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 подвижноститеплофизическом модельном обосновании возможности использования моделей подвижности и релаксации носителей тепла для определения механизмов рассеяния и переноса в конструкционных материалах с разупорядоченной структуройопределении 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.

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.