Диссертация (Исследование процессов теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в недогретых жидкостях), страница 10

Дело в том, что диаметр78отверстия должен быть не более 1 мм, и многие сверла ломаются в процессеработ, оставаясь внутри шара. Поэтому единственным способом, хорошонаминаработанным,являетсяизготовлениеотверстийспомощьюэлектроэрозионного ЧПУ станка. Отверстия проходили из верхней частишара на поверхность под разными углами (50, 90, 135 и 180°) и в центр шара.Фотографии шаров, с проделанными отверстиями, изображены на рис.2.9.Рис.2.9.

Шары с отверстиями под термопары.После того, как отверстия изготовлены, в верхней части шарика нарезаетсярезьба для трубки державки. Как правило, это полая трубка из нержавейкинасколько возможно малого диаметра, для уменьшения тепло оттока впроцессе эксперимента. Затем, в трубку-державку, а после в отверстия,протаскиваются кабельные хромель-алюмель термопары. Это одна из самыхкропотливых процедур, так как диаметр кабеля термопары практическиравен диаметру отверстия. Если учесть, что все отверстия располагаются на79маленьком пятачке диаметром 5 мм, а кабельные термопары достаточножесткие и упругие, то становится понятным, насколько сложна эта работа.Фотографии шара с термопарами и трубкой-державкой приведены нарис.2.10.Рис.2.10.

Шар с заведенными термопарами и трубка державкаПри изготовлении 45мм шаров из меди и никеля мы применили новуютехнологию. Чтобы избежать полости, которые образуются между кабелемтермопары и сквозным отверстием, мы решили провести пайку серебром.Для этого пришлось раскатать серебро до состояния тонкой фольги, скрутитьиз нее кожухи и вставить в зазор между термопарой и отверстием намаксимально возможную глубину. Также, небольшие кусочки серебрапредусмотрительно были заложены в пустоты центрального отверстия.После этого шар подвешивался в экспериментальном стенде, заполненном80аргоном.

Для расплавления серебра шар нагревался с помощью ВЧиндуктора. Температура образца контролировалась с помощью термопар,находящихся в шаре. Состояние поверхности контролировалось с помощьюпростой зеркальной перископной системы, через окошко стенда. Подостижении температуры около 1000°С серебро начинало плавится, заполняясобой все пустоты. Если у никеля температура плавления 1450°С, и никакихпроблем не возникло, то у меди температура плавления почти такая же, как усеребра. При пайке меди произошло плавление материала шара в местахконтакта с серебром, что вызвало образование кратеров. Несмотря на это,шар был «залечен» и полностью готов к работе. Это очень оригинальныйспособкреплениявмешательстватермопар,лазернойкоторыйсваркойдлятребуетлишьустраненияминимальногонеровностейилиоставшихся полостей после пайки.Рис.2.11.

Проведение пайки в атмосфере аргона: a)медный шар, видныкратеры и расплав материала шара. b)никелевый шар, расплава материалашара не наблюдается81Такой метод крепления термопар доказал свою надежность, на примереникелевого шара. Этот шар активно используется в экспериментах и успешноперенес более 50 циклов закалки в разных жидкостях. Фотографии спроцесса пайки представлены на рис.2.11.

Кроме того, открываются новыевозможностиэкспериментальногостендавобластипроведенияиндукционной пайки в атмосфере аргона.На образцах из меди диаметром 45мм, нержавеющей стали диаметром30, 38 и 50мм крепление термопарных кабелей осуществлялось с помощьюлазерной сварки. Горячий спай термопары приваривался к тончайшему дискудиаметром чуть более диаметра самого отверстия, такого же металла, что иматериал шара. Затем этот диск приваривался заподлицо с поверхностьюшара. При этом достигалась максимальная чувствительность температурныхизмерений на поверхности шара, так как термическое сопротивление былопренебрежительно малым.

Схема такого крепления приведена на рис.2.12.Шарыизмедидополнительнопокрывалиськарбидомхрома,дляпредотвращения окисления поверхности.Рис.2.12. Схема крепления термопар к поверхности шара лазернойсваркой82Такой способ позволил получить достаточно большой массивэкспериментальных данных, однако зарекомендовал себя как ненадежный инедолговечный. При таком креплении термопары часто просто отрывались отповерхностииз-засильныхтермическихдеформаций,неизбежновозникающих в процессе интенсивного охлаждения. Также наблюдаласьпотеря герметизации сварного соединения. При этом процесс пленочногокипения сильно недогретой жидкости характеризовался возникновениемогромных парогазовых пузырей из мест заделки термопар.

После такихслучаев, после изготовления рабочего участка проводилась проверка егогерметизации, охлаждением в жидком азоте и нагревом в спирте. При этомвизуально наблюдалось отсутствие или наличие пузырей.Рис.2.13.Возникновениебольшихпарогазовыхпузырейпринарушении герметизации сварного соединения термопары с поверхностью на50мм шаре нержавеющей сталиОкончательная схема закладки термопар идентична для всех рабочихучастков, отличаясь лишь количеством поверхностных термопар. На рис.2.14приведена схема рабочего участка с 5 термопарами.

В шаре монтируются 5хромель-алюмелевых термопар: четыре на поверхности в точках с полярным83углом θ = 50, 90, 135 и 180º и одна в центре. В другом варианте шароснащался 4 термопарами, из которых 3 - на поверхности. В большинствеслучаев использовались кабельные термопары с диаметром электродов0,2мм; наружный диаметр кабеля термопары не превышал 1 мм.Рис.2.14.

Схема рабочих участковГрадуировка термопар, заложенных в рабочие участки, была проведенана участке температур от 20ºС до 100ºС. Это было обусловлено отсутствиемобразцового прибора, который выдавал бы сигнал при более высокихтемпературах. В результате градуировки был сделан вывод о том, что дляданныхтермопарможнопользоватьсястандартнойградуировочнойзависимостью. Погрешность измерения температуры составляет ±1°С вдиапазоне от -40 до +275°С. Максимальное отклонение наблюдается при700°С и составляет 2,8°С (см. Приложение 2).

Такие отклонения более чемприемлемы для наших исследовательских задач.842.3. Методический эксперимент по обоснованию способа заделкитермопарОписанная выше методика заделки термопар очень трудоемка, нопрактически безальтернативна и не влияет на реальные процессы,происходящие на охлаждаемой поверхности. При использовании в сходныхэкспериментах высокотеплопроводных (медь, серебро) рабочих участковмалых размеров [15, 25, 54] возможно использование лишь однойцентральнойтермопарыдляприближеннойоценкиинтенсивноститеплоотдачи на поверхности.

Но при использовании никелевых шаров [54,55] темпы охлаждения центра шара и поверхности отличаются слишкомсильно, чтобы плотность теплового потока можно было оценивать по методусосредоточенной теплоемкости [15, 25]. Для никелевых шаров диаметром 45мм в режимах интенсивного охлаждения допущение о сферическойсимметрии процесса не выполняется.В монографии [49] описан эксперимент, в котором при моделированиипроцесса закалки использовали цилиндрический образец, на внешнейповерхности которого приваривали термопару, а термоэлектроды выводилинепосредственно через объем воды. Однако в данном случае измерительноеустройство неизбежно влияет на изучаемый процесс.

Впрочем, соблазн иметьпростую и дешевую схему измерений подтолкнул к прямой проверкеколичественного эффекта внешней заделки термопар на результатыизмерений изменения температуры нагретого образца в недогретой воде.Были проведены методические эксперименты с одновременным измерениемтемпературыстенкинаружнымиизаделаннымиизнутриобразцатермопарами. На рис. 2.15 представлен эскиз рабочего участка в видетолстостенной трубы из нержавеющей стали, внешним и внутреннимдиаметрами 30 и 10 мм соответственно и высотой 60 мм. Герметичностьобеспечивалась привариванием снизу и сверху заглушек из того жематериала.

На одинаковых расстояниях от нижнего торца монтировали по85две термопары, одну из которых приваривали снаружи, а другую вводиличерез сверление в стенке трубы и крепили заподлицо с поверхностью. Нарис. 2.15 сечения заделки термопар обозначены как АА, BB, CC. Для того,чтобы различить способы заделки, далее использованы термины «наружные»и «внутренние» термопары. Диаметр электродов термопар составил150 мкм, а размер спая — 250 мкм, что существенно меньше, чем в [49].Рис.2.15.

Схема заделки термопар на цилиндрическом образцеВ ходе проведения экспериментов были получены термограммы,пример одной из реализаций приведен на рис. 2.16, из которого следует, что86термограммы внутренних и наружных термопар даже качественно несогласуются друг с другом. Так, температура, зафиксированная внешнимитермопарами, падает от 580 — 600 до 300 — 320 °С практически мгновенно,в то время как для внутренних термопар это падение происходит за 13 с длянижней термопары (сечение ВВ) и за 30 с для верхней (сечение АА).Видеосъемка показала, что фронт интенсивного охлаждения движется снизувверх, так же, как это было описано в [25] на цилиндрических образцах изникеля.

Сдвиг времени начала интенсивного охлаждения отчетливо виден потермограммам внутренних термопар, а внешние термопары отражаютпрактически синхронное охлаждение поверхности цилиндра в местах ихзаделки.Рис.2.16. Термограммы охлаждения цилиндра из нержавеющей стали сразличной заделкой термопар. Расположение термопар: 1 — центральная;2— 5— внутренняя дно, низ, середина и верх; 6 — 8— внешняя низ,середина и верх87Очевидно, спаи этих термопар и термоэлектроды выступают в качествесвоеобразных ребер, по которым тепло интенсивно отводится в жидкость.Когда фронт охлаждения образца достигает уровня заделки внешнихтермопар, в их показаниях появляются естественные различия, но попрежнемуфиксируемыеимитемпературысущественнониже,чемдействительные, о которых можно судить по показаниям внутреннихтермопар.

Вероятно, для образцов с более высокой теплопроводностьюобнаруженный эффект окажется количественно не столь разительным. Ноэтот методический эксперимент устраняет всякие сомнения в невозможностииспользовать наружную заделку термопар для изучения охлаждениявысокотемпературных образцов в недогретой жидкости.2.4. Теплофизические свойства рабочих участков и охлаждающихжидкостейЭксперименты проводятся на шарах, выполненных из разныхматериалов: Нержавеющая сталь, марка Aisi316 Никель, марка НП-1 Медь, марка М-1Выбор таких металлов был продиктован большими различиями ихтеплофизическихсвойств,особеннотеплопроводности.Например,теплопроводность меди в 20 раз выше, чем у нержавеющей стали.