указанные факты показывают, что использование ГГДТП для определения воспринятого теплового потока оправдано. Данный метод качественно коррелирует с методикой ЦКТИ, однако есть основания полагать, что его результаты более точны и достоверны.

Дата: 03.11.2008

Растопка (Стационарный режим на газе (£>=32 кг/с)

Рис. 29. Изменение местной илопюсш теплового потока по данным измерений н расчетов:

I - термопара ЦКТИ №1; 2 - термопара ЦКТИ №2; 3 - среднее значение 1 н 2; 4 - лобовой ГГДТП; 5 - боковой ГГДТП; 6 - среднее значение 4 и 5

Если судить о стабильности, то в период работоспособности датчиков каких-либо качественных изменений в показаниях зафиксировано не было. Отсутствует недостаток, присущий методике ЦКТИ: при «кажущейся» работе термопары, рассчитанная по ее показаниям плотность теплового потока принимает малоправдоподобные значения.

Относительная погрешность градиентной теплометрии в топке котельного агрегата составила 17%.

Таким образом, в ходе промышленных экспериментов подтверждена работоспособность ГГДТП на огневой поверхности топки и их высокая информативность. Показания датчиков соответствуют режимам и условиям работы котла. ГГДТП можно считать средством диагностики шлакования.

Зная такие параметры экранов, как плотность воспринятого теплового потока и температуру поверхности, можно определить степень зашлакованности (загрязненности) топки или долю накопленной повреждаемости экранов. Другим практически важным применением для ГТДТП может являться диагностика положения факела в топочном объеме: различному положению факела соответствуют различные значения падающих и воспринятых тепловых потоков на ограждающих стенах топки; таким образом, получив распределение воспринятых тепловых потоков по ширине и глубине топки, можно косвенно идентифицировать положение факела.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты работы сводятся к следующему.

1. Показано, что градиентные датчики теплового потока (ГДТП), реализующие поперечный эффект Зеебека, имеют существенные преимущества перед аналогами, позволяющие использовать их при исследовании, оптимизации и эксплуатации промышленных теплоэнергетических установок.

2. Созданы принципиально новые гетерогенные датчики (ГГДТП) на основе анизотропных слоистых композитов (включая газопроницаемые), в конструкции которых использованы металлы, сплавы и полупроводники. ГГДТП обладают термостойкостью до 1300 К и выше, что делает их важным средством диагностики на теплоэнергетических объектах.

3. С единых позиций описано действие сплошных и слоистых (гетерогенных) ГДТП, что позволило аналитически оценить их чувст вительность, определить оптимальное соотношение толщин и ориентацию слоев относительно вектора теплового потока.

4. Установлены соотношения в триаде «датчик-сигнал-аппаратура», позволяющие

Рис. 30. Измерение плотности теплового потока при шлаковании термовставок (типичный пример). Обозначении кривых см.на рис. 29

выбирать любой из трех компонентов сообразно условиям измерения, требованиям к его локальности и возможностями преобразовательного тракта.

5. Показано, что ГДТП являются многофункциональными первичными преобразователями, позволяющими, помимо теплового потока, измерять температуру (без дополнительных источников питания), расход и движение жидкости, касательные напряжения трения, а также служить датчиками при мониторинге электрических сетей.

6. Установлена аномально низкая (10"s... 10 "ч с) постоянная времени ГДТП, делающая их практически безынерционными при исследовании большинства тепловых процессов. Предложена физическая модель, адекватно описывающая работу ГДТП.

7. Опытами в ударных трубах подтверждена работоспособность ГДТП в существенно нестационарных условиях, установлено их надежное действие в присутствии электрических и магнитных полей.

8. Тестирование ГДТП в экспериментах, связанных с конвективным, радиационным и сложным теплообменом, показало хорошее совпадение результатов с надежными данными литературы; кроме того, выявлены новые возможности градиентной теплометрии при оптимизации формы турбулизаторов и выборе режимов, интенсифицирующих теплообмен.

9. На основе ГДТП созданы макеты и опытные образцы устройств, предложенных для применения в теплоэнергетике и других областях техники: чувствительный элемент для индикации потоков излучения, расходомер и индикатор движения жидкости. ГДТП использованы как средство количественной диагностики на промышленных и энергетических объектах.

10. Впервые получена экспериментальная зависимость местной плотности теплового потока на стенке камеры сгорания дизельного двигателя от угла поворота коленчатого вала. Выявлено совпадение максимума плотности теплового потока с верхней мертвой точкой, показано влияние неравномерности впрыска топлива на плотность теплового потока в соседних циклах.

11. Предложена новая система теплометрии в топках промышленных котельных агрегатов, исключающая использование термовставок и нарушение герметичности пароводяного контура. Экспериментально доказана работоспособность ГГДТП в условиях, близких к реально существующим в топках промышленных котлов.

12. Градиентная теплометрия впервые успешно использована на котле БКЗ-210-140ф, установленном на ТЭЦ-4 г.Кирова. Показано, что такая система является средством диагностики шлакования теплообменных поверхностей.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Монографии:

1. Сапожников, С.З. Градиентные датчики теплового потока / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков. - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003,- 168 с.

2. Митяков, В.Ю. Градиентные датчики теплового потока в теплотехническом эксперименте / В.Ю. Митяков, A.B. Митяков, С.З. Сапожников - СПб.: Изд-во Политехи. ун-та, 2007.203 с.

Ведущие рецензируемые научные журналы из перечня ВАК:

3. Сапожников, С.З. Теплометрия в цилиндре двигателя внутреннего сгорания с использованием градиентных датчиков теплового потока / С.З. Сапожников,

B.Ю. Митяков, A.B. Митяков // Энергетика- 1997,- №9-10 - С. 53-57 - (Изв. высш. учеб. заведений).

4. Митяков, A.B. Использование поперечного эффекта Зеебека для измерения мгновенного значения теплового потока на вертикальной нагретой поверхности в условиях свободноконвективного теплообмена / A.B. Митяков, В.Ю. Митяков,

C.З. Сапожников, Ю.С. Чумаков // Теплофизика высоких температур - 2002Т. 40,-№4,-С. 669-674.

5. Баранов, П.А. Физическое и численное моделирование вихревого теплообмена при турбулентном обтекании сферической лунки на плоскости / П.А. Баранов, С.А. Исаев, А.И. Леонтьев, A.B. Митяков [и др.] // Теплофизика и аэромеханика,- 2002,- Т. 9,- № 4,- С. 521-532.

6. Леонтьев, А.И. Интенсификация смерчевого турбулентного теплообмена в асимметричных лунках на плоской стенке / А.И. Леонтьев, С.З. Сапожников,

A.B. Митяков [и др.] // Инженерно-физический журнал - 2003 - Т. 76 - №2-С. 24-31.

7. Спаожников, С.З. Измерение теплового потока на внутренних стенках канала ударной трубы / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков, C.B. Бобашев [и др.] // ПЖТФ.- 2004,- Т. 30,- Вып. 2,- С. 76-80.

8. Сапожников, С.З. Градиентные датчики теплового потока в теплофизическом эксперименте / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков // Теплофизика высоких температур - 2004 - Т. 42 - № 4. С. 626-634.

9. Сапожников, С.З. Измерение нестационарных тепловых потоков градиентными датчиками на основе анизотропных монокристаллов висмута / С.З. Сапожников,

B.Ю. Митяков, A.B. Митяков // Журнал технической физики- 2004- Т. 74-№7,-С. 114-120.

10. Бобашев, C.B. Тепловые измерения на поверхности тела, обтекаемого сверхзвуковым потоком азота / C.B. Бобашев, Н.П. Менде, С.З. Сапожников,

A.B. Митяков [и др.] // Письма в Журнал Технической Физики - 2006- Т. 32-Вып. 14,-С. 46-51.

11. Митяков, В.Ю. Местные тепловые потоки на поверхностях лунок, траншей и каверн / В.Ю. Митяков, A.B. Митяков, С.З. Сапожников, С.А. Исаев // Теплоэнергетика,- 2007,- № 3,- С. 29-32.

12. Митяков, В.Ю. Градиентные датчики для высокотемпературной теплометрии/

B.Ю. Митяков, С.А. Можайский, С.З. Сапожников, A.B. Митяков // Письма в Журнал Технической Физики-2008-Т. 34-Вып. 19-С. 1-5.

13. Менде, Н.П. Применение градиентного датчика теплового потока в исследованиях импульсных процессов на ударной трубе/ Н.П. Менде, В.А. Сахаров, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков [и др.] // Журнал технической физики - 2008Т. 78,-Вып. 12,-С. 103-104.

14. Бобашев, C.B. Использование анизотропных датчиков теплового потока в аэродинамическом эксперименте/ C.B.Бобашев, В.А.Сахаров, С.З.Сапожников,

A.B. Митяков [и др.] // Письма в Журнал Технической Физики - 2009 - Т. 35-Вып. 5.-С. 36-42.

15. Митяков,A.B. Градиентная теплометрия: возможности и перспективы/ A.B. Митяков // Промышленная энергетика - 2009 - № 2 - С. 31-34.

16. Сапожников, С.З. Состояние и перспективы развития градиентной тепломет-рии / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков, С.А. Можайский // Теплоэнергетика- 2009 - № 3- С. 2-11.- Пер. ст.: Sapozhnikov, S.Z. State and Prospects of Development of Gradient Calorimetry / S.Z. Sapozhnikov, V.Yu. Mityakov,

A.V. Mityakov, S.A. Mozhaiskii // Thermal Engineering- 2009- Vol. 56- No. 3. P. 181-190.

17. Митяков, A.B. Градиентные датчики теплового потока в физическом и промышленном эксперименте / A.B. Митяков // Приборостроение - 2009 - № 7- С. 7581.

Патенты:

18. Патент на полезную модель 75467 РФ. Датчик теплового потока (варианты)/

B.Ю. Митяков, A.B. Митяков, С.З. Сапожников. Заявка №2007137839 от 04.10.2007. Зарег. 10.08.2008.

Статьи в трудах, материалах международных и всероссийских конференций, в сборниках научных трудов:

19. Сапожников, С.З. Теплометрия в энергетике и экологии: использование градиентных датчиков / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков // Фундаментальные исследования в технических университетах: тез. докл. науч.-техн. конф. - СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1998.-С. 192.

20. Митяков, A.B. Изучение радиационно-конвективных тепловых потоков с помощью градиентных датчиков / A.B. Митяков, В.Ю. Митяков, С.З. Сапожников // II Рос. нац. конф. по теплообмену. - М.: Изд-во МЭИ, 1998. - Т. 6. - С. 331 -334.

21. Сапожников, С.З. Математическая модель и экспериментальное исследование датчика излучения в оптическом диапазоне длин волн/ С.З.Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков // Наука Кубани. Проблемы физико-математического моделирования. Естественные и технические науки. - 1998. -№2. -С. 17-21.

22. Sapozhnikov,S.Z. Heat Flux Sensor For Heat Transfer Investigation/ S.Z. Sapozhnikov, V.Y. Mitiakov, A.V. Mitiakov // 11-th International Heat Transfer Conference. - Kyongju, Korea, 1998. - Vol. 4. - P. 77-79.

23. Митяков, A.B. Математическая модель чувствительного элемента для детектора излучения / A.B. Митяков // Вестник молодых ученых. Серия: Технические науки. - СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. - № 1. С.4-11.

24. Митяков, В.Ю. Использование градиентных датчиков теплового потока для исследования местной теплоотдачи при поперечном обтекании цилиндра/ В.Ю. Митяков, A.B. Митяков, С.З. Сапожников // XII Школа-семинар молодых ученых и специалистов. - М.: Изд-во МЭИ, 1999.-Т. 1.-С.47-50.

25. Сапожников, С.З. Локальный теплообмен при вынужденной конвекции в сферической лунке / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков // IV Минский международный форум по тепломассообмену. - Минск, 2000. С.479-482.

26. Mitiakov, V. Local Heat Transfer In The Spherical Cavity At The Forced Convection / V. Mitiakov, S. Sapozhnikov, A. Mitiakov // 3-rd European Thermal Sciences Conference 2000. - Heidelberg, Germany, 2000. - Vol. 2. - P. 671-674.

27. Mitiakov, V. Transient Phenomena In Gradient Heat Flux Sensor / V. Mitiakov, S. Sapozhnikov, A. Mitiakov // 3-rd European Thermal Sciences Conference 2000. -Heidelberg, Germany, 2000. - Vol. 2. - P. 687-690.

28. Sapoznikov, S. Experimental Investigation Of The Convective Heat Transfer Using Gradient Heat Flux Sensors / S. Sapoznikov, V. Mitiakov, A. Mitiakov, Y. Chumakov // 5th World Conference on Experimental Heat Transfer. Fluid Mechanics and Thermodynamics. - Thessaloniki, Greece, 2001. - Vol. 2. - P. 1111-1116.

29. Леонтьев, А.И. Местные коэффициенты теплоотдачи на поверхности вытянутой лунки / А.И. Леонтьев, С.З. Сапожников, А.В. Митяков [и др.] // Тр. 1П Рос. нац. конф. по теплообмену. - М.: МЭИ, 2002. - Т.6. - С. 114-117.

30. Митяков, А.В. Определение радиационных и теплофизических характеристик материалов методами градиентной теплометрии / А.В. Митяков, В.Ю. Митяков, С.З. Сапожников // Тр. XXVI Сибирского теплофизического семинара. Институт теплофизики СО РАН. - Новосибирск, 2002.

31. Сапожников, С.З. Возможности градиентных датчиков при измерении тепловых потоков, температур касательных напряжений трения / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, А.В. Митяков // Тр. XXVI Сибирского теплофизического семинара. Институт теплофизики СО РАН. - Новосибирск, 2002.

32. Сапожников, С.З. Возможности градиентной теплометрии при изучении локального теплообмена в камерах сгорания ДВС / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, А.В. Митяков // Тр. Ill Рос. нац. конф. по теплообмену. - М.: МЭИ, 2002. - Т. 1. - С.215-218.

33. Митяков, В.Ю. Градиентные датчики теплового потока в корреляционной расхо-дометрии / В.Ю. Митяков, А.В. Митяков, С.З. Сапожников // XIV Школа-семинар молодых ученых и специалистов. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - Т. 1. - С.417-420.

34. Блинов, М.А. Экспериментальное исследование течения и теплообмена при свободной и смешанной конвекции воздуха в вертикальной круглой трубе / М.А. Блинов, М.Е. Лебедев, Б.С. Фокин, А.В. Митяков [и др.] // XIV Школа-семинар молодых ученых и специалистов. - М.: МЭИ, 2003. - Т.2. - С.214—218.

35. Sapoznikov, S. Capabilities Of Gradient Sensors In The Measurement Of The Heat Fluxes, Temperatures, Tangential Stresses, And Thermophysical Characteristics Of Materials / S. Sapozhnikov, V. Mitiakov, A. Mitiakov // Journal of Engineering Ther-mophysics. - 2003. - Vol. 12. - № 1. - P. 49-71.

36. Бобашев, C.B. Применение градиентного датчика теплового потока в экспериментах на ударной трубе / С.В. Бобашев, Н.П. Менде, А.В. Митяков [и др.] // Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений: тр. междунар. конф. -М, 2004.

37. Бобашев, С.В. Возможности градиентных датчиков при исследовании процессов в ударных трубах / С.В. Бобашев, Н.П. Менде, С.З. Сапожников, А.В. Митяков [и др.] // Тр. XXVII Сибирского теплофизического семинара. Институт теплофизики СО РАН. - Новосибирск, 2004.

38. Сапожников, C.B. Динамические характеристики градиентных датчиков теплового потока / С.З. Сапожников, A.B. Митяков, В.А. Сахаров [и др.] // Тр. XXVII Сибирского теплофизического семинара. Институт теплофизики СО РАН. - Новосибирск, 2004.

39. Сапожников, С.З. Градиентная теплометрия в теплотехническом эксперименте / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков // Труды СПбГГГУ №491. Энергомашиностроение. - СПб: Изд-во политехнического ун-та, 2004. С.34-47.

40. Сапожников, С.З. Градиентная теплометрия и её возможности в теплотехническом эксперименте / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - СПб, 2004.

41. Митяков, A.B. Натурная градиентная теплометрия в ударных трубах / A.B. Митяков, В.Ю. Митяков, С.З. Сапожников // XV Школа-семинар молодых ученых и специалистов. - М.: МЭИ, 2005. - Т. 1. — С.368—371.

42. Можайский, С.А. Градиентная теплометрия при мониторинге электрических сетей переменного тока / С.А. Можайский, A.B. Митяков [и др.] // XV Школа-семинар молодых ученых и специалистов. - М.: МЭИ, 2005. - Т. 1. - С.372-374.

43. Сапожников, С.З. Экспериментальное исследование теплообмена в «Трубе Леонтьева» / С.З. Сапожников, A.B. Митяков [и др.] // Тр. ХХУШ Сибирского теплофизического семинара. Институт теплофизики СО РАН. - Новосибирск, 2005.

44. Митяков, A.B. Теплометрия в кавернах и задачи нестационарного теплообмена / A.B. Митяков, В.Ю. Митяков, С.З. Сапожников // II Рос. конф. «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках». - М„ 2005.

45. Митяков, A.B. Градиентная теплометрия в сверхзвуковых потоках газоразрядной плазмы / A.B. Митяков, В.Ю. Митяков, В.А. Сахаров [и др.] // Тр. IV Рос. нац. конф. по теплообмену. - М.: МЭИ, 2006. - Т. 1. - С. 194-197.

46. Митяков, A.B. Теплометрия в ударных трубах: возможности при исследовании теплообмена в газовых потоках / A.B. Митяков, С.З. Сапожников, Н.П. Менде [и др.] // Тр. Р/ Рос. нац. конф. по теплообмену. - М.: МЭИ, 2006. - Т. 8. - С.87-89.

47. Митяков, A.B. Экспериментальное исследование процессов газодинамического энергоразделения в устройстве типа «гарпун Леонтьева» / A.B. Митяков, С.А. Можайский // Материалы конф. Политехнического симпозиума. - СПб., 2006.

48. Митяков, A.B. Экспериментальное исследование теплообмена на поверхности сферической лунки / A.B. Митяков, В.Ю. Митяков // Тр. VI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.ИЛеонтьева. - 2007. - Т. 2. - С.509-511.

49. Сапожников, С.З. Градиентная теплометрия в ДВС: возможности и перспективы / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков // Сб. науч. тр. по материалам междунар. конф. Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателе-строения МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2007 - С.551-556.

50. Сапожников, С.З. Тестирование и использование градиентных датчиков теплового потока / С.З. Сапожников, В.И. Терехов, A.B. Митяков [и др.] // Материалы V Балтийской конференции по теплообмену. - СПб., 2007. - С.567-568.

51. Баранов, П.А. Методическое численно-экспериментальное исследование турбу-

лентного течения и теплообмена около пластины со сферической лункой / П.А. Баранов, С.А. Исаев, С.3. Сапожников, A.B. Митяков [и др.] // III междунар. конф. «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках». 21-23 октября 2008 г. - М.: Изд-во МЭИ, 2008. - С. 115-116.

52. Сапожников, С.З. Исследование локального переноса тепла: уникальные возможности градиентных датчиков / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков // VI Минский международный форум по тепломассообмену. -Минск, 2008. - Т. 2. - С.375-377.

53. Сапожников, С.З. Определение теплофизических свойств с использованием градиентных датчиков теплового потока / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков,

A.B. Митяков // Тез. докл. XII российской конференции по Теплофизическим свойствам веществ. М.: Интерконтакт Наука, 2008 - С.37-38.

54. Сапожников, С.З. Градиентные датчики теплового потока / С.З. Сапожников,

B.Ю. Митяков, A.B. Митяков, С.А. Можайский // Тез. докл. XII российской конференции по Теплофизическим свойствам веществ. М.: Интерконтакт Наука, 2008- С.73-74.

55. Исаев, С.А. Моделирование нестационарного турбулентного течения и теплообмена около пластинки со сферической лункой / С.А. Исаев, A.B. Митяков [и др.] // Тр. XVII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в аэрокосмических технологиях». 25-29 мая 2009 г. - Жуковский. В 2 т. - Т.2. -М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - С. 64-67.

56. Митяков, A.B. Гетерогенные градиентные датчики теплового потока / A.B. Митяков, В.Ю. Митяков, С.А. Можайский, С.З. Сапожников // Тр. XVII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и теплообмена в аэрокосмических технологиях». 25-29 мая 2009 г. - Жуковский. В 2 т. - Т. 1. - М.: Издательский дом МЭИ, 2009. - С. 128-130.

57. Митяков, A.B. Измерение тепловых потоков при высоких температурах: инновационные датчики теплового потока / A.B. Митяков // Материалы междунар. молодежного форума «Будущее высоких технологий и инноваций за молодой Россией» в рамках XV международной выставки-конгресса «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» - Рыбинск, РГАТА, 2009. - С.26-29.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 21.01.2010. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100. Заказ 5455Ь.

Отпечатано с готового оригивал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

2009126683

2009126683

ВВЕДЕНИЕ.

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ.

1. ЗАДАЧИ И ВОЗМОЖНОСТИ ТЕПЛОМЕТРИИ. ГРАДИЕНТНЫЕ ДАТЧИКИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА.

1.1. Датчики типа вспомогательной стенки.

1.2. Градиентные датчики теплового потока (ГДТП).

1.2.1. Физические основы и расчет чувствительности.

1.2.2. Материалы и конструкции ГДТП.

1.2.3. Градуировка ГДТП и ГГДТП.

1.2.4. Преобразование сигнала.

1.3. Многофункциональность ГДТП.

1.3.1. Измерение температуры.

1.3.2. Измерение расхода и индикация движения среды.

1.3.3. Измерение касательных напряжений трения.

1.3.4. Измерения в электрических сетях.

2. ГРАДИЕНТНАЯ ТЕПЛОМЕТРИЯ В НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССАХ.

2.1. Динамические характеристики ДТП.

2.2. Тепловая модель ГДТП.

2.3. Теплометрия в ударных трубах.

3. ТЕСТИРОВАНИЕ СРЕДСТВ И МЕТОДОВ ГРАДИЕНТНОЙ ТЕПЛОМЕТРИИ.

3.1. Градиентная теплометрия при свободно-конвективном теплообмене.

3.2. Градиентная теплометрия при вынужденно-конвективном теплообмене.

3.3. Градиентная теплометрия при теплообмене излучением.

3.4. Градиентная теплометрия в дизельном двигателе.

4. ГРАДИЕНТНАЯ ТЕПЛОМЕТРИЯ В ТОПКАХ КОТЕЛЬНЫХ

АГРЕГАТОВ.

4.1. Задачи и особенности теплометрии в топках.

4.2. Теплометрия с использованием температурных вставок и калориметров.

4.3. Градиентная теплометрия в котельных установках.

4.4. Постановка промышленного эксперимента.

Совершенствование конструкций, оптимизация схемных решений и режимов, сокращение энергопотребления, защита окружающей среды при действии теплоэнергетических установок требуют комплексных теоретических и экспериментальных исследований процессов теплообмена на стадиях разработки, испытаний и модернизации энергетического оборудования.

Современный теплотехнический эксперимент - лабораторный и промышленный - резко повысил информативность. В первую очередь, это связано с возможностями цифровой измерительной техники и компьютеризацией опытов, позволяющими регистрировать, архивировать и обрабатывать большие массивы данных. В то же время парк датчиков существенно отстает от уровня преобразовательной техники и в настоящее время сдерживает развитие экспериментальных исследований. Сходные трудности, но на гораздо более высоком уровне, проявляются при эксплуатации теплоэнергетических установок, когда измерения технологических параметров являются входньши сигналами для систем управления.

Наше внимание привлекло одно из узких мест в эксперименте -определение тепловых потоков на поверхностях теплообмена. Если в лабораторных условиях определение теплового потока (теплометрия) представляет лишь методические и аппаратные трудности, то в экспериментах промышленных к ним добавляются требования высокой надежности датчиков и аппаратуры в течение длительного времени, сложность или невозможность доступа к датчикам во время эксплуатации установки, ограничение числа каналов для вывода информации и др.

В основу диссертации положены положительные результаты, полученные автором в ходе исследования средств и методов градиентной теплометрии, в первую очередь - градиентных датчиков теплового потока

ГДТП) на основе анизотропных монокристаллов висмута. Основные результаты этих работ обсуждаются в главах 1-3, однако сразу же выявляется коренной и неустранимый недостаток таких ГДТП: их термостойкость ограничена точкой плавления висмута (544 К), а потому явно недостаточна для широкого применения в промышленной теплоэнергетике.

Для решения проблемы предложены принципиально новые гетерогенные градиентные датчики теплового потока (ГГДТП). В основе их конструкции - косослойные анизотропные композиты, а в качестве исходных материалов использованы металлы, сплавы и полупроводники. Термостойкость ГГДТП доходит до 1300 К и может быть повышена путем применения более тугоплавких материалов.

Общность принципа действия всех ГДТП - поперечный эффект Зеебека - позволила с единых позиций оценить их чувствительность, дать рекомендации по выбору материалов, размерам элементов и их ориентации относительно вектора теплового потока.

В ходе многочисленных опытов - как выполненных с участием автора, так и независимых - установлена аномально малая постоянная времени ГДТП всех типов, составляющая 10"8.10"9 с. Это делает их практически безынерционным средством теплометрии в большинстве теплоэнергетических установок, и, что не менее важно, позволяет без искажений фиксировать и обрабатывать колебания теплового потока, частотные и амплитудные характеристики которых определяют влияние турбулентности, позволяют лучше понять природу процессов теплообмена.

Важной особенностью ГДТП является их многофункциональность. В работе показано, как осуществить термо- и теплометрию одним ГДТП, не используя дополнительных источников электрического тока. Созданы макеты и опытные образцы устройств, в которых ГДТП используются как датчики расходомеров, индикаторов движения жидкости, позволяют измерять контактные напряжения трения. Предложена система мониторинга в электрических сетях, основанная на градиентной теплометрии, которая предотвращает несанкционированное энергопотребление. На защиту выносятся:

1. Основы теории ГДТП, позволяющие с единых позиций описывать и сопоставлять действие сплошных и слоистых датчиков, выбирать материалы для их создания, а также конструктивные и технологические параметры, прогнозировать вольт-ваттную чувствительность.

2. Конструкции, технология производства, градуировки и монтажа гетерогенных датчиков теплового потока (ГГДТП), обеспечивающие выполнение высокотемпературной градиентной теплометрии.

3. Использование ГДТП для измерений температуры, расхода, протекания жидкости, касательных напряжений трения и параметров электрических сетей.

4. Экспериментально установленный уровень постоянной времени для всех рассмотренных типов ГДТП (10~8.10~9 с) и возможность применения ГДТП в присутствии мощных электромагнитных воздействий.

5. Новая система градиентной теплометрии в топках котлоагрегатов, конструкция измерительных ячеек на основе ГТДТП и результаты промышленного использования метода - в частности, как средства диагностики при ошлаковывании поверхностей теплообмена.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Создана физическая модель, адекватно описывающая действие ГДТП различных типов. Дана оценка толщины «рабочего» слоя, генерирующего термоЭДС, сопоставлены условия и результаты теплометрии, выполненной датчиками продольного и поперечного типов.

2. Впервые получены слоистые композиты на основе металлов, сплавов и полупроводников, являющиеся заготовками для ГГДТП. Осуществлена диффузионная сварка пакетов из чередующихся пластин при отсутствии защитных сред. Установлено, что ширина диффузионной зоны на границе слоев не превышает 5% их толщины.

3. Показано, что постоянная времени ГДТП слабо зависит от их типа, материалов, и конструкции, а сами датчики адекватно реагируют на существенно нестационарные тепловые воздействия и свободны от влияния электромагнитных полей.

Практическая ценность диссертации определяется нижеперечисленными результатами.

1. Разработаны, созданы, отградуированы и тестированы в ходе лабораторных и промышленных экспериментов ГДТП различных видов, размеров и конструкций. Установлено, что их технические характеристики существенно превышают уровень современных мировых аналогов.

2. Установлены соотношения между ожидаемым уровнем теплового потока, размерами ГДТП и возможностями аппаратуры, позволяющие выбирать любой из трех факторов по двум другим, тестирована и успешно использована система для обработки сигналов ГДТП, их архивирования и преобразования.

3. Созданы макеты и опытные образцы устройств, использующие ГДТП для измерения температуры, расхода, касательных напряжений трения и параметров в электрических сетях.

4. Создан опытный образец чувствительного элемента, регистрирующий поток излучения без дополнительного усиления сигнала.

5. ГДТП использованы как средство количественной диагностики тепловых потерь на промышленных и энергетических объектах.

6. Реализована в промышленных условиях градиентная теплометрия в топке котла БКЗ-210-140ф, показавшая работоспособность и информативность ГГДТП, а также их полезность при диагностике ошлаковывания поверхностей теплообмена.

Автор лично определял направления исследований, руководил постановкой опытов и участвовал в их проведении, анализировал и обобщал полученные результаты. Он участвовал в разработке и получении новых слоистых композитов и в создании на их основе ГГДТП, разработал и выполнил их градуировку, участвовал в промышленном эксперименте. В работе использованы методически апробированные результаты, полученные автором в 1996-2009 гг. при использовании ГДТП на основе висмута в лабораторном и промышленном эксперименте.

По материалам диссертации имеется 57 публикаций, в том числе 2 монографии и патент РФ на полезную модель. Отдельные результаты и работа в целом обсуждались и получали одобрение на семинарах и конференциях различного уровня, включая международные.

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

ALTP - Atomic Layer Thermo Pile (атомарная термоэлектрическая батарея);

HTHFS - High Temperature Heat Flux Sensor (высокотемпературный датчик теплового потока);

АТЭ - анизотропный термоэлемент;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;

ВМТ - верхняя мертвая точка;

ГГДТП - гетерогенный градиентный датчик теплового потока;

ГДТП - градиентный датчик теплового потока;

ГТУ - газотурбинная установка;

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ДТП - датчик теплового потока;

ИВК - измерительно-вычислительный комплекс;

КНТ - касательное напряжение трения;

МГД - магнитогазодинамическое (взаимодействие);

ТП - термопара на плавнике;

ТТ - термопара на трубе;

ТЭ - термопара на экране;

УТ - ударная труба;

ФЭУ - фотоэлектрический умножитель; ЦКС - циркулирующий кипящий слой; ЧЭ - чувствительный элемент; ЭДС - электродвижущая сила; а - температуропроводность, м2/с; Ап - амплитудная функция; Ь - ширина, м; В - ширина, м;

В - вектор магнитной индукции;

Во - магнитная индукция, Тл; с-удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг-К); С - постоянный коэффициент, 1/В;

Со=5,67 Вт/(м2К4) - коэффициент поглощения абсолютно черного тела; Сь С2 ,С3 - кристаллографические оси в АТЭ; Cf- коэффициент сопротивления; (Л - диаметр, м;

И - дисперсия плотности теплового потока, Вт2/(м4); Д„, - расход перегретого пара, т/ч: Е - ЭДС, В; е\,ег- термоЭДС термопар, В: Ео - электрический сигнал, В;

Етах - верхний предел измерения для выходного сигнала Е, В;

Ед - спектральная плотность мощности пульсаций теплового потока, с; ех- поперечная термоЭДС АТЭ, В;

Ех - напряженность термоэлектрического поля в направлении оси х, В; ^-напряженность термоэлектрического поля в направлении оси г, В; Е'х, Е'- - составляющие вектора напряженности электрического поля в направлениях осей х и г, соответсвенно, В; Ед - сигнал ГДТП, В;

Еизи - величина измеренного сигнала ГДТП, В; Е* — уровень тепловых шумов, В;

- суммарная термоЭДС, В; £ц - продольная ЭДС, В;

Е± - поперечная ЭДС, В;

Е - вектор напряженности электрического поля, В; /- частота, Гц; Е - площадь, м2; ть - минимальная площадь ГДТП, м2; g - ускорение свободного падения, м/с2; к - толщина, м;

Н— показания манометра, мм; го - толщина прогретого слоя, м; - мгновенное значение силы тока, А;

I - сила тока, А;

1тт - интенсивность пульсаций температуры; 1д - интенсивность пульсаций плотности теплового потока; у - поток частиц-носителей заряда; к - разрядность АЦП; ке - коэффициент чувствительности термопары, В/К;

2 2 к - «коэффициент датчика», Вт-В/(м К ); к\ - коэффициент чувствительности батарейного ДТП, Вт/(м2-В);

К> - коэффициент передачи операционного усилителя; Ь — расстояние, м; / - длина, м;

0 - характерный размер, м; т - коэффициент запаса, отсекающий тепловой шум; М- число Маха; п - количество элементов; N - мощность, Вт; п3 - коэффициент запаса, определяемый требованием к точности измерений; па - число спаев термопары;

Р, Р& — давление на стенке и атмосферное давление, соответственно, Па; Р - мощность нагревателя, Вт; р - мгновенная мощность, Вт; Р&ар - давление в барабане, кгс/см2; q - плотность теплового потока, Вт/м2;

Q - тепловой поток, Вт;

• О q - вектор плотности теплового потока, Вт/м ; q - среднее арифметическое измеряемой плотности теплового потока, Вт/м2; qQ - постоянная плотность теплового потока, Вт/м ; о qv - объемная плотность теплового потока, Вт/м ; qmax — максимальное значение плотности теплового потока, Вт/м2;

Qz - внешний тепловой поток, Вт; —»

Qz - вектор результирующего теплового потока в АТЭ; qz - плотность внешнего теплового потока, Вт/м ; бпот - потери теплоты, Вт;

- плотность теплового потока в лунке, Вт/м2; пл — плотность теплового потока на плоской поверхности, Вт/м2;

7ф - средняя плотность теплового потока при азимутальном угле ср, Вт/м2; q'ф - характерная амплитуда колебаний плотности теплового потока,

Вт/м2;

Ф (т) - местные значения плотности теплового потока при фиксированном значении азимутального угла ф, Вт/м ; yjq'q - среднеквадратичное значение пульсации плотности теплового л потока при фиксированном азимутальном угле ф, Вт/м ; г - текущая координата, м; R - сопротивление, Ом; Го -радиус, м;

Ro - сопротивление ГДТП при нулевой температуре, Ом;

- корреляционная функция; Rqx - коэффициент автокорреляционной функции пульсаций плотности теплового потока;

Ят- сопротивление ГДТП при температуре Т, Ом;

- сопротивление шунта, Ом; Я - шаг труб, м;

Яо - вольт-ваттная чувствительность, В/Вт; отах ~ максимальная вольт-ваттная чувствительность В/Вт;

- вольт-ваттная чувствительность ЧЭ, В/Вт;

5/- линейная вольт-ваттная чувствительность, (В-м)/Вт; Б - рабочий коэффициент ГДТП, (В м2)/Вт;

- вольт-градусная чувствительность ГДТП, В/К;

- рабочий коэффициент датчика КНТ; Т- температура, °С, К;

Т0 - начальная температура, К;

Т\, Тг - постоянные и различные температуры, поддерживаемые на гранях АТЭ, К; шах - максимальная рабочая температура, °С;

Iтемпература жидкости, К;

Тк - температура стенки, К;

Тэ - температура экрана, К;

Тт— температура трубы, К;

Гпп - температура перегретого пара, °С;

Тпв - температура питательной воды, °С;

Гпа - температура пара до ширм в нитке А (справа), °С ;

Тпб - температура пара до ширм в нитке Б (слева), °С; и - напряжение, В; л

V - объем, м ;

• л

V - объемный расход, м /с;

- средняя скорость набегающего потока, м/с; Ж - скорость, м/с; х, у, г - пространственные координаты;

X— добротность; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м~-К); а5 - коэффициент теплоотдачи в лунке,

Вт/(м2-К);

Ыу, - коэффициент теплоотдачи на плоской поверхности,

Вт/(м К); аф - средний во времени коэффициент теплоотдачи на азимутальном угле Ф, Вт/(м2-К); аФ (т) ~~ мгновенные значения коэффициента теплоотдачи на азимутальном угле ф, Вт/(м -К);

Р - коэффициент объемного термического расширения, 1/К; у - угол поворота коленчатого вала ДВС, АЬ - толщина изоляции, м;

А£изм - абсолютная погрешность измерения сигнала АЦП, В;

Ад - вероятная относительная погрешность измерения теплового потока излучения, %;

АТ - перепад температур, К; А Т „

--конечно-разностный аналог градиента температуры, К/м;

Ах

АГМ - разность температур на слое материале, К;

АГД = Ти - Т2д - разность температур Т\я и Г2д на противоположных поверхностях ДТП;

АТ = Тст ~ТЖ- разность температур при конвективном теплообмене, К; Ат - толщина слоя материала, м;

А£ - суммарная стандартная неопределенность определения чувствительности;

Ау - суммарная стандартная неопределенность определения величины; 5 - толщина, м;

5** - толщина потери импульса, м; 8д - толщина ДТП, м; - степень черноты; в Пр - приведенная степень черноты; еь е2 - компоненты термоЭДС слоев ГГДТП; - тензор дифференциальной термоЭДС;

1ъ е22, Езз - компоненты тензора дифференциальной термоЭДС вдоль осей

Сь С2 и С3, соответственно, в АТЭ, В/К; г} - интенсивность пульсаций плотности теплового потока; т)^ = —— безразмерный радиус; Л цх = — - безразмерная толщина; к

0 - угол наклона тригональной плоскости в АТЭ, вя - безразмерная температура; 0ор1 - оптимальное значение угла 0;

0(т) - нестационарная температура, К; Т — Т =-— - безразмерная избыточная температура;

Го теплопроводность, Вт/(м-К);

X - тензор теплопроводности;

Ху- теплопроводность жидкости, Вт/(м-К);

22, ^зз - компоненты тензора теплопроводности вдоль осей Сь С2 и Сз, соответственно, в АТЭ, Вт/(м-К);

Хж - теплопроводность воздуха при температуре , Вт/(м-К); цс - динамическая вязкость, Па-с;

1П - корни характеристического уравнения;

V - кинематическая вязкость, м/с; - коэффициент гидродинамического сопротивления; р - плотность, кг/м3; рв - плотность висмута, кг/м3;

Рвозд - плотность воздуха, кг/м ; рл - плотность лавсана, кг/м3; с - среднее квадратичное отклонение; стс - удельная электрическая проводимость, 1/Ом;

- интенсивность пульсаций плотности теплового потока; ат — интенсивность пульсаций температуры; £о безразмерная вольт-ваттная чувствительность; х - время, с;

Тщш - постоянная времени, с;

- минимально возможное (расчетное) значение постоянной времени, с; т - касательное напряжение трения, Па; р - угловая координата (азимутальный угол) на цилиндре,

- термический коэффициент сопротивления, 1/К; ц/ - оптимальный угол установки турбулизаторов,

Ут — коэффициент неоднородности поля температуры; со - угловая скорость, с"1;

Г»' XI

В1 =--число Био; X

Бо = Щ- - число Фурье для полу ограниченного тела; х

Б о = ^Цг - число Фурье для полушара; Я2 gPATx3 г иг =--число Грасгофа; V

К = безразмерное отношение аккумуляционной способности с2 р2^2 верхней части составной пластины (ГДТП) к нижней (подложке);

Кл = - модифицированное число Кирпичева (безразмерная глубина);

МЬ сх x

10 = —--число Нуссельта в лобовой точке (ф = 0), где аф = а0;

XX

N11 л =--число Нуссельта для пластины;

Хг а (I

N11 ф = ---число Нуссельта при фиксированном азимутальном угле ср; 2 л

N11 = — |Кифа?ф - число Нуссельта, усредненное по окружности 2 п 0 цилиндра;

Рг/5Рг„, - число Прандтля при температуре жидкости и стенки, соответственно;

Яе = - число Рейнольдса для цилиндра; v

Яе^ = — - число Рейнольдса для пластины; v

В212а

Б = 0 0 с - число Стюарта; рм>

8Ь = - число Струхаля;

Ти - степень турбулентности, %;

УТг - проекция градиента температуры на ось дТ- 074 дТг

VТ = —I л--у н--к - вектор градиента температуры. дх ду дг

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты работы сводятся к следующему.

1. Показано, что градиентные датчики теплового потока (ГДТП), реализующие поперечный эффект Зеебека, имеют существенные преимущества перед аналогами, позволяющие использовать их при исследовании, оптимизации и эксплуатации промышленных теплоэнергетических установок.

2. Созданы принципиально новые гетерогенные датчики (ГГДТП) на основе анизотропных слоистых композитов, в конструкции которых использованы металлы, сплавы и полупроводники. ГГДТП обладают термостойкостью до 1300 К и выше, что делает их важным средством диагностики в теплоэнергетике, позволяющим существенно повысить информативность обследования и обоснованность мер управления на энергетических объектах.

3. С единых позиций описано действие сплошных и слоистых (гетерогенных) ГДТП, что позволило аналитически оценить их чувствительность, определить оптимальное соотношение толщин и ориентацию слоев относительно вектора теплового потока.

4. Установлены соотношения в триаде «датчик-сигнал-аппаратура», позволяющие выбирать любой из трех компонентов сообразно условиям измерения, требованиям к его локальности и возможностями преобразовательного тракта.

5. Показано, что ГДТП являются многофункциональными первичными преобразователями, позволяющими, помимо теплового потока, измерять температуру (без дополнительных источников питания), расход и движение жидкости, касательные напряжения трения, а также служить датчиками при мониторинге электрических сетей. о д

6. Установлена аномально низкая (10 .10 с) постоянная времени ГДТП, делающая их практически безынерционными при исследовании большинства тепловых процессов. Предложена физическая модель, адекватно описывающая работу ГДТП и объясняющая принципиальные различия между датчиками теплового потока различных типов.

7. Опытами в ударных трубах подтверждена работоспособность ГДТП в существенно нестационарных условиях, показано, что они надёжны в присутствии мощных электрических и магнитных полей.

8. Тестирование ГДТП в экспериментах, связанных с конвективным, радиационным и сложным теплообменом, показало совпадение результатов с надежными данными литературы; кроме того, выявлены новые возможности градиентной теплометрии при оптимизации формы турбулизаторов и выборе режимов, интенсифицирующих теплообмен.

9. На основе ГДТП созданы макеты и опытные образцы устройств, предложенных для применения в теплоэнергетике и других областях техники: чувствительный элемент для индикации потоков излучения, расходомер и индикатор движения жидкости. ГДТП использованы как средство количественной диагностики на промышленных и энергетических объектах.

10. Впервые получена экспериментальная зависимость местной плотности теплового потока на стенке камеры сгорания дизельного двигателя от угла поворота коленчатого вала. Выявлено совпадение максимума теплового потока с верхней мертвой точкой, показано влияние неравномерности впрыска топлива на плотность теплового потока в соседних циклах, что углубляет представления о природе внутрицилиндровых процессов и делает ГДТП перспективным инструментом в этой области.

11. Предложена новая система теплометрии в топках промышленных котельных агрегатов, исключающая использование термовставок и нарушение герметичности пароводяного контура. Экспериментально доказана работоспособность ГГДТП в условиях, близких к реально существующим в топках промышленных котлов.

12. Градиентная теплометрия впервые успешно использована на котле БКЗ-210-140ф, установленном на ТЭЦ-4 г.Кирова. Показано, что такая система является средством диагностики шлакования теплообменных поверхностей.

1. Акатнов, Н.И. и др. Исследование на ударной трубе с соплом сверхзвуковых МГД каналов на неравновесной плазме инертного газа Текст. / Н.И. Акатнов [и др.] // Журнал технической физики. -1982. Т.52. - Вып. 5. -С. 884-892.

2. Акылбаев, Ж.С., Исатаев, С.И., Пользик, В.В. Срыв вихрен с поверхности плохообтекаемых тел и его влияние на теплообмен Текст. / Ж.С. Акылбаев, С.И. Исатаев, В.В. Пользик // Тепло и массоперенос. - 1972.-Т.1.-Ч 1. - С.291-295.

3. Алехнович, А.Н. Коэффициент тепловой эффективности топочных экранов применительно к нормативному методу теплового расчета котлов Текст. / А.Н. Алехнович // Теплоэнергетика. 2007. - №9. -С.23-29.

4. Аморфные и поликристаллические полупроводники Текст. / В. Хейванг, У. Биркхольц, Р. Айнцингер [и др.]; под ред. В. Хейванга. М.: Мир, 1987. - 160 с.

5. Анатычук, Л.И. Полупроводники в экстремальных температурных условиях Текст. / Л.И. Анатычук, Л.П. Булат. СПб.: Наука, 2001.224 с.

6. Анатычук, Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства Текст.: Справочник / Л.И. Анатычук. Киев: Наукова думка, 1979. -768 с.

7. Арефьев, K.M. Квантовая механика в расчетах переноса паров металлов в газах Текст. / K.M. Арефьев, М.А. Гусева, Н.Б. Балашова. -Л.: ЛГУ, 1990.-215 с.

8. Бабинский, М.Г. Некоторые аэродинамические исследования в гиперзвуковой ударной трубе ЛПИ Текст. / М.Г. Бабинский [и др.] // Механика и машиностроение. Труды ЛПИ. 1976. - №352.1. С. 100-104.

9. Беленький, МЛ. Конвективный теплообмен при обтекании поверхности со сферическими лунками Текст.: Учеб. пособие /

10. М.Я. Беленький, М.Е. Лебедев, Б.С. Фокин. СПб.: СПбГТУ, 1996. -24 с.

11. Беляев, Н.М., Рядно, A.A. Методы нестационарной теплопроводности Текст.: Учеб. пособие для вузов / Н.М. Беляев, A.A. Рядно. М.: Высш. школа, 1978. - 328 с.

12. Бирюков, Б.В. Точные измерения расхода жидкостей Текст. / Б.В. Бирюков, Б.В. Романов, М.А. Данилов, С.С. Кивилис. М.: Машиностроение, 1977. - 144 с.

13. Блатт, Ф.Дж. Термоэлектродвижущая сила металлов Текст. / Ф.Дж. Блатт, П.А. Шредер; под ред. Д.К. Белащенко. М.: Металлургия, 1980. - 248 с.

14. Блох, А.Г. Теплообмен излучением: Справочник Текст. / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н.Рыжков. М.: Энергоатомиздат., 1991. - 432 с.

15. Бобашев, C.B., Менде, Н.П. Применение градиентного датчика теплового потока в экспериментах на ударной трубе Текст. / C.B. Бобашев, Н.П. Менде, В.А. Сахаров [и др.] // Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений. М., ЦАГИ, 2004. - С.389-391.

16. Бриндли, К. Измерительные преобразователи Текст.: Справ, пособие / К. Бриндли. М.: Энергоатомйздат, 1991. - 144 с.

17. Ван дер Зил, А. Шумы при измерениях Текст. / А. Ван дер Зил. — М.: Мир, 1979.-294 с.

18. Видинеев, Ю.Д. Автоматическое непрерывное дозирование газов Текст. / Ю.Д. Видинеев. М.: Энергия, 1971. - 88 с.

19. Воронков, В.Б., Гук, Е.Г. Прямое сращивание кремниевых пластин с диффузионным слоем Текст. / В.Б. Воронков, Е.Г. Гук, В.А. Козлов, В.Б. Шуман // Письма в ЖТФ, 1998. Т. 24, - № 6. - С. 1-5.

20. Гаджиев, С.Н. Бомбовая калориметрия Текст. / С.Н. Гаджиев. М.: Химия, 1988. - 192 с.

21. Гёлль, П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс Текст. / П. Гёлль. М.: ДМК, 1999. - 144 с.

22. Геращенко, O.A. Основы теплометрии Текст. / O.A. Геращенко. -Киев: Наукова думка, 1971. 192 с.

23. Гидравлический расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) Текст. / О.М. Балдина, В.А. Локшин, Д.Ф. Петерсон [и др.]; под ред. В.А. Локшина. М.: Энергия, 1978. - 256 с.

24. Гидродинамика и теплообмен при обтекании одиночных углублений на исходно гладкой поверхности Текст. / В.Н. Афанасьев, В.Ю. Веселкин, А.И. Леонтьев [и др.]. М.: МГТУ, 1991. - Ч. 2. -140 с.

25. ГОСТ 7.80-2000. Библиографическая запись. Заголовок: общие требования и правила составления Текст. Минск, 2000. - III.8 с.

26. Грабов, В.М., Дивин, Н.П., Комаров, В.А. Быстродействиеанизотропного элемента Текст. / В.М. Грабов, Н.П. Дивин, В.А. Комаров [и др.] // Термоэлектрики и их применение: сб. тр. ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. СПб, 2002. - С. 85-88.

27. Гребеньков, П.Ю., Назаров, М.Н. Исследование локального теплообмена в топке котла П-67 с использованием системы диагностики Текст. / П.Ю. Гребеньков, М.Н. Назаров // Сборник докладов IV Всерос. конф. 4-7 июня 2007 г. Челябинск, 2007. -Ч. I.-C. 99-104.

28. Григорьев, Б.А. Импульсный нагрев излучениями. Нестационарные температурные поля при импульсном лучистом нагреве Текст. / Б.А. Григорьев. М.: Наука, 1974. - Ч. 2. - 728 с.

29. Григорьев, Б.А. Импульсный нагрев излучениями: Характеристики импульсного облучения и лучистого нагрева Текст. / Б.А. Григорьев. М.: Наука, 1974. - Ч. 1.-320 с.

30. Гузеев, A.C., Лебедев, А.О., Митяков, A.B., Митяков, В.Ю. Можайский, С.А., Сапожников, С.З. / О задымляемости транспортных судов Текст. / A.C. Гузеев, А.О. Лебедев,

31. A.B. Митяков, В.Ю. Митяков, С.А. Можайский, С.З. Сапожников // ОМИП 2009, 23-26 июня 2009 г. - Москва.

32. Гуревич, Э.И. Переходные тепловые процессы в электрических машинах Текст. / Э.И. Гуревич, Ю.Л. Рыбин. Л.: Энергоатомиздат, 1983.-216 с.

33. Дивин, Н.П. Датчик теплового потока. Свидетельство на полезную модель № 9959 с приоритетом от 10.08.1998 г. Российское агентство по патентам и товарным знакам. 16.05.99. Бюллетень «Полезные модели». №5.

34. Диффузионная сварка материалов Текст.: Справочник /

35. B.П. Антонов и др.; под ред. Н.Ф. Казакова. М.: Машиностроение,1981.-271 с.

36. Дрейцер, Г.А. Критический анализ современных достижений в области интенсификации теплообмена в каналах Текст. / Г.А. Дрейцер // Вторая российская национальная конференция по теплообмену. М.: МЭИ, 1998. - Т.6. - С. 91-98.

37. Дульнев, Г.Н. Теплопроводность смесей и композиционных материалов Текст.: Справочная книга / Г.Н. Дульнев, Ю.П. Заричняк. JL: Энергия, 1974. - 264 с.

38. Дьяконов, В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ Текст. / В.П. Дьяконов. М.: Наука, 1987.-240 с.

39. Жилин, Ю.В. Методика измерения стационарных тепловых потоков с помощью пленочных датчиков сопротивления Текст. / Ю.В. Жилин // ИВТАН. Препринт № 2-005, 1976. 25 с.

40. Жукаускас, A.A. Конвективный перенос в теплообменниках Текст. / A.A. Жукаускас. М.: Наука, 1982. - 472 с.

41. Иванов, Г.А., Колосов, Г.Д. Электрические свойства чистого висмута и его сплавов с оловом в широком температурном интервале Текст. / Г.А. Иванов, Г.Д. Копосов // Вопросы кристаллизации и физики твердого тела: уч. зап. Л., 1965. - С.205-213.

42. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям Текст. / И.Е. Идельчик. М.: Машиностроение, 1975. - 559 с.

43. Измерения в промышленности: Справ, изд. в 3-х кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура Текст. / под ред. П. Профоса. М.: Металлургия, 1990. 384 с.

44. Ильинский, В.М. Бесконтактное измерение расходов Текст. / В.М. Ильинский. М.: Энергия, 1970. 112 с.

45. Иордаттишвили, Е.К. Нестационарные процессы в термоэлектрических и термомагнитных системах преобразования энергии Текст. / Е.К. Иорданишвили, В.П. Бабин. М.: Наука, 1983. -216 с.

46. Исаев, С.А. Интенсификация смерчевого турбулентного теплообменав асимметричных лунках на плоской стенке Текст. / С.А. Исаев,

47. A.И. Леонтьев, И.А. Пышный и др. // Инженерно-физический журнал. , 2003. - Т.76. - №2. - С. 31-34.

48. Исаев, С.А. Местные коэффициенты теплоотдачи на поверхности вытянутой лунки Текст. / С.А. Исаев, А.И. Леонтьев, A.B. Митяков,

49. B.Ю. Митяков, С.З. Сапожников // Труды третьей российской национальной конференции по теплообмену. Т.6. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. М.: МЭИ, 2002. - С.214-218.

50. Исаев, С.А., Митяков, A.B. Численное моделирование конвективного теплообмена в низкоскоростных отрывных течениях неоднородных сред Текст. / С.А. Исаев, A.B. Митяков, В.Ю. Митяков,

51. C.А. Можайский, С.З. Сапожников // Школа-семинар. Жуковский, 2009.-С.

52. Исследование нестационарного тепло- и массообмена Текст.: Сб. науч. тр. / Минск: Наука и техника, 1966. 252 с.

53. Кавтарадзе, Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях

54. Текст.: Учеб. пособие / Р.З. Кавтарадзе. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 592 с.

55. Карслоу, Г. Теплопроводность твердых тел Текст. \ Г. Карслоу, Д. Егер. М.: Наука, 1964. - 488 с.

56. Карташов, Э.М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел Текст.: Учеб. пособие для вузов / Э.М. Карташов. М.: Высшая школа, 1979.-415 с.

57. Каханович, B.C. Измерение расхода вещества и тепла при переменных параметрах Текст. / B.C. Каханович. М.: Энергия, 1970.- 168 с.

58. Кемельман, Д.Н. Наладка котлоагрегатов Текст.: Справочник. / Д.Н. Кельман [и др.] М.: Энергия, 1976. - 344 с.

59. Китанин, Э.Л. Решение задач теплопроводности с помощью ЭВМ Текст.: Учеб. пособие / Э.Л. Китанин. A.M. Тарасенко. Л.: ЛПИ, 1989.-52 с.

60. Коротков, П.А. Динамические контактные измерения тепловых величин Текст. / П.А. Коротков, Г.Е. Лондон. Л.:266

61. Машиностроение, 1974. 224 с.

62. Коротков, П.А. Тепловые расходомеры Текст. \ П.А. Коротков, Д.В. Беляев, Р.К. Азимов. Л.: Машиностроение, 1969. - 176 с.

63. Костин, А.К. Работа дизелей в условиях эксплуатации Текст.: Справочник / А.К. Костин, Б.П. Пугачев, Ю.Ю. Кочинев; под ред. А.К. Костина. Л.: Машиностроение, 1989. - 284 с.

64. Кошкин, В.К. Нестационарный теплообмен Текст. / В.К. Кошкин, Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, С.А. Ярхо. М.: Машиностроение, 1973.-328 с.

65. Кремлевский, П.П. Расходомеры и счетчики количества Текст.: Справочник / П.П. Кремлевский. Л.: Машиностроение, 1989. -701 с.

66. Кутателадзе, С.С. Пристенная турбулентность Текст. / С.С. Кутателадзе. Новосибирск: Наука, 1973. - 228 с.

67. Кутателадзе, С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление Текст.: Справочное пособие / С.С. Кутателадзе.

68. М.: Энергоатомиздат, 1990. 367 с.

69. Левин, В.М. Расходомеры малых расходов для схем промышленной автоматики Текст. / В.М. Левин. М.: Энергия, 1972. - 72 с.

70. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа Текст. / Л.Г. Лойцянский. М.: Наука, 1987. - 840 с.

71. Лыков, A.B. Теория теплопроводности Текст. / A.B. Лыков. М.: Высшая школа, 1967. - 600 с.

72. Мак-Доналд, Д. Введение в физику шумов и флуктуаций Текст. / Д. Мак-Доналд. М.: Мир, 1964. - 158 с.

73. Масленников, В.Г., Сахаров, В.А. Двухдиафрагменная ударная труба Физико-технического института Текст. / В.Г. Масленников, В.А. Сахаров // Журнал технической физики. 1997. - Т. 67. -№ 11.-С. 8895.

74. Маякин, В.П. Электронные системы для автоматизированного измерения характеристик потоков жидкостей и газов Текст. / В.П. Маякин, Э.Г. Донченко. М.: Энергия, 1970. - 88 с.

75. Мелихова, Н.М. Исследование сопряженного теплообмена в замкнутом объеме в условиях свободной и смешанной конвекции Текст.: автореф. дис. . канд. физ-мат. наук.: / Н.М. Мелихова. Л., 1989.-20 с.

76. Методы определения теплопроводности и температуропроводности Текст. / под ред. A.B. Лыкова. М.: Энергия, 1973. - 336 с.

77. Митяков, A.B. Градиентные датчики теплового потока в нестационарной теплометрии Текст.: дис. . канд. техн. наук: защищена : утв. / Митяков Андрей Владимирович; СПбГТУ. -СПб, 2000.-134 с.

78. Митяков, A.B. Математическая модель чувствительного элементадля детектора излучения Текст. / A.B. Митяков // Вестник молодых ученых. Серия: Технические науки. 1999. - №1. - С. 75-80.

79. Митяков, A.B., Митяков, В.Ю., Сапожников, С.3. Градиентные датчики в нестационарной теплометрии процессов Текст. / A.B. Митяков, В.Ю. Митяков, С.З. Сапожников // XIII Школа-семинар молодых ученых и специалистов. ,2003. — Т.1. - С. 127130.

80. Митяков, A.B., Митяков, В.Ю., Сапожников, С.З. Градиентные датчики теплового потока в корреляционной расходометрии Текст. /

81. A.B. Митяков, В.Ю. Митяков, С.З. Сапожников // XIV Школа-семинар молодых ученых и специалистов. , 2003. - Т.1. - С. 417420.

82. Митяков, В.Ю. Возможности градиентных датчиков теплового потока на основе висмута в теплотехническом эксперименте Текст.: дис. . д-ра тех. наук: 01.04.14: защищена : утв. / Митяков Владимир Юрьевич; СПбГПУ. СПб, 2005. - 239 с.

83. Митяков, В.Ю., Митяков, A.B., Сапожников, С.З. Использование градиентных датчиков теплового потока для исследования местной теплоотдачи при поперечном обтекании цилиндра Текст. /

84. B.Ю. Митяков, A.B. Митяков, С.З. Сапожников // XII Школа-семинар молодых ученых и специалистов. , 1999. - Т.1. — С. 47-50.

85. Михеев, Н.И. Пространственно-вихревая структура турбулентных отрывных течений Текст.: автореф. дис. . док. техн. наук: / Н.И. Михеев. Казань, 1998. - 44 с.

86. Никольская, С.Б., Чумаков, Ю.С. Экспериментальное исследование пульсационного движения в свободно-конвективном пограничном слое Текст. / С.Б. Никольская, Ю.С. Чумаков // ТВТ. , 2000. -Т.38. -№ 2. - С. 249-256.

87. Новые теплометрические приборы для исследования лучистого теплообмена / Геращенко O.A., Грищенко Т.Г., Русаков С.С. и др. // Теплообмен, 1978: Сб. науч. тр. М.: Наука, 1980. С. 389-394.

88. Обработка экспериментальных данных Текст.: Учеб. пособие / Б.Д. Агапьев, В.Н. Белов, Ф.П. Кесаманлы [и др.]. СПб.: СПбГТУ, 1999. -84 с.

89. Ока, С. Теплообмен одиночного цилиндра при различных условиях обтекания Текст. / С. Ока // Проблемы теплофизики и физической гидродинамики: сб. науч. тр. Новосибирск: Наука, 1974. - С.47-71.

90. Олейник, Б.Н. Точная калориметрия Текст. / Б.Н. Олейник. 2-е изд. - М.: Издательство стандартов, 1973. -208 с.

91. Опаричев, А.Б. Исследование наклонноконденсированных плёночных материалов для термоэлектрических преобразователей лазерного излучения Текст.: дис. . канд. техн. наук: 05.27.06: защищена : утв. / Опаричев . М., 2006. -149 с.

92. Ордин, C.B. Приемник излучения. Заявка № 93036965/25 от 20.03.1996. Российское агентство по патентам и товарным знакам.

93. Ордин, C.B., Шелых, А.И. Электронное отражение и зонная структура высшего силицида марганца Текст. / C.B. Ордин,

94. A.И. Шелых // Термоэлектрики и их применение: Тр. ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, -, 2002. С.

95. Орнатский, А.П., Щербаков, В.К., Прокопов, В.Г. Исследование температурных полей плавниковых труб газоплотных топочных экранов Текст. / А.П. Орнатский, В.К. Щербаков, В.Г. Прокопов // Теплоэнергетика. , 1967. - №1. - С. 65-69.

96. Основы построения информационно-измерительных систем Текст.: пособие по системной интеграции / H.A. Виноградова,

97. B.В. Гайдученко, А.И. Карякин и др.; под ред. В.Г. Свиридова. -М.: Издательство МЭИ, 2004. 268 с.

98. Петриченко, P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в двигателях внутреннего сгорания Текст.: учеб. пособие / P.M. Петриченко. JI, 1983. - 244 с.

99. Пехович, А.И. Расчеты теплового режима твердых тел Текст. /

100. А.И. Пехович, В.М. Жидких. Л.: Энергия, 1976. - 352 с.

101. Пилат, И.М., Ветошников, B.C. Хохлачев, К.И. Термоэлектрический приемник излучения на анизотропных элементах Текст. / И.М. Пилат, B.C. Ветошников, К.И. Хохлачев // Тепловые приемники излучения. Л., 1974. - С. 2-7.

102. Практикум по теплопередаче Текст.: Учеб. пособие для вузов / А.П. Солодов, Ф.Ф. Цветков [и др.[; под ред. А.П. Солодова. М.: Энергоатомиздат, 1986. -296 с.

103. Прандтль, Л. Гидро- и аэромеханика Текст. / Л. Прандтль, О. Титьенс. -М.-Л.: ОНТИ НКТП, 1935. Т 2. - 311 с.

104. Розенблит, Г.Б. Теплопередача в дизелях Текст. / Г.Б. Розенблит. -М.: Машиностроение, 1977. — 216 с.

105. Рундыгин, Ю.А. Теплотехнические исследования котлов и топочных процессов Текст.: Учеб. пособие / Ю.А. Рундыгин.1. С-Пб.: ,1995.-95 с.

106. Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения Текст. \ Дж. Рэди. -М.: Мир, 1974.-234 с.

107. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., МитяковА.В. Градиентные датчики теплового потока в теплотехническом эксперименте Текст. / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2007. - 202 с.

108. Сапожников, С.З. Градиентные датчики теплового потока Текст. /

109. С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков. СПб.: СПбГПУ, 2003.- 169 с.

110. Сапожников, С.З. Комплексное определение теплофизических характеристик гетерогенных материалов неразрушающими методами Текст.: автореф. дис. . канд. техн. наук: / С.З. Сапожников. -Харьков, 1977. 25 с.

111. Сапожников, С.З., Измерение теплового потока на внутренних стенках канала ударной трубы Текст. / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков [и др.] // Письма в ЖТФ, 2004. Вып.2.- С.76-80.

112. Сапожников, С.З., Митяков, A.B., Митяков, В.Ю. Возможности градиентных датчиков при измерении тепловых потоков, температур касательных напряжений трения Текст. / С.З. Сапожников,

113. A.B. Митяков, В.Ю. Митяков // Тр. XXVI Сибирского теплофизического семинара. Институт теплофизики СО РАН. -Новосибирск, 2002. С.

114. Сапожников, С.З., Митяков, A.B., Митяков, В.Ю. Динамические характеристики ГДТП Текст. / С.З. Сапожников, A.B. Митяков,

115. B.Ю. Митяков // Тр. XXVII Сибирского теплофизического семинара. Институт теплофизики СО РАН. Новосибирск, 2004. - С.

116. Сапожников, С.З., Митяков, В.Ю., Митяков, A.B. Возможности градиентной теплометрии при изучении локального теплообмена вкамерах сгорания ДВС Текст. / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков,

117. A.B. Митяков // Тр. Третьей российской национальной конференции по теплообмену. Интенсификация теплообмена. Радиационный и сложный теплообмен. М.: МЭИ, 2002. - Т.1. - С.214-218.

118. Сапожников, С.З., Митяков, В.Ю., Митяков, A.B. Градиентные датчики теплового потока в теплофизическом эксперименте Текст. / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков // ТВТ. , 2004. -Т.42. - №3. - С. 1-9.

119. Сапожников, С.З., Митяков, В.Ю., Митяков, A.B. Локальный теплообмен при вынужденной конвекции в сферической лунке Текст. / С.З. Сапожников, В.Ю. Митяков, A.B. Митяков // IV Минский международный форум по тепломассообмену. Минск, 2000. - С.479-482.

120. Сапожников, С.З., Митяков, В.Ю., Митяков, A.B. Теплометрия в цилиндре двигателя внутреннего сгорания с использованием градиентных датчиков теплового потока Текст. / С.З. Сапожников,

121. B.Ю. Митяков, A.B. Митяков // Известия высших учебных заведений и энергетических СНГ. Энергетика, 1997. №9-10. - С. 53-57.

122. Семенов, Б.Н. Рабочий процесс высокооборотных дизелей малой мощности Текст. / Б.Н. Семенов, Е.П. Павлов, В.П. Копцев. Д.: Машиностроение, 1990. -240 с.

123. Сергеев, O.A. Метрологические основы теплофизических измерений Текст. \ O.A. Сергеев. М.: Издательство стандартов, 1972. - 154 с.

124. Система оптимизации FACOS™ Clyde Bergemann - Промышленное оборудование очистки. - Режим доступа: http://w\vw.bergemann.ru/product/optimizaciya-facos/, свободный. -Загл. с экрана.

125. Современное состояние гидродинамики вязкой жидкости Текст. / под ред. С. Гольдштейна. М.: Ил., 1948. - Т.2. - 408 с.

126. Стрелец, М.Х. Метод моделирования отсоединенных вихрей и его применение для расчета отрывных турбулентных течений Текст. / М.Х. Стрелец // XIII Школа-семинар молодых ученых и специалистов. М.: МЭИ, 2001. - Т.1. - С. 9-20.

127. Теория и техника теплофизического эксперимента Текст.: Учеб. пособие для вузов / Ю.Ф. Гортышов, Ф.Н. Дресвянников [и др.]; под ред. В.К. Щукина. М.: Энергоатомиздат, 1985.-360с.

128. Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей Текст. / A.C. Орлин, Д.Н. Вырубов, В.И. Ивин [и др.]; под ред. A.C. Орлина. М.: Машиностроение, 1971. - 400 с.

129. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) Текст. / под ред. Н.В. Кузнецова. -М.: Энергия, 1973. С.

130. Теплообмен в современной технике : (Сб. работ отд. теплообмена ИВТ РАН) / РАН. Ин-т высоких температур ; Под ред. Ю.А. Зейгарника и др .— Москва, 1998 .— 326с. : ил.

131. Теплопроводность твердых тел Текст.: Справочник / под ред.

132. A.C. Охотина. M.: Энергоатомиздат, 1984. - 320 с.

133. Термоэлемент A.c. №230915 СССР. Текст. / И.М.Пилат, А.Г. Самойлович, Л.И. Анатычук. Опубл. 13.09.69.

134. Топливораспределителытый насос типа VE: Техническое описание. BOSCH GmbH. ,1981.-68 с.

135. Трембовля, В.И., Фингер, Е.Д., Авдеева. A.A. Тепло-технические испытания котельных установок Текст. / В.И. Трембовля, Е.Д. Фингер, A.A. Авдеева. М.: Энергоатомиздат, 1991. с.

136. Турбулентность. Принципы и применение Текст. / под ред. У. Фроста, Т. Моулдена. М.: Мир, 1980. - 536 с.

137. Управление обтеканием тел с вихревыми ячейками в приложении к летательным аппаратам интегральной компоновки (численное и физическое моделирование) Текст. / под ред. A.B. Ермишина и С.А. Исаева. СПб, 2001. - 360 с.

138. Федоров В.Г., Теплометрия в пищевой промышленности, М., Пищевая промышленность, 1974, 176 с.

139. Филиппов, И.Ф. Теплообмен в электрических машинах Текст. / И.Ф. Филиппов. — JI.: Энергоатомиздат, 1986. -256 с.

140. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей Текст. / К. Флетчер.-М.: Мир, 1991. Т. 1. - 504 с.

141. Харламов, А.Г. Измерение теплопроводности твердых тел Текст. / А.Г. Харламов. М.: Атомиздат, 1973. - 152 с.

142. Чжен, П. Отрывные течения Текст. / П. Чжсн. М.: Мир, 1973. - Т. 1-3.

143. Чжен, П. Управление отрывом потока Текст. / П. Чжен. М.: Мир, 1979.-552 с.

144. Численное моделирование отрывного течения несжимаемой вязкой жидкости в квадратной и кубической кавернах с подвижной границей Текст. / С.А. Исаев, П.А. Баранов, Н.Н. Лучко [и др.] Минск, 1999. -47 с.

145. Чопра, К. Электрические явления в тонких пленках Текст. / К. Чопра. М.: Мир, 1972. - 435 с.

146. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя Текст. / Г. Шлихтинг. М.: Наука, 1969.-744 с.

147. Экспериментальные исследования пристенных турбулентных течений Текст. / С.С. Кутателадзе, Б.П. Миронов, В.Е. Накоряков, Е.М. Хабахпашева. Новосибирск: Наука, 1975. - 166 с.

148. Ярышев, Н.А. Теоретические основы измерения нестационарных температур Текст. / Н.А. Ярышев. Л.: Энергия, 1967. - 300 с.

149. Achenbach, Е. Distribution of local pressure and skin friction around a circular cylinder in cross-flow up to Re = 5x106 Text. / E. Achenbach // J. Fluid Mech., 1966. Vol. 34. - P. 625-639.

150. Achenbach, E. Total and local heat transfer from a smooth circular cylinder in cross-flow at high Reynolds number Text. / E. Achenbach // Inter. J. of Heat and Mass Transfer, 1975. Vol.18, N.l 1. P. - 1387-1396.

151. AD7714 | CMOS, 3V/5V, 500 цА, 24-Bit Sigma-Delta, Signal Conditioning ADC | A/D Converters | Analog to Digital Converters | Analog Devices http://www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/ad-converters/ad7714/products/product.html

152. Advantech industrial computer, industrial chassis, embedded computer, industrial motherboard, network security appliance, industrial automation, digital video surveillance, panel PC, industrial IO. http://www.advantech.com/

153. Application of Gradient Heat Flux Sensor in Shock Tube Experiments Text. / S.V. Bobashev, N.P. Mende, V.A. Sakharov // 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 10 13 Jan 2005. Reno, Nevada. P.

154. Bellhouse, B.J., Schults, D.L. Determination of mean and dynamic skin friction, separation and transition in low-speed flow with a thin-film heated element Text. / B.J. Bellhouse, D.L. Schults // J. Fluid Mech., 1966. Vol. 24. - P. 379-400.

155. Boulos, M. J., Pei, D.C.T. Dynamics of heat transfer from cylinders in a turbulent air stream Text. / M.J. Boulos, D.C.T. Pei // Inter. J. Heat Mass Transfer, 1974. Vol. 17. P. - 767-783.

156. Chang, C.L., Kleinhammes, A., Moulton, W.G., Testardi, L.R. Symmetry-forbidden laser-induced voltages in YBA2Cu307 Text. / C.L. Chang, A. Kleinhammes, W.G. Moulton, L.R. Testardi // Physical Review B, 1990.-Vol. 41.-Num. 16.-P. 11564-11567.

157. Chang, B.H., Mills, A.F. Effect of aspect ratio on forced convection heat transfer from cylinders Text. / B.H. Chang, A.F. Mills // Inter. J. Heat Mass Transfer, 2004. Vol. 47. - P. 1289-1296.

158. Chumakov, Y.S., Nikolskaja, S.B. Features of dynamic and heat structure of free convection boundary layer near vertical heated surface Text. / Y.S. Chumakov, S.B. Nikolskaja // Turbulent Heat Transfer-2. -Manchester, 1998. Vol. 2. - P. 9-19.

159. Derryberry, R. A. Artificial Anisotropy for Transverse Thermoelectric

160. Heat Flux Sensing Text. / R. A. Derryberry // Thesis for the degree of Master of Science In Mechanical Engineering, Blacksburg, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2007. P. 102

161. Divin, N., Sapozhnikov, S. Gradient Heat-Flux Transducers: application for heat investigations Text. / N. Divin, S. Sapozhnikov // Proceeding of International Symposium in Power Machinery. Moscow, 1995. - P.79.

162. Edney, B.E. Effect of Shock Impingement on the Heat Transfer around Blunt Bodies Text. / B.E. Edney // AIAA J, 1968. Vol. 6. - № 1. -P. 1521.

163. F. van der Graaf Heat Flux Sensors Text. / chapter 8 of Volume 4: „Thermal Sensors" of the multivolume work „Sensors, a comprehensive series", Göpel. Ed., 1990.

164. Fage, A., Falkner, V.M. An experimental determination of the intensity of friction on the surface of an airfoil Text. / A. Fage, V.M. Falkner // Proc. Royal Soc. London, A129, 1930. - P. 378-410.

165. Filippone, A. Advanced Topics in Aerodynamics. Aerodynamic Database. Drag levels of Fixed and Rotary Wing Aircraft Text. / A. Filippone // ,2003.

166. Geiling, L. Das Thermoelement als Strahlungsmesser Text. / L. Geiling // Zschr. F. Angew. Phys., 1951. Bd. 3.12.

167. Glazkov, V.V., Ivochkin, Yu.P., Sinkevich, O.A., Tsoi, V.R., Zeigarnik,

168. Yu.A., Zhilin, V.G. Water boiling on higly superheated hemispherical samples Text. / V.V. Glazkov, Yu.P. Ivochkin, O.A. Sinkevich, V.R. Tsoi, Yu.A. Zeigarnik, V.G. Zhilin // 12-th International Heat Transfer Conference. Grenoble, France, 2002. P.

169. Handbook of fluid dynamics and fluid machinery. Vol. 2: Experimental and computational fluid dynamics Text. / Editors, J.A. Schetz and A.E. Fuhs. John Wiley & Sons, Inc. 1996. P. 921-1590.

170. Jiang, F., Gupta, B., Tai, Y.C., Goodman, R. Measurement of instantaneous turbulent shear stress distribution by MEMS based sensors Text. / F. Jiang, B. Gupta, Y.C. Tai, R. Goodman // Bull. APS. 1995. -Vol. 40.-P. 23.

171. Jiang, F., Tai, Y.C., Ho, C.M., Gupta. B., Goodman, R., Tung, S. A Surface Micromachined Shear Stress Imager Text. / F. Jiang, Y.C. Tai, C.M. Ho, B. Gupta, R. Goodman, S. Tung//MEMS-96. - San-Diego. - USA, 1996.-P. 110-115.

172. Jiang, F., Tai, Y.C., Ho, C.M., Li, W.J. A Micromachined polysilicon Hot-Wire Anemometer. Tech. Digest 1994 Solid-State Sensor and Actuator Workshop. Hilton Head. USA. 1994. P.264-267.

173. Kalvesten, E. Pressure and Wall Shear Stress Sensors for Turbulence Measurements. PhD Thesis. Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 1996. 68 p.

174. Knauss, H., Gaisbauer, U., Wagner, S., Buntin, D., Maslov, A.,

175. Knauss, H., Gaisbauer, U., Wagner, S., Buntin, D., Maslov, A., Smorodsky, B., Betz, J.A Novel sensor for fast heat flux measurements. AIAA 2006-3637. 32 p.

176. Korolyuk .L., Pilat . A.G. Slipchenko .N., Snarskii A.A., Tsarkov . .Phys.Semicond., 7, 502, 1973

177. Kruse, P.W., McGlauchlin, L.D., McQuistan, R.B. Elements of infrared Technology. Wiley. N.Y. 1962.

178. Lartz, D.J., Cudney, H.H., Diller, T.E. Heat flux measurement used for feedforward temperature control Text. / D.J. Lartz, H.H. Cudney, T.E. Diller // Proc. 10th Inter. Heat Transfer Conference. Brighton. UK, 1994. Vol. 2. - P. 261-266.

179. Laser Technologies Center laser equipment, technology, material, technical support, service, http://www.ltc.ru/about/historv-en.shtml

180. Lowery, G.W., Vachon, R.I. The effect of turbulence on heat transfer from heated cylinders Text. / G.W. Lowery, R.I. Vachon // Inter. J. Heat Mass Transfer, 1975. Vol. 18. - P. 1229-1242.

181. Mäher, J., David, C. Dynamics of heat transfer from cylinders in a turbulent air stream Text. / J. Mäher, C. David // International Journal of Heat and Mass Transfer, 1974. Vol. 17. - P. 767-783.

182. Mitchell J., Hanratty T. A study of turbulence of a wall using an electrochemical wall shear-stress meter. J. Fluid Mech. Vol.26. 1966. P. 625-639.

183. Mitiakov, V., Sapoznikov, S., Mitiakov, A. Transient phenomena in gradient heat flux sensor Text. / V. Mitiakov, S. Sapozhnikov, A. Mitiakov // 3-rd European Thermal Sciences Conference 2000. -Heidelberg, Germany, 2000. Vol. 2. - P. 687-690.

184. Nakamura, H., Igarashi, T. Unsteady heat transfer in separated flow behind a circular cylinder Text. / H. Nakamura, T. Igarashi // 12-th International Heat Transfer Conference. Grenoble, France, 2002. - Vol. 2.-P. 729-734.

185. Oudheusden, B., Huijsing, J. Integrated Flow Friction Sensor. Sensors and Actuators. 1988. A15. P.135 144.

186. Owen, F.K., Bellhouse, B.J. Skin friction measurements at supersonicspeeds Text. / F.K. Owen, B.J. Bellhouse // AIAA J, 1970. № 8. -P. 1358-1360.

187. Particle Imaging Velocimetry | Полис: мы знаем как http://www.polis-instruments.ru/measured-quantity/speed/piv

188. Sapozhnikov, S.Z., Mitiakov, V.Y., Mitiakov, A.V. Heat flux sensor for heat transfer investigation Text. / S.Z. Sapozhnikov, V.Y. Mitiakov, A.V. Mitiakov // 11-th International Heat Transfer Conference. -Kyongju, Korea, 1998. Vol. 4. - P. 77-79.

189. Strelets, M. Detached Eddy Simulation of Massively Separated Flows Text. / M. Strelets // AIAA, 2001-0879. 18 p.

190. Sujay Raphael-Mabel. Design and Calibration of Novel High Temperature Heat Flux Sensor. Thesis for the degree of Master of Science in Mechanical Engineering. Virginia Polytechnic Institute and State University. 2005.

191. Tanaka, H., Maruyama, S., Hatano, S. Combined forced and natural convection heat transfer for upward flow in a uniformly heated, vertical pipe Text. / H. Tanaka, S. Maruyama, S. Hatano // Inter. J. Heat Mass Transfer, 1987.-Vol. 30.-№l.-P. 165-174.

192. TNO Industrial Research. Heat flux sensors catalog. 1992.

193. Zahner, Th., Forg, R., Lengfellner, H. Transverse thermoelectric response of a tilted metallic multilayer structure. Applied Physics Letters. Vol. 73. Num. 10. 1998.p.1364-1366.

194. Zeuner, S., Lengfellner, H., Prettl, W. Thermal boundary resistance and diffusivity for YBA2Cu307-6. Physical Review B. Vol. 51. Num. 17. 1995.p. 11903-11908.