Анализ особенностей распределения температур в конструкционных материалах теплообменных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Курочкин, Илья Александрович

• Курочкин, Илья Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Курочкин, Илья Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ ТЕКСТИЛЬНЫХ СТРУКТУРНО РАЗУПОРЯДОЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1. Особенности строения и физических свойств полимеров.

1.2. Текстильные материалы и изделия на основе полимерных веществ.

1.2.1. Тепловая изоляция промышленных трубопроводов.

1.2.2. Тепловая изоляция в строительстве.

1.2.3. Фильтрующие элементы на основе полимерных нетканых материалов.

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

2.1. Модель подвижности носителей переноса.

2.2. Основы релаксационной модели переноса.

2.3. Модель переноса тепла в структурно разупорядоченных средах.

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

3.1. Анализ переноса тепла в материалах с разупорядоченной структурой.

3.2. Анализ электронного теплопереноса в металлах и окислах.

3.2.1. Сплавы цветных металлов.

3.2.2. Стали.

3.2.3. Окислы.

3.3. Анализ теплопроводности в теплоизоляционных и строительных материалах.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ.

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

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

4.3. Описание экспериментальной установки для исследования тепловых свойств материалов.

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

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

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

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ особенностей распределения температур в конструкционных материалах теплообменных аппаратов»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Курочкин, Илья Александрович

120 ВЫВОДЫ

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

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

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

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

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

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

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

122

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Курочкин, Илья Александрович, 2004 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

41. Полупроводники. Справочник. М., 1971.

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

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

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

45. Смит Р. Полупроводники. М., 1962.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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