Глава XII. Контактный теплообмен (1013641)
Текст из файла
ГЛАВА ХН КОНТАКТНЫЙ ТЕНЛООБМЕН 12.1. ТЕНЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ Контактным теплообменом называется передача тепла между соприкасающимися твердыми поверхностями. Если через две соприкасающиеся поверхности проходит тепловой поток,то температура их будет одинаковой лишь в том случае, когда контакт этих поверхностей идеальный и термическое сопротивление в зоне контакта равно нулю, Однако поверхности деталей машин никогда не бывают абсолютно гладкими, на них всегда имеются неровности, зависящие как от технологии обработки, так и от механических свойств самого материала. Поэтому контакт соприкасающихся поверхностей всегда имеет дискретный характер. Возникающее вследствие дискретного характера соприкосновения поверхностей термическое контактное сопротивление приводит к соответствующему перепаду температур в зоне контакта, величина которого при большой плотности тепловых потоков, характерной для современных энергетических и силовых установок, может составлять десятки и даже сотни градусов.
Вопросы контактного теплообмена имеют большое значение при исследовании проблем охлаждения ядерных реакторов, передачи тепла в установках, непосредственно преобразую1цих тепло в электричество, охлаждения элементов авиационных двигателей (диски, лопатки турбин), нагрева обшивки космических летательных аппаратов, охлаждения элементов электронных устройств и т. п. В задачи исследования контактного теплообмена наряду с определением величины контактного термического сопротивления входит также изучение зависимостей этого сопротивления от различных факторов и нахождение способов его уменьшения. Зона контакта представляет собой область, состояп1ую из выступов микронеровностей, часть которых прн соприкосновении деформируется и образует контактные пятна, и межконтактных зазоров, находящихся между выступами.
При этом суммарная площадь контактных пятен (площадь фактического контакта) всегда составляет незначительную часть поминальной плошади контактирования, определяемой геометрическими размерами поверхностей. В межконтактных зазорах может быть вакуум, газ или жидкость. Обычно коэфФициент теплопроводности контактирующих материалов во много раз больше коэффициента теглопроводности 3!9 Рас. 12 1, Контактирование шероховатых поверхностей ности которых имеют микронеровности, в зоне контакта возникает дополнительный температурный перепад ухТ„, величина которого зависит от целого ряда факторов: теплофнаимеских свойств среды, заполняющей межконтактные зазоры; состояния контактирующих поверх- еа ка а) Рис.
~к.2. Распределение температур прн кон тактиронаини двух пластин: а еаеалькый контакт; б — реальный контакт 320 среды, заполняющей межконтактпые зазоры. Поэтому наличие в контактной зоне газовой прослойки и особенно вакуума значительно затрудняет переход тепла от одной поверхности к другой через зону контакта. На рис. 12.1 схематично показаны линии теплового тока '1 и изотермы 2 в зоне контакта на стационарном тепловом режиме.
Как видно, вблизи контактной поверхности тепловой поток раздваивается: одна часть его проходит через пятна фактического контакта, а другая — через среду, заполняющую межконтактные зазоры. Так как теплопроводность контактных пятен, как правило, аначительно выше теплопроводности среды, заполняющей зазоры, то к этим пятнам стягиваются линии теплового тока, а изотермические поверхности, параллельные друг другу вдали от контактной зоны, принимают в области контакта сложный характер.
Плотность теплового потока вблизи пятен контакта сильно возрастает, что приводит к увеличению температурного градиента в зоне контакта. На рнс. 12.2 представлено распределение температуры в составном теле при идеальном и при реальном контакте двух тел с шероховатой поверхностью, В случае идеального контактирования температура на границе тел одинакова. При соприкосновении реальных тел, поверхл, л ностей; теплофизических н механических свойств материалов контактной пары; средней температуры в зоне контакта; нагрузки на контактные поверхности; величины теплового потока и др.
Величина расчетного температурного перепада ЛТ„может быть определена экспериментально путем линейной экстраполяции графика распределения температуры в контактирующих телах до поверхности соприкосновения. Перепаду температур в зоне контакта ЬТ„соответствует контактное термическое сопротивление Ак — б7 н/чи (12.1) где д„— средний удельный тепловой поток, проходящий через зону контакта. В местах фактического контакта тепло передается теплопроводпостью. В зазорах передача тепла может осуществляться теплопроводностью, конвекцией и излучением. Как правило, размеры межконтактных зазоров весьма ограничены, что препятствует возникновению конвективпых токов, поэтому конвективпым теплообменом в зазорах можно пренебречь.
При температурах в зове контакта до 1000 К поток тепла, передающийся излучением, не превышает 2 — 3% от общего теплового потока. Поэтому при умеренных температурах лучистым теплообменом в первом приближении можно также пренебречь. Таким образом, можно считать, что тепло от одной соприкасающейся поверхности к другой передается лишь за счет теплопроводности места фактического контакта и газовой прослойки в межконтактном зазоре.
Термическая проводимость контакта а„ (величина обратная термическому сопротивлению /с„) определяется как сумма термических проводимостей контактных пятен (о„) и среды, заполняющей межконтактный зазор (а,), т. е. а„.= а„+ а„, (12.2) или 1/Я„= 1/Я„+ 1/И„ (12.3) где ߄— термическое сопротивление контактных пятен; термическое сопротивление среды. 1З.З. ТЕРМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПЛОСКОГО КОНТАКТА При теоретическом рассмотрении вопросов контактного теплообмена обычно прибегают к модельным представлениям теплового контакта. При построении модели контакта шероховатых поверхностей принимается, что фактическая площадь контакта составляет незначительную долю номинальной и образуется пятнами контакта в среднем одинакового размера, равномерно Авдуевсказ л21 распределенными по поверхности сопри.
косновения. Тогда контактирующие поверхности можно представить в виде плотной упаковки одинаковых правильных шестиугольных призм, каждая из которых имеет одно пятно касания. Таким образом, контактирующие поверхности рассматриваются как бы составленными из х таких элементарных параллельных теп г ловых каналов смыкающимися по кон. д тактцым пятнам. Течение тепла во всех каналах происходит идентично, поэтому Х тсплообмен на боковых поверхностях отсутствует, а тепловые процессы, происходящие в отдельном тепловом канале, отражают особенности контактного теплообмеца для всей контактирующей поверхности.
Большинство исследователей в качестве тепловой модели контакта шероховатых поверхностей принимали контактный элемент в виде прямого круглого цилиндра конечного радиуса г„с кольцевой проточкой и рассматривали трехмерное поле температур при соответствующих краевых условиях Согласно современным достижениям теории механического контактирования соприкасающиеся поверхности моделируются в виде наборов сферических сегментов с определенным законом Распределения по высоте, поэтому тепловые модели представляются в виде цилиндров со сферическими гоприкаса|ощнмнся поверхностями (рис. 12.3). Определив термическое сопротивление выделенных контактных элементов, находящихся под нагрузкой, и используя выражения по нахождению геометрических характеристик соприкасающихся тел, можно определить тепловое сопротивление всего контакта.
Для определения термического сопротивления контактного элемента необходимо определить и проанализировать температурное поле в рассматриваемой области, то есть решить уравнение Лапласа со смешанными краевыми условиями. Уравнение Лапласа в безразмерных координатах: — — (р — ) -1 —, = о. р др др дв~ где р .=- р!г„и 2 = г!г, пРи следующих граничных условиях: на поверхности 1 (см. Рис. 12.3) при О ~ р ~ а/г„=-- р„; т,ч — т,: —. 0; (12.5) на поверхностях 2 и 2' (см.
Рис. 12.3) при р, ( р ~ 1 принимается идеальный контакт газа с поверхностью твердого тела ~ «-О 7-0 322 Соотношения между температурами на поверхностях будут определяться нз условия (12. 6) д» я.и На поверхности 3 (см. рис. 12 3) при — оо<г<-1 оо принимаются условия теилоизолнровапиости боковой поверхности дг (Р») дп На поверхностях 4 и 5 (см. рпс. 12.3) при г- со принимается условие постоянства плотности теплового потока ггг (О, ») (1 2.8) д7 Ввиду сложности граничных условий аналиги»еское решение поставленной задачи невозможно, поэзому данная задача решается численным методом, лгетодом конечных элементов. По результатам расче а температурного поля вычисляется величина полного контактного термического сопротивления модельного элемента: ь> г -О к.м» т — Т (1 2.9) к о»вЂ” (1» Р~ = 0,25 1ЯаХ) (12.10) и Функции ф„», учитывающей конечность радиуса элементарного цилиндра: (12.11) Получешюе выражение термического сопротивления модельного элемента распространяется иа всю контактяую поверхность.
При построении модели контакта шероховатых поверхностей принималось, что площадь фактического контакта образуется пятнами контакта в среднем одинакового радиуса. Термическое сопротивление всех пятен кон~акта действует параллельно. На номинальную поверхность соприкасающихся тел (А„) приходится и пятен фактического контакта л =- А„/(пб,) (12,! 2) 323 где Т,. » — температура нри г ==: 0 и прохождении равномерного теплового потока; Т„. „»температура па пятне контакта модельного элемента со сферическим окончанием; д — плотность теплового потока вдали от плоскости контакта Для сопоставления полученных результатов с данными других исследователей величина контактного термического сопротивления представляется в виде пределшюго значения 1Г при г,— Термическое сопротивление контактных пятен шероховатых поверхностей йи = ф.фА4)2ПХм.
Характеристики
Тип файла DJVU
Этот формат был создан для хранения отсканированных страниц книг в большом количестве. DJVU отлично справился с поставленной задачей, но увеличение места на всех устройствах позволили использовать вместо этого формата всё тот же PDF, хоть PDF занимает заметно больше места.
Даже здесь на студизбе мы конвертируем все файлы DJVU в PDF, чтобы Вам не пришлось думать о том, какой программой открыть ту или иную книгу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
