Теплообмен через тонкослойные прослойки в зоне контакта металлических поверхностей

УДК 537.311.4

ТЕПЛООБМЕН ЧЕРЕЗ ТОНКОСЛОЙНЫЕ ПРОСЛОЙКИ В ЗОНЕ КОНТАКТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

В.М. Попов, О.Л. Ерин, А.П. Новиков, И.Ю. Кондратенко

Экспериментально исследовано влияние прослоек из различных материалов в зоне контакта металлических поверхностей на процесс теплообмена. Введено понятие о безразмерном термосопротивлении, позволяющем сравнивать эффективность материалов прослоек проводить тепло

Ключевые слова: термосопротивление, прослойка, зона контакта, теплообмен, теплопроводность

Интенсивное развитие различных отраслей техники во многих случаях сопровождается повышением теплонапряженности элементов конструкций систем. При проектировании и эксплуатации таких систем требуется учитывать термосопротивления контакта металлических поверхностей, возникающие за счет дискретного характера их соприкосновения. Вопросам контактного теплообмена посвящен значительный объем отечественных и зарубежных исследований [1, 2]. Проведенные исследования в основном затрагивают вопросы механизма теплопередачи через зону контакта, зависимости контактного термосопротивления от материала контактирующих тел, давления и температуры в зоне контакта, природы межконтактной среды, геометрии контактирующих поверхностей.

По мере накопления экспериментального материала созрела интересная для практики идея по осуществлению направленного терморегулирования в составных системах путем введения в зону контакта прослоек из различных материалов [3, 4]. Для снижения контактного термосопротивления в зону контакта помещались прокладки из высокотеплопроводного материала и, наоборот, для повышения термосопротивления вводились малотеплопроводные материалы. Следует отметить, что исследования в этом направлении не носили системного характера и лишь констатировали факт изменения контактного термосопротивления, причем в основном исследования проводились в режиме высоких механических нагрузок.

В настоящей работе решается задача экспериментального исследования процесса формирования термосопротивления в зоне контакта металлических поверхностей при введении различных заполнителей при малых усилиях прижима. Эксперименты проводились на специальной установке для

Попов Виктор Михайлович - ВГЛТА, д-р техн. наук,

профессор, тел. (473) 2537308

Ерин Олег Леонидович - ВГЛТА, аспирант,

тел. (473) 2537308

Новиков Алексей Петрович - ВГЛТА, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 2537308

Кондратенко Ирина Юрьевна - ВГЛТА, канд. техн. наук доцент, тел. (473) 2537308

Рис. 1. Общий вид установки для исследования контактного теплообмена.

исследования контактного теплообмена, общий вид которой приведен на рис. 1. Рабочая ячейка установки состоит из двух соприкасающихся торцами вертикально расположенных латунных стержней диаметром 30 мм и длиной по 100 мм. Верхний стержень имитирует собой источник тепла за счет подводимого электрического тока через электронагреватель, нижний стержень выполняет функции холодильника, стабильно поддерживающего низкие температуры за счет воды, омывающей нижнюю часть стержня. Каждый стержень имеет по пять радиальных сверлений диаметром 1,5 мм на глубину радиуса стержня, в которых установлены электроды хромель-копелевых термопар.

Показания термопар позволяют получать осевое распределение температур. Боковые поверхности стержней теплоизолированы. Эффективное давление, действующее на поверхность раздела, создавалось за счет осевого нагружения специальными грузами.

Термосопротивление в зоне раздела определялось по формуле

%

где температурный скачок в зоне контакта *Тк находился из графика распределения температур по длине стержней и средний тепловой поток

дср по градиентам температур в верхнем и нижнем стержнях.

Исследовались прослойки между торцевыми поверхностями стержней из листового теплоизоля-тора (асбестовый лист) и материала с тепловым сопротивлением, обусловленным их геометрией (проволочные экраны). В качестве последних использовались сетки из нержавеющей стали с проволокой различной толщины и разного размера ячеек, железные сетки, одна из которых покрыта оксидной пленкой и вторая обработана растворителем. Поставлены две серии опытов при значениях температуры в зоне контакта ^ = 65°С и

^ = 130°С . Усилие прижима на стержни Р изменялось от 0,2 до 0,85 МПа.

Результаты проведенных исследований представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Зависимость термосопротивления от нагрузки при ^ =65°С для заполнителей в зоне контакта: 1 - асбест (3 = 0,43 мм); 2 - железная сетка, обработанная растворителем (3 = 0,75 мм, размер ячейки 1 мм х 1 мм); 3 - та же железная сетка с оксидной пленкой; 4 - сетка из нержавеющей стали (3 = 0,88 мм, размер ячейки 1 мм х 1 мм); 5 - сетка из нержавеющей стали (3 = 0,39 мм, размер ячейки 0,5 мм х 0,5 мм); 6 - сетка из нержавеющей стали (3= 0,13 мм, размер ячейки 0,05 мм х 0,05 мм); штриховая линия - непосредственный контакт без прослойки.

нагрузки при 1к =130°С для заполнителей в зоне контакта: аналогично данным рис. 2.

Приведенные на рис. 2 и 3 кривые зависимости К = / (Р) позволяют сделать ряд выводов, представляющих практический интерес. Так, наиболее эффективным теплоизолятором представляется соединение с заполнителем из нержавеющей сетки с проволокой максимальной толщины (кривая 4). Уменьшение толщины проволоки и размера ячеек сопровождается заметным снижением термосопро-

тивления (кривые 5 и 6). Подобный характер формирования термосопротивления в зоне раздела можно объяснить влиянием размера воздушной прослойки и величиной непосредственного контакта сетки с поверхностями нагревателя и холодильника. Из приведенных опытных данных также следует, что сетка из более теплопроводного металла (железо, кривая 2) создает термосопротивление, которое значительно меньше, чем для сетки из нержавеющей стали. Железная сетка, покрытая малотеплопроводной оксидной пленкой, снижает теплопроводность зоны перехода (кривая 3 в сравнении с кривой 2). Здесь также следует отметить такой интересный для практики факт, как использование в качестве теплоизолирующего экрана сеток и особенно из малотеплопроводных металлов по сравнению с таким широко применяемым теплоизоляционным материалом, как листовой асбест (кривая 1).

Из сравнения данных рис. 2 и 3 видно, что повышение температуры в контактной зоне значительно снижает термосопротивление, что можно объяснить увеличением коэффициента теплопроводности воздуха, заполняющего пустоты в прослойке. Наконец, сравнивая данные опытов для соединений с заполненным и незаполненным меж-контактным промежутком, можно видеть, что для первых термосопротивление значительно превышает контактное термосопротивление при непосредственном контактировании поверхностей.

Приведенные выше экспериментальные данные можно характеризовать как начальную стадию последующих обширных исследований по вопросам терморегулирования в составных теплонапряженных системах. Встает вопрос о необходимости проведения исследований по формированию термосопротивления в зоне раздела с прослойками из порошковых материалов, металлической фольги, консистентных смазок и др., в связи с чем возникает необходимость разработки теоретической модели для подобных соединений, работающих в режиме малых усилий прижима, которая позволила бы производить оценочную характеристику материала заполнителя для конкретных систем.

Для характеристики различных сочетаний основного металла и материала прослоек вводится безразмерный комплекс в виде отношения термосопротивления зоны контакта с несжатой прослойкой из выбранного материала к термосопротивлению непосредственного контакта и эквивалентной среды, т.е.

К =

где Кк, Япр - соответственно термосопротивления при непосредственном контакте поверхностей и при наличии прослойки;

3, А - соответственно толщина прослойки материала и эквивалентная толщина межконтакт-ной среды.

прослойки. И, наоборот, при снижении безразмерного термосопротивления повышается теплопроводность через прослойки. Дальнейшие исследования для различных по природе заполнителей позволяют провести их классификацию. Таким образом, комплекс К позволяет сравнивать эффективность материалов прослоек проводить тепло.

Литература

1. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А., Царевский С.Н. Контактное термосопротивление. М.: Энергия, 1977. 328 с.

2. Мадхусудана К.В., Флетчер Л.С. Контактная теплопередача. Исследования последнего десятилетия // Аэрокосмическая техника. 1987. № 3. С. 103-120.

3. Флетчер Л.С., Смуда П.А., Гайорог Д.А. Коэффициент термического контактного сопротивления некоторых материалов с низкой теплопроводностью, применяемых в качестве заполнителей межконтактного промежутка // Ракетная техника и космонавтика. 1969. Т. 7. № 7. С. 107-116.

4. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений. М.: Энергия, 1971. 216 с.

5. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970. 226 с.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ

Воронежская государственная лесотехническая академия

HEAT EXCHANGE THROUGH THIN-LAYERS IN A CONTACT ZONE OF METALL

SURFACES

V-М. Popov, ОХ. Yerin, А-P. Novikov, I.Yu. Kondratenko

Influence of layer from different materials in a contact zone of metal surfaces on the heat exchange process is examined. Notion about unlimited thermal resistance, allowing comparing the effectiveness of materials for heat conductivity is introduced

Key words: thermal resistance, layer, contact zone, heat exchange, heat conductivity

Входящие в (2) термосопротивления К и Кпр

находились опытным путем.

Эквивалентную толщину межконтактной среды А определяли из профилограмм контактирующих поверхностей согласно методике [5].

На рис. 4 приведены значения безразмерного комплекса К для различных прослоек в зависимости от усилий прижима.

Рис. 4. Зависимость безразмерного термосопротивления от нагрузки для различных заполнителей при 1к =130°С: аналогично данным рис. 3.

Из рис. 4 видно, что если безразмерное термосопротивление растет, то это свидетельствует об улучшении теплоизоляционных характеристик