автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Тепловые процессы в металлокерамических нагревательных элементах и научные основы их проектирования

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

Институт проблем-машиностроения ¡ч г «- л ч

г ! й у и

{ 0

На правах рукописи

КОСТИКОВ АНДРЕЙ ОЛЕГОВИЧ

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ И НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

05.14.05 - теоретическая теплотехника

Автореферат диссертант»! соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1996

.Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в . отделе Моделирования тепловых и механических процессов Института проблем машиностроения ~ HAH Украины.

Научный руководитель: член-корреспондент HAH Украины,

доктор технических наук, профессор, МацёвитыЙ Юрий Михайлович. Научный консультант; кандидат технических наук,

■старший научный сотрудник, Цакеняя Олег Семенович. Официальные опоненты: 'доктор технических наук, профессор,

Маляргнко Виталий Андреевич, кандидат технических наук, доцент, Иванов Виталий Анатольевич. Ведущая организация: Научно-исследовательский институт 3

радиотехнических измерений, Минмашпром Украины, г. Харьков. Защита состоится 15 мая 1696 г. в 14 часов в аудитории 11 этажа на заседании специализиро. • анного ученого совета Д 02.18.03 в Институте проблем машиностроения HAH Украины по адресу: 310046, г. Харьков, ул Пожарского, 2/10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института

проблем машиностроения HAH Украины по адресу: 310046, г.

Харьков, ул Пожарского, 2/10.

Автореферат разослан "/2" 19S6 г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета sj Дедков Г.В.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы, В настоящее время во многих отраслях народного хозяйства и в быту широко используется электротермическое оборудование. Наиболее распространено электротермическое оборудование косвенного нагрева. В нем теплота выделяется в специальных нагревателях прй протекании по ним электрического тока и передается нагреваемому телу по законам теплопередачи.

В последнее время наравне с нагревателями других типов начали активно применять металлокерамичеекие нагревательные элементы (МКНЭ), изготавливаемые методой обжига металлизированных заготовок ИЗ ЯЛасТнфицированной керамики. Особенно активно они внедряются в радиоэлектронной аппаратуре, электротермическом оборудовании, применяемом в пищевой промышленности, бытовых нагревательных приборах. По сравнению с другими типами нагревателей МКНЭ обладает рядом преимуществ: работоспособностью в агрессивных средах и при высокой температуре, соответствие экологическим стандартам и условиям электрической безопасности, возможностью унификации как отдельных МЕНЭ, так и нагревательных блоков на их основе. Эти преимущества открывают перспективу широкого внедрения МКНЭ.

При работе нагревательного элемента могут возникнуть большие тепловые нагрузки, приводящие к отказу ^нагревателя или другого узла аппаратуры, что повлечет за собой выход из строя всей системы. Поэтому при создании устройств, использующих МКНЭ в , качестве нагревателей, необходим

нетрадегциошилй подход к обеспечению тепловых режимов и проектированию МКНЭ.

Тепловое состояний МКНЭ можно исследовать методами физического и математического Моделирования. В последние годы существенно возрастает роль математического моделировании, эффективность которого во итогом .зависит от адекватности принятой математической модели, й выбора метода решения Соответствующей тепловой за/<пчи.

Постановка этих задач и и X решение для таких, сложных И многовариантных объектов, как МКНЭ, является актуальной проблемой. Следовательно актуальна и тема настоящей работы, посвященной исследованию тепловых процессов и проектированию таких нагревателей с учетом тепловой надежности.

В настоящее время на Украине разработка и проектирование устройств, использующих МКНЭ, проводится в Научно -исследовательском технологическом институте приборостроения (ЙЙТЙН) под руководством ВЕ.Овчаренко. Научное обеспечение этих работ - отделом; моде пи ровшшп тепловых и механических процессов Института проблем машиностроения (ИПМаш) HAH Украины, руководимым Ю.М.Мац0вмтьш.

. Диссертационная работа выполнялась с 1BÖ2 по 1Ö95 годы в отделе моделирования тепловых И механических процессов ИПМаш HAH Украины в соответствии с г/б темой "Теплообмен в энергетических установках, технолопгческих процессах и объектах радиоэлектроники" (№ госрегист|»ции 01Ö10016862) у х/д с НИТИП "Разработка методики . проектировали«: металл «керамических . нагревателей с учетом тепловоз Иадеяености" (Ks госрегистрации 0192TJ031160).

Педью работы является исследование тепловых процессов в МКНЭ и создание научных основ их проектирования.

Основные задачи. Разработка методов и алгоритмов моделирования и идентификации тепловых процессов в МКНЭ. Создание методики их проектирования из условий тепловой надежности.

Методы исследования. Для достижения поставленной дели исследования применялись методы матейатйческого моделирования, методы теории теплопроводности, методы решения обратных задач и методы оптимизации.

Научная новизна В диссертации впервые получены лично соискателем новые научные результаты, выносимые иа защиту:

1. Методика расчета температурных полей МКЙЭ и определения его технических характеристик, позволяющая решать двумерную нелинейную задачу теплопроводности в конечной пластине со сложной неявной зависимостью плотности тепловыделения от координат и температуры.

2. Методика определения интенсивности теплообмена на поверхностях МКНЭ по результатам теплофизического эксперимента.

3. Критерии применимости двумерной математической модели и учета неравномерности размещения внутренних источников теплоты. ,

4. Методика определения диапазона допустимых для МКНЭ режимных параметров. «

5. Результаты исследования зависимости основных технических характеристик МКНЭ от режимных параметров.

6. Методика проектирования МКНЭ из условий их тепловой надежности, позволяющая сократить объем вычислений при решении обратной геометрической задачи Теплопроводности.

7. Программный комплекс для определения основных технических характеристик МКНЭ и диапазона допустимых режимных параметров; система автоматизированного проектирования МКНЭ.

Достоверность излаженных Методов и результатов исследования подтве рМсдается удовлетворительным совпадением полученных решений е экспериментальным» данными, а такзке надежной ¡работой МКНЭ, разработанных по предлагаемым методикам. . ,

Теоретическая ценность ра&йы заключается в создании методов и алгоритмов решения прямых и обратных задач теплопроводности применительно к МКНЭ.

Практическая Ценность и Использование результатов шботы состоит в то», что по полученным методикам с помощью разработанных программных продуктов можно проектировать и испытывать МКНЭ дая различных приборов и устройств. Так методика определения диапазона допустимых режимных параметров позволяет проводить, унификацию МКНЭ, в результате чего существенно сокращается время проектирования и доработки приборов и устройств, использующих МКНЭ

Результаты, полученные в диссертации, используются на предприятии-изготовителе МКНЭ - НИТИП (система автоматизированного проектирования , МКНЭ, результаты исследовайия допустимых диапазонов режимных параметров МКНЭ). По заказу НПО "ХАРТРОН" было разработано программное обеспечение для проведения режимных испытаний нагревателей и определения их технических характеристик.

Непосредственно автором были спроектированы МКНЭ для теплоалектровентиляторов бытового назначения.

Апробация работы. Основные материалы и результаты работы докладывались на симпозиуме по математическому моделированию "1. MATHMOD VIENNA" (Вена, 1994г.), научно-технической конференции "Досвщ розробки та застосування приладо-технолоичних САПР мжроелектрошки" (Львов, 1695 г.), европейском конгрессе по моделированию "EUROSIM'95" (Вена, 1905г.)

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 печатных работы, из них 2 статьи, 1 доклад и 1 тезисы докладов.

В отдельных разделах диссертации используются результаты научных работ, подученные с соавторами. Личцое участие в этих работах определяется следующим образом: в работах |1] и [S] проведены исследования условий применимости двумерной математической модели для МКНЭ, в работе (2] предложена методика определения параметров резистивных элементов и их компоновки по зонам и по толщине нагревателя с помощью анализа теплового состояния и допустимых конструкторсно-технологичеасих ограничений , и проведены исследования точностных характеристик системы автоматизированного проектирования МКНЗ, в работе [4] предложены методика определения тепловых и электрических характеристик МКНЭ, методика определения "диапазона допустимых режимных параметров > нагревателя и проведены исследования по выбору аппроксимирующих функций дая идентификации интенсивности теплообмена на поверхности нагревательного элемента.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глаз, заключения, списка литературы из 67 наименований, 21 рисунка, 8? стр. основного текста, всего IIP стр.

Работа является органической составляющей комплекса исследований, проводимых ИШЛаш HAH Украины и НИТИП по научному сопровождению и внедрению новой технологии изготовления изделий радиоэлектроники из металлизированной керамики.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе, имеющей обзорный и постаиовочшлй характер, рассмотрены структура и оенохшле технические характеристики МКНЭ, способы передачи тепла г>т Металл ОКерамических нагревателей, к . япхрскакиыи телам и основные виды отказов нагревателей. Сделай впали? метокче физического и математического моделиро мви теплое---г процессов. Рассмотрены методы, решения, прямых и обратных задач теплопроводности, изложенные » работах О.М; Аллфанопа, Дас. Века, JЬД^ Коздобы, IQM- Мацевитого, А.Н. Тихсшова и др.

Основные виды, отказов МКНЭ> можно разбить на три группы: разрушение керамической•. пластины из-за превышения допустимой величины , Терман&п ряжений; которая определяется допустимым, градиентом, температуры, нагревательного элемента, разрыв резистивной, дорожки, вследствие большой величины плотности, электрическою, тока, и-разрушение узлов крепления нагревателя из-за высокой температуры, нп. поверхности МКНЭ. Поэтому для надежной работы нагревательного элемента необходимо соблюдение следующих трех условий

(giadr)lllD = <p,(P)<(gtadr)ACn, (1)

/ = Ф3(Р)</*». (2)

У=<Рз(Р)<Глш. (3)

где Т - температура нагревательного элемента; I - сила электрического тока; Р - вектор первичных параметров, куда входят коэффициент теплоотдачи на поверхности МКНЭ, температура окружающей среды, коэффициент теплопроводности, теплоемкость и плотность керамики, геометрические размеры керамической пластины и резистивной дорогкки, удельное электрическое сопротивление; <р - функции, устанавливающие зависимость между первичными параметрами и температурой, градиентом температуры и силой электрического тока; индекс "доп" означает максимально ' допустимое значение соответствующей величины, при котором наступает отказ нагревательного элемента.

Проведенный обзор литературы позволил сформулировать цель диссертационной работы и выбрать методический подход, наиболее целесообразный для задач исследования тепловых процессов в МКНЭ и проектирования нагревательных элементов.

Вторая глава посвящена моделированию и идентификации тепловых процессов в МКНЭ.

В общем случае теплофизический процесс в нагревательном элементе, имеющем вид пластины, описывается трехмерным нелинейным уравнением теплопроводности. Такая постановка задачи предъявляет повышенные требования к вычислительным средствам, используемым для ее решения, Одним способов сокращения времени счета является снижение размерности уравнения. Это можно сделать, если пренебречь перепадом температуры по- толщине МКНЭ. При этом необходимо обратить

внимание на то, чтобы снижение размерности уравнения не привело к значительному увеличению погрешности результатов.

Для оценки г-.ттенммоетп двумерной тепловой модели нагревательного элемента был гыбран критерий - относительный перепад температуры по толщине пластины ©. Для того чтобы двумерная тепловая модель МККЭ была адекватной, необходимо, чтобы этот перепад был меньше допустимой величины 0ДОП.

Проведенные исследовании зависимости относительного перепада температуры от режимных параметров нагревателя показали, что увеличение числа уровней размещения реаистивного элемента В • теле ЫКНЗ приводит к увеличению области режимных параметров, при которых возможно применение двумерной модели. Результаты таких исследований целесообразно представлять в виде диаграмм. Задавшись определенным вдоп, по ним определяют при каких режимных

параметрах допустимо применять двумерную тепловую модель.

Такая модель МКЕЭ описывается уравнением теплопроводности

где Т(х,у) - температура нагревателя; а, и а2 - коэффициенты теплоотдачи у поверхностей 2=0 и 2=8 соответственно, 7| и Тг -температура окружающей среды у этих поверхностей, q, -удельная Поверхностная мощность источников теплоты. В случае стационарной задачи левая часть уравнения (5) обращается в 0.

На торцах пластины нагревателя в данной работе брались граничные условия третьего рода

Удельная мощность источников теплоты qs является функцией координат и температуры. В каждом нагревательном элементе можно выделить прямоугольны:- зоны, . в которых резистивный элемент располагается ¡- муля; образом. В работе исследовалось влияние неравномерности qs (то есть учета отдельных дорожек) не температурное поле МКНЭ. В результате решения одномерной м-дпчи темяспрпэодш> :t:í з» направлетш, перпендикулярном ра..;-. ¡юг кению jv;pi>:iccK i. ; -я.:, было получоно аналитичес -сое вырежи л для макишального значения градиента теимератури <5ме:г.чу соседними дорс:*гч::ки

q - exp(2rf\/a)~ ехр(?!,/~ J)\Ia) + 1 G - —--7-------------пгггЛ—г------. (Б)

2 Ко4а ехр(2/ч/а)-1

а, + а2 •

где а = —--; q - удельная поверхностная мощность резистивнои

Я.5

дорожки; I - половина шага между дорожками; d - полуширина дорожки.

Если величина G невелика по сравнению с максимальным градиентом температуры на всем нагревателе, то qs можно считать равномерно распределенной в данной зоне, в противном случае при определении qs необходимо учитывать расположение дорожек. Величину G можно использовать й как добавку к максимальному градиенту температуры нагревателя, полученному в результате решения задачи теплопроводности с qs~const в каждой зоне.

При решении прямой задачи теплопроводности для нагревательного элемента в диссертационной работе применялся

метод конечных разностей. При этом решение нелинейной задачи теплопроводности проводилось по итерационной и безытерационной схемам. Значение величины для каждого элементарного объема непосредственно из распределения температуры на предыдущей итерации определить не удается, так как Мощность внутренних источников теплоты зависит не только от сопротивления резистивного элемента, но и от силы электрического тока, которая, в свою очередь, зависит от сопротивления. Поэтому значение на к-й итерации необходимо определять по формулам

О/ -К »у

где Лу - сопротивление резистивного элемента в элементарном объеме; р( 7) - удельное сопротивление резистивного элемента;

_ температура элементарного объема на {к- 1)-й итерации ; 1} и Оу - длина и плрщадь сечения проводника в элементарном, резистивноы элементе; В- полное сопротивление резистивного элемента; М- число узлов разностной сетки; I- сила электрического тока; II- электрическое напряжение; Р}-мощность, выделяемая в узле; ^ - элементарный объем.

Используя формулы (6) можно легко определить такие важные характеристики МКНЭ, как потребляемая электрическая мощность, сила электрического тока и' электрическое сопротивление. Мощность тепловыделения можно определить после нахождения температурного поля нагревательного элемента по тепловому балансу.

При моделировании тепловых процессов и при проектировании МКНЭ необходимо знать интенсивность теплообмена на поверхности керамической пластины, то есть коэффициенты теплоотдачи. В работе приведены новая методика определения локальных коэффициентов теплоотдачи на поверхности нагревателя по результатам измерения температуры, основанная на методе спектральных функций, и рекомендации по выбору количества и мест точек термометрированип.

Третья глава посвящена исследованиям зависимости основных технических характеристик МКНЭ от режимных параметров при помощи гы": целительного зкеперив'ента Рассматривались как стационарные, так и нестационарные тепловые процессы я МТСНЭ. Пгюь-одчлись исследования влияния различных воздействии на теплепые (мансш?»>Л!.ныи градиент и температура нагревателя) и ш-ектричеекпе (сонротивлешш • и потребляемая мощность) характеристики металлОКерамического нагревателя.

Увеличение интенсивности теплообмена приводит к снижению продольной саставляющей максимального температурного градиента и увеличению электрического сопротивления и мощности, Замечено, что неограниченное увеличение интенсивности теплообмена может повлиять на надежность работы нагревательного элемента, так кап из-за увеличения мощности нагревателя перепад температуры по его толщине может стать настолько существенным, что нельзя будет применять двумерную математическую модель и тогда полученные с ее помощью результаты Могут оказаться неверными.

Кроне того, увеличение перпендикулярной составляющей градиента может привести к выходу нагревателя из строя.

Вычислительный эксперимент показал, что поведение максимального градиента, температуры МКНЭ, сопротивления и мощности при отклонении напряжения от номинального в условиях различной интенсивности теплообмена, а также изменения ереднеинтегралъной и -макститызом температуры Нагревателя, сопротивления, силы тока, электрической и тепловой мощности, времени переходного процесса при включении л отключении МКНЭ соответствуют ожидаемым л аналогичны ! наблюдаемый у других типов электронагревателей.

На градиент температуры ЫКНЭ большое влияние оказывают условия теплоотвода. Если с обоих поверхностей

нагревательного элемента идет съем тепла, то составляющая

»

градиента температуры вдоль пластины нагревателя монотонно увеличивается по мере выхода на стационарный режим и достигает максимума в установившемся режиме. Если же условия теплообмена ив поверхностях нагревателя таковы, что одна поверхность МКНЭ нагревается, а другая - охлаждается, то градиент температуры вдоль ' поверхности нагревательного элемента имеет четко выраженный максимум до выхода на стационарный режим. Для составляющей градиента, перпендикулярной пластине нагревателя, такой картины не наблюдается, и она монотонно возрастает вплоть до выхода на стационарный режим.

Исследования : динамики температурного градиента позволили сделать вывод, что при отводе теплоты от Нагревательного элемента с обеих поверхностей наиболее

терюнапряженное состояние, при которой! может произойти отказ нагревателя, наблюдается в стационарном режиме, а если отвод теплоты происходит только с одной поверхности, то наиболее термоналряженное состояние наблюдается до выхода на стационарный режим.

Очень часто при разработке И проектировании прибора или устройства, составной частого которого является нагревательный, блок на основе МКНЭ, возникает вопрос, вогйожвб ЛИ в данной конструкции, которая определяет реясиюкыэ параметры — электрическое напряжение и интенсивность теплообмена на поверхности нагревателя, использовать нагревательные элементы определенного типоразмера, то есть, будет лИ являться работа таких нагревателей в этой конструкции Нидзжйой.. Неравенства (1)-(3) для конкретного нагревательного алейейТа -задают в плоскости (а, V) для конкретной температурь? среда некоторую область, в- которой при эксплуатации МКНЭ не будет происходить отказов. Эту область называют областью гкивучестй конкретного нагревателя-. ПроведениЫе эксперименты с образцами МКНЭ показали; что величина градиента 10 К/ысМ и силы электрического тока по отнотлейио к ширййе дорояаеи 2 А/мм являются приемлемо Допустимыми для. большинства нагревательных элементой при их дпйтелЬНой эксплуатации. Дня ' краткосрочной эксплуатации эти границы области экизий можно раздвинуть. По результатам расчетов характеристик МКНЭ при различных парметрах о и и можно построить номограййу области живучести Конкретного нагревательного элемент®, на которой указать ограничительные кривые для нескольких допустимы» значений градиента температурят, электрического тока Н.

температуры в местах крепления нагревателя. Имея такую номограмму для конкретного нагревателя, в результате анализа границ области живучести можно сделать вывод о допустимых значениях напряжения II и коэффициента теплоотдачи а, при которых возможна эксплуатация МКНЭ, а также определить предельно допустимые отклонения режимных параметров а и II от номинальных.

Четвертая главп ¡¡освящена проектированию нагревательных элементов. В ней рассматривается существующая методика проектирования нагревателей и ставится задача теплофизическога проектирования нагревательных элементов из условий их тепловой надежности: при заданных размерах нагревательного элемента и условиях теплообмена на его поверхности определить такие параметры размещения резистивного элемента в керамической пластине, при которых минимизируется функционал отклонения расчетной температуры нагревательного элемента от заданной ЩТР,Тз). В работе в качестве функционала невязки было взято среднеквадратичное отклонение. Довольно часто в условии задачи проектирования вместо температуры задается мощность тепловыделения нагревателя. В этоц случае необходимо определить заданную температуру из условия теплового баланса с учетом ограничений (3).

Для сокращения объема вычислений решение геометрической обратной задачи проектирования МКНЭ сведено к последовательному решению двух более простых задач -внутренней обратной задачи теплопроводности (в результате решения которой определяется удельная мощность источников

теплоты) и задачи определения параметров резистинного элемента по известной удельном мощности источников (которая является задачей дискретного программирования в силу технологических ограничений на ширину дорожек и зазор между ними)!

Методику автоматизированного проектирования* МКНЭ можно разбить на четыре этапа

На первом гтапе устанавливается объемное распределение удельной мощности источюшо» теплоты- лрм- условии, что изгестяы теоиетр-пеские параметра нагревательного элемента, зало;; распределэгпгп температуры на пояерж)остИ' нагревателя, тт-^лроводпость его компонентов й характер^ йоздействия окружающей среды. ' ■

Тело нагревательного мсглелтэ- представляется' в виде N подг<-">;;чс;он (sOî.'}. На яоелздугощих «телах р^жтшйшй элемент буям расотцаться регулярны» обрегяям-в пределах каждой зоны. В ;.<Q-jynv»!»*i? и-анегаая .пнугренней- обратной задачи те":л . определяются удельные мощности N

исть-апясод асялозы в "ка-ядой'- sons, которые амйаШШ^от. функционал Snfî^.ï^). В конце первого-этапа йровойитеа njsoBèjàtà согласования- заданного закона распределения тезШературы с расчетными! значениями, температуры, то есть Проверка неравенства- - ч "

ЩГр.Г3)*&ГАОП:, (7)

где ДЗдоп - допустимое отилоте» .'» расчетной температуры от заданной.

В случае невыполнения' условий согласования (7) тело нагревателя разбивается на большее число подобластей и ; повторяется процедура решения внутренней обратной задачи

теплопроводности. Если увеличение числа зон невозможно из-за технологических ограничений, то процедура проектировании МКНЭ прекращается и делается заключение о несоответствии конструкции нагревательного прибора технологическим требованиям.

На ртором этапе для каждой подобласти определяются геометрические размеры Ц форма резиетивных элементов, а также величины злект) »сопротивлений по полученной на первом • этапе удельной мощности внутренних источников теплоты. Резистивыые элементы в предела* подобласти могут быть размещены на нескольких уровнах по толщине нагревательного элемента. Дорожки реамстирного элемента в пределах подобласти На каждой уровне mjeWT «вое регулярное размещение и одинаковое геометрические характеристики. Процесс компоновки реаистивных элементов В теле пластины начинается с попытки размещецив на одноад уровне, При втом осуществляется перебор вариацтоя размещения, удовлетворяющих конструкторско-технологическадл ограничения?» и проверка неравенств (2) и (7). Вели эти «ерар#яства «е выполняются, то делается попытка {¡адместнТИ ре^чтавч^ае «а больше« количестве

уровней. . V- ' ., ■

Если для заданной моцррсти резистивный элемент не удается разместить даже ра максимально допустимом количестве уровней, то в Случае ^евьдюлчения условия (7) необходимо увеличить чисчо арн разбиения и возвратиться к первому атапу, а В случае невыполнения условии (2) делается вывод о том, что следует и меиить параметры конструкции нагревательного прибора, поскольку заданные размеры МКНЭ и условия отвода

теплоты с его поверхностей не удовлетворяет техническим требованиям по общей электрической мощности.

Третий этап заключается S определении местоположения уровней размещения резиеЫм»« вяекеятсв, при котором минимизировалась бы составляющая градиента температуры, перпендикулярна» пластине МКНЭ.

Четвертый это» заключается в моделировании различных ситуаций, связамйыж с неТо^йостью Технической реализации спроектированмор» элемента, й сатредеЛег»»» допустимых отклонений алектрйес з« и геометрических Параметров резистивныа элементов, njW хьт&рых МКНЭ Не выходйгт из строя.

Таки» образов, методика проектирований ЬЙШЭ1 включает в себя определение параметров теплового рсткшв » Выбор компонойки- реаистивкых элементов в теле кйфейвтеаьного элемента » pesotax ограничений йб «шягтруктирско-технологические » электрические rtapfeaieTfas, zips» которой получаете* зада!яйое поле темйературьь

3. ОСЙОЁНШ №ЗУЛЬТАТМ РАВО-Ш Й ВШОДЬГ .

В ходе выполнения диссертациоШой р&ботЫ был! разработал

комплексный метод исследования тепЯоШх процессов в ЬЙШЭ и

> • *

геплофизичесКого проектирования йвгревательйЬгх йлеМентсГО. На основании полученных результатов Можно сделать еледуюп^ие основные выводы:

1. Доя описания тепловых 1фоцеесов, 1фоиеходящих в МКНЭ, в большинстве случаев можно пользоваться двумерной математической моделью. При увеличении числа уровней размещения резистивного элемента увеличивается диапазон

режимных параметров, при которых возможно применение двумерной тепловой модели для исследования тепловых проциссив И проектирования МКНЭ.

2. Внутренние источники теплоты в нагревательном элементе можно представлять равномерно распределенными в пределах каждой зоны регулярного расположения резистшшого элемента. Для уточнения влияния неоднородности распределения источников на градиент температуры в нагревателе можно пользоваться поправкой (7).

3. Предложенная методика исследования тепловых режимов МКНЭ позволяет определить все основные тепловые и электрические параметры нагревателя как для установившегося рабочего режима, так и для процесса выхода на стационарный режим.

4. Разработанная методика определения »штенсивности теплообмена на поверхности нагревательного элемента позволяет определит*» локальные коэффициенты теплоотдачи по результатам тецлофизического эксперимента. Даны рекомендации л о выбору количества и мест точек термометрирования для проведения такого эксперимента.

5. Предложевд следующие пути снижения максимального градиента температур (т.е. повышению надежности) МКНЭ при равномерном расположении резистивного элемента в теле нагревателя; уменьшение ширины технологической зоны, увеличение интенсивности теплообмена на поверхности нагревательного элемента, минимизация отклонения напряжения от номинального в большую сторону.

6. Если конструкция прибора или устройства, в котором используется нагревательный элемент, такова, что теплоотвод осуществляется с обеих поверхностей нагревателя, то для определения экстремальных значений электрических и теплофиаических характеристик достаточно рассматривать только стационарный рейеим и - дополнительно определить величину электрического тока в момент включения. Если же с одной поверхности во время выхода- на- стационарный режим осуществляется подвод тепла к нагревателе то для определения максимального значения температурного- градаейта Необходимо рассматривать поведение характеристик- нагревательного элемента И до выхода на стационарный' режим: ' -

7. Полученная! номоРршзмп области живучести М1ШЭ, Па которой наглядно в- виде ограничительных крзийзх представлены все виды отказов- лагресптельжа^. меиентсв, • позволяет определить допустимые вйачеийя электрического йаяряжени.\ и коэффициента теплоотдачи, при которых возможна эксплуатация . конкретного нагревателя,. а тшяке определить предельно допустимые отклонения укагшашх параметров от ймзийальных. Такие номограммы можно использовать ка1£ паспортные дшяше нагревательных элементов.

8.. С помощью неравномерного расположения '^езистиансго элемента в теле нагревателя можно уменьшить максимальный градиент температура до величины, минимальной для дашзой конструкций! нагревательного прибора. С Помощью предложенной методики проектирования МКНЭ можно " определить геометрические параметры резистивното элемента с учетом ограничений на конструкторско-технологическИе и электрические-

параметры- Методика проектирования позволяет также определить все характеристики нагревательного элемента и провести моделирование воаыожгшх тепловых режимов.

9. Разработаны программный комплекс дли определения основных технических характеристик МКНЭ, программный комплекс для определении интенсивности теплообмена зга поверхности нагревательного элемента и САПР нагревательных элементов. Совместное использование этих комплексов позволяет спроектировать надежные с тедлофмзической точки зрения нагреватели.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАЩЕ ДИССЕРТАЦИИ опубликовано в работах: • .

1. Костиков ДО., Мацевитый Ю.М., Овчаренко В.Е., Цакрнян Q.C. Тенлофизическое проектирование метавдокерамических 'нагревательных поборов // Тепловые режимы и охлаждение радиоэлектронной аппаратуры: Научн— техн. сб. - 1993. - £ылД. - С. 54-60.

2. Костиков А-0-, Мадеритый Ю.М., Овчаренко В.Е., Цаканян О.С.. Методика проектирования мет&ллокерамических нагревательных элементов // Тепловые режимы и охлаждение радиоэлектронной аппаратуры: Научн.-техн. сб. - 1993. - Вып.3-4. -С. 18-25.

• 3. АО. Kostikov, O.S. Tsakanyan. Designing cermet heating elements on condition of their thermal reliability. // 1. Mathmod Vienna. Proceeding of the IMACS Symposium on MATHEMATICAL MODELING during February 2-4, 1994 at Technical University Vienna, Austria 1904 Volpme 4. - P- 731-734,

4. Kostikov A., Tsakanysn Q, Determining the conditions of rei;ab!e operation of cermrt heating fitments by means of simulation // Kurosiro Congress '95. Poster £~ ARGESIM Report No. 3. Printed by CA Druckerei, Vienna, Aust.na, .1995. - Г 20.

SUMMARY

Kostikov AO. Thermal processes in the cermet heating | elements and scientific Li sis of their designing. Thesis is . a manuscript for finding if academic degree of a candidate of sciences on the speciality 05.14.05 - theoretical th ?;tru»i engineering, Institute for Problems in Machinery of National Academy of Sciences of the Ukraine, Kharkov, 16G6.

Research problems of heat state of ceunet heating elements (CHEs) have been considered. The methodology di determination of thermal and electrical performances of CHEi, the methodology of determination of intensity of heat transfer on heater surfaces and the methodology of their designing have been suggested. The results of investigations of dependence of main technical characteristics from regime pnrameters have been obtained.

АНОТАЦШ ,

Костжов A.O. Teiuiosi процеси в металокерашчиих нагршальних елементах та HayKoei основи 5х проектуваяяк. Диеертшуя е рукопис, що подана на здобуття яаукового ступаня кандидата техшчних наук за спещалъшетю 05.14.05 - теоретична теплотехнжа, Гнститут проблем машинобудуваняя НАН Украши, XapKis, 1096.

Розглянут) питаннл доелщження теплового стану металокерам)чних нагршальних елемс-нт1в (МКНЭ). Запропонаваш методика знаходження тешювих та електричних параметрш МКНЭ, методика низлачення штенсивноста теплообмену на поверхнях нагр1»ач1в i методика 5х проекту»« шя. Наведен! результата доынджешш залежнсст! основних техшчних характеристик нагргвальних елемент'В вщ режкмних параметров.

Ключевые слова: моделирование, идет i j фнкащ: л,

проектирование, теплообмен, температура, металлокерамическлм нагревателыхый элемент, резиетивный элемент.

Ответственный за выпуск: кл.н. Лушпенко С.ф. Подписано к печати Ot- М< 36 Формат 60 х 90 1/16. Бумага тш.№1. Услов.печ.л. 1,0. Уч. -изд.л. 0,96. Тираж 100 экз. Заказ

Ротапринт 1 ЩМадх HAH Украины 1 310046, Херьков —46, ул. Дм. Пожарского, 2/10