Контактный теплообмен в измерительной технике

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 536. 21
КОНТАКТНЫЙ теплообмен в измерительном технике В. М. Попов, О.Л. Ерин
Исследуется влияние термосопротивления в зоне контакта с теплоизмерительной ячейкой прибора на точность измерения теплофизических характеристик твердых тел
Ключевые слова: теплопроводность, контактный теплообмен, нагреватель, холодильник, образец
В современных теплоизмерительных приборах довольно часто встречаются прижимные тепловые контакты. Так, при определении коэффициентов теплопроводности и температуропроводности тепловые контакты являются неизбежной составляющей частью конструкции приборов. При этом отмечено [1, 2], что нередко основным источником погрешностей являются термические сопротивления, в частности, в зоне контакта эталонного и исследуемого образцов. Особенно это хорошо просматривается на примере плоского прибора для определения теплофизических свойств неметаллических материалов методом пластины. Образец, изготовленный в форме диска, помещается между нагревателем и холодильником. На пути теплового потока от нагревателя к холодильнику через образец возникают два контактных термосопротивления на переходах нагреватель-образец и образец-холодильник, вносящие погрешности в процессе измерений. Для снижения погрешностей стремятся уменьшить влияние контактных термосопротивлений путем повышения чистоты обработки поверхностей образца, нагревателя и холодильника, а также увеличением давления в контактной зоне и введением в зону раздела заполнителей с высокой теплопроводностью, вытесняющих воздушные включения [3, 4]. Однако, не всегда рекомендуемые меры дают желаемый результат, поскольку, как правило, приходится иметь дело с малонагружен-ными контактами. Это особенно характерно для приборов, функционирующих по методу двух температурновременных интервалов [5].
В практике при исследовании теплофизических свойств материалов заранее вводится поправка на влияние, оказываемое контактным термосопротивлением, которая находится экспериментально на образце с известной теплопроводностью или на металлическом образце, у которого термосопротивление значительно меньше термосопротивления исследуемого образца.
Ниже предлагается аналитический метод определения вносимых контактным термосопротивлением погрешностей при определении коэффициента теплопроводности часто применяемым методом пластины. На рисунке представлена схема ра-
бочей ячейки с образцом для определения коэффициента теплопроводности.
2
Попов Виктор Михайлович — ВГЛТА, д-р техн. наук,
профессор, тел. (4732) 537 308
Ерин Олег Леонидович — ВГЛТА, аспирант,
тел. (4732) 537 308
(1)
Схема рабочего узла прибора для определения коэффициента теплопроводности методом пластины: 1 -нагреватель- 2 — образец- 3 — холодильник
Вводится допущение о наличии сплошных газовых зазоров толщиной 5 между образцом с одной стороны и нагревателем и холодильником с другой.
Погрешность находится из выражения
МХ -А'-]. 1оо%,
Яр I Яр)
где Я, Яр — соответственно коэффициенты теплопроводности без учета термосопротивлений газовых зазоров и реальный.
Коэффициент теплопроводности материала образца без учета термосопроивлений в зоне контактов описывается уравнением Фурье
4 • о • I
Я=----------------V (2)
ж-ё • ((-)
где 0 — тепловой поток- I — толщина образца- 5 -толщина зазоров- ё — диаметр образца- Хн, — со-
ответственно средние температуры поверхностей нагревателя и холодильника.
Реальная величина коэффициента теплопроводности с учетом термосопротивлений, создаваемых газовыми прослойками, описывается выражением
4−0-1
р ж-а2 • (- і
(3)
Здесь? м, — соответственно средние темпе-
ратуры поверхностей образца со стороны нагревателя и холодильника.
После подстановки (2) и (3) в (1) получаем
АЯ
Я"
1 —
К — к
і., — і,.

•100%
(4)
¦р V н х У
Температурный перепад в образце находится в виде
і, — = і, — -
4-б-8
ж-й2
Л
(5)
с2 У
где Я, Я — соответственно коэффициенты теплопроводности среды, заполняющей зазоры при данных температурах.
Подстановкой (5) в (4) получаем 1 1
АЯ
X
4-б•8 Л л
с2
ж-а2
і, —
100%
(6)
Найденная согласно (6) погрешность коэффициента теплопроводности исследуемого материала дает завышенные значения, поскольку при расчете не учитывается действительная величина зазора и снижение влияния процесса контактного теплообмена в соединениях нагреватель-образец и образец-холодильник. Кроме того, практически отсутствует варьирующий коэффициент, который учитывал бы фактическую площадь контакта и усилие прижима.
В более реальном варианте выражение (6) имеет вид
АЯ _ 4−0
Як, + Як2
Яр ж- ё2
-100%
к. — к.
(7)
Здесь входящие в (7) контактные термосопро-ивления соединений нагреватель-образец (Як1) и
образец-холодильник (Як2) описывают близкие к
реальным погрешности, накладываемые на определяемый коэффициент теплопроводности.
Из анализа работ по контактному теплообмену [6] следует, что подавляющее большинство экспериментов проводилось для контактных пар, функционирующих в режиме средних и высоких усилий прижима соприкасающихся поверхностей, когда давление Р& gt-1 МПа. В тоже время современные приборы для исследования теплофизических свойств материалов методом пластины позволяют создавать в рабочей ячейке давление на исследуемый образец не выше 0,2 — 0,5 МПа.
Для определения контактного термосопротивления Як в газовой среде для контакта плоскошероховатых поверхностей обычно рекомендуется расчетная зависимость, полученная автором работы
[7].
1 ЯсУ +
Я,
2-(+И)
V СР1 сР2 !
+8−103 -Я,

Здесь Яс — коэффициент теплопроводности
— 2-Ям -Ям
^ Л, 1 М²
межконтактной среды- Я, =
Ям + Ям
М1 М2
— приве-
денный коэффициент теплопроводности материала образца и нагревателя или холодильника- Ъср —
средняя высота микронеровностей- & lt-Ув — предел
прочности- У — относительная величина зазора- К — коэффициент, зависящий от суммы средних высот микронеровностей.
Практика использования уравнения (8) в расчетах свидетельствует о его ограниченности для контактных соединений, работающих в режиме малых нагрузок, а также при наличии на контактирующих поверхностях волнистости или макронеровностей. Более предпочтительным представляется вариант, когда контактное термосопротивление находится опытным путем для каждого конкретного случая.
Ниже приводится расчетная методика для определения Як в подобных малонагруженных тепловых контактах.
При контакте плоскошероховатых поверхностей предлагается расчет термосопротивления проводить по формуле
1
Я,
= 3. 2−106-Я, •(Р — в Т"-х
. 0,73
Е
+ -
Я-У
(9)
Я + Я
макс1 макс2
для контактов высокопластичных и
Я- = 1. 05 -106 Тм-(Р — в Т X
. 0,73
+ -
Я-У
(10)
Я""с + Я.
для контактов высокоупругих материалов. Здесь Е — модуль упругости материалов образцов- Тк — температура в зоне контакта- Ямакс -максимальная высота микронеровностей- % - ко-
эффициент, заВисяЩий от (мас + Ямакс2) =
тически интерпретирован в форме
12
Х =
анали-
Я + я
мащ макс2
при 5 & gt- Я + Я & gt- 1мкм:
г мащ макс2
Х =
20
Я
V макс
+ Я
при 10 & gt- Я + Я
г макс м
макс2 у
& gt- 5 мкм:
х =
30
Я + Я
V макс макс2 J
при 30 & gt- Я + Я & gt- 10мкм.
г мащ макс2
Относительная величина зазора У обычно находится из кривых опорной поверхности [8] по снятым с поверхностей контактов профилограммам. Для контактов, характерных для соединений в теплоизмерительных приборах, относительная величина зазора может быть принята равной У =3… 3,33.
Как показывает практика, поверхности контакта образцов часто имеют волнистость, которая вносит существенную погрешность при измерении теплофизических характеристик материалов. Поэтому следует учитывать влияние волнистости на формирование контактных термосопротивлений в зоне переходов нагреватель-образец и образец-холодильник. Ниже предлагаются расчетные формулы для определения Як контактов с волнистыми поверхностями
(V'52
+
Н + Н
V вср вср2 J
L 2 Я-У
(11)
я
в + Ня
вмакс1 макс 2
+я,
при контакте двух волнистых поверхностей и
, 0,43 Ґ Л0'43
Ц 2 Н
V вср J
я.
±
(12)
Я-У
Н +
макс
(я.
+я.
при контакте волнистой и плоскошероховатой поверхностей.
Здесь Ив — высота волны- Ь — шаг волны.
Предложенные выше аналитические зависимости для определения контактных термосопротивлений в соединениях теплоизмерительных приборов позволяют получить оптимальные значения теплофизических характеристик исследуемых материалов с минимальной погрешностью.
Литература
1. Курепин В. И., Дикалов А. И. Определение теплофизических характеристик методом мгновенного теплового импульса при учете влияния контактных термических сопротивлений // В. И. Курепин, А. И. Дикалов. Инженерно-физический журнал. 1981. Т. ХЬ. № 6. С. 10 481 054.
2. Курепин В. И. Контактные термические сопротивления (КТС) при теплофизических измерениях // В. И. Курепин. Инженерно-физический журнал. 1982. Т. ХЬІІ. № 4. С. 615−622.
3. Шлыков Ю. П., Ганин Е. А., Царевский С. Н. Контактное термическое сопротивление. М.: Энергия, 1977. -328 с.
4. Попов В. М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М.: Энергия, 1971. 216 с.
5. Волькенштейн В. С. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов. Л.: Энергия. 1971. 145 с.
6. Мадхусудана К. В., Флетчер Л. С. Контактная теплопередача. Исследования последнего десятилетия // Аэрокосмическая техника. — 1987. — № 3. — С. 103−120.
7. Шлыков Ю. П. Расчет термического сопротивления контакта обработанных металлических поверхностей // Ю. П. Шлыков. Теплоэнергетика. 1965. № 10. С. 79−82.
8. Демкин Н. Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей. М.: изд-во АН СССР., 1962. — 322 с.
Воронежская государственная лесотехническая академия
CONTACT HEAT EXCHANGE IN INSTRUMENTATION TECHNOLOGY V.M. Popov, O.L. Yerin
Heat resistance in a contact zone with heat measuring cell of a device for a measuring accuracy of heat and physical characteristics of solid bodies is examined
1
Key words: heat conductivity, contact heat exchange, heater, refrigerator, sample

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой