Контактная теплопроводность твердых тел и ее применение для термического регулирования в космических энергетических установках

• Автор: Викулов, Алексей Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 127 с. : ил.

Обозначения и сокращения

1. Состояние теоретических и экспериментальных исследований по тепловым и электрическим явлениям в контакте твердых тел

1.1. Классификация контактов и контактных явлений

1.2. Параметры шероховатости и волнистости поверхности и механические характеристики контакта

1.3. Электрические явления в контакте металл-металл

1.4. Термоэлектрические явления в контакте металл-металл

1.5. Термоэлектрические явления в контакте металл-полупроводник

1.6. Тепловые явления в контакте твердых тел

1.7. Выпрямление теплового потока

1.8. Термический контакт на нестационарном режиме

1.9. Задачи предстоящих исследований

2. Основы теории теплопроводности
2.1. Физико-математическая корректность постановки задач в теории теплообмена
2.2. Уравнение теплопроводности
2.3. Общее определение термического сопротивления
2.4. Термическое сопротивление в контакте твердых тел
2.5. Теплофизические особенности контактного теплообмена
2.6. Термодинамические предпосылки теории теплопроводности
2.7. Применение методов дискретной среды в теории теплопроводности
3. Теплопроводность в контактах твердых тел
3.1. Идеальный контакт твердых тел
3.2. Выпрямление теплового потока в идеальном контакте твердых тел
3.3. Непрерывность температурного поля в дискретной среде
3.4. Термическое сопротивление идеального контакта
3.5. Тесные контакты

Реальные контакты.

4. Экспериментальное исследование выпрямления теплового потока в
тесном контакте
4.1. Цель эксперимента
4.2. Характеристики образца
4.3. Идентификация материалов контактной пары
4.4. Экспериментальная установка и измерительная схема
4.5. Градуировка термопар
4.6. Вычисление погрешности измерения плотности теплового потока
4.7. Результаты эксперимента и их сравнение с теоретическими данными
5. Тесные контакты в космических энергетических установках
5.1. Конструктивные особенности космических энергетических установок
5.2. Использование свойств тесных контактов для теплового регулирования в
космических летательных аппаратах
5.3. Расчет теплообменника с двухслойной теплопередающей плоской стенкой
5.4. Схема комбинированного термоконтролирующего устройства
Заключение
Список литературы

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.
А**-постоянная Ричардсона, А-м'2-К'2; к-постоянная Больцмана, Дж/К;
//^-постоянная Авогадро, 1/моль;
Аа - кажущаяся площадь контакта, м2;
Ас- контурная площадь контакта, м2;
Ап- номинальная площадь контакта, м2;
Аг- фактическая площадь контакта, м2;
Аг,- средняя площадь фактического пятна контакта;
а- средний радиус фактического контакта, м; температуропроводность материала, м2/с; Сг-объемная концентрация, 1/м3;
С,-линейная концентрация, 1/м; с- удельная теплоемкость, Дж/(кг-К);
Е- модуль Юнга (модуль упругости), Па;
Е,- уровни Ферми металла и полупроводника, совмещенные в электрическом контакте, Дж;
валентный уровень полупроводника, Дж;
Ес-уровень проводимости полупроводника, Дж;
<р- заряд, Кл;
£-сила, Н;
/ - характеристическая функция контакта; б - массовый расход теплоносителя, кг/с;
#0- микротвердость материала при нормальной температуре, Па;
Нт - микротвердость материала при расчетной температуре, Па;
И- удельная энтальпия, Дж/кг;
/ - сила электрического тока, А; у - плотность электрического тока, А/м2;
М - молярная масса вещества, кг/моль; т - масса системы, кг;
N - число частиц; число степеней свободы; пг- число пятен фактического контакта;
Рс- контурное давление контакта, Па;

Значение /0 изменяется также в зависимости от соотношения теплопроводностей материалов контактной пары. Возможные варианты поведения теплопроводности как функции температуры изображены на рисунке 1.13. Очевидно, что максимальные значения /0, при которых выпрямление теплового потока наиболее значительно, соответствуют случаю «б», в котором характер изменения теплопроводностей противоположен друг другу. В случаях «а» и «в» эффект выпрямления будет не столь значителен, а в случае «г» могут наблюдаться различные результаты в зависимости от задаваемых температур. Отсюда следует, что при необходимости подбора контактной пары, обеспечивающей максимальный и стабильный эффект выпрямления теплового потока, необходимо, во-первых, использовать материалы, теплопроводности которых значительно изменяются как функции температуры и удовлетворяют схеме «б» рисунка 1.13, и, во-вторых, выбирать толщины материалов, соответствующие оптимальному значению коэффициента К.
С другой стороны, выпрямление теплового потока в контакте одинаковых материалов с разными поверхностными свойствами указывает на зависимость эффекта от поверхностных и механических свойств. Экспериментально установлено, что [59]:
- упругие деформации не приводят к ощутимому изменению порядка эффекта в результате длительной циклической инверсии температур на внешних границах системы, в то время как пластические вызывают его уменьшение после нескольких циклов;
- термическое выпрямление увеличивается с ростом контактного давления;
- выпрямление теплового потока уменьшается из-за присутствия поверхностных микронеровностей;
- изменение поверхностных свойств и тепловой нагрузки оказывает существенное влияние на данный эффект.
Однако, выявляя те или иные закономерности, экспериментальные работы не могут дать ответ на вопрос о физических основах термического выпрямления из-за большого разброса опытных данных, связанного с широким спектром материалов и поверхностных характеристик образцов [59]. Поэтому для решения задачи физического обоснования экспериментальных данных необходимо теоретическое изучение проблемы.
Каждая из вышеприведенных подгрупп теоретических работ дает свою собственную интерпретацию термического выпрямления. Электронная теория объясняет выпрямление теплового потока влиянием потенциального барьера, образованного в контакте разнородных металлов, на электронный тепловой поток, считая, что фононная проводимость не имеет свойства направленности. Если Еж,, Еж2 - рабочие функции металлических поверхностей, и Ек1 <ЕкЛ, поток электронов будет направлен из металла «1» в металл «2»,