Введение к работе
Актуальность темы.
Измерения плотностей тепловых потоков имеют важное значение в технике. Они необходимы в теплофизических экспериментах, посвященных исследованиям свойств веществ и процессов теплообмена, а также для диагностики промышленного теплоэнергетического оборудования и управления режимами его работы. Методы теплометрии можно с успехом применять для оперативного контроля качества тепловой изоляции энергетических установок и трубопроводов, определения теплозащитных свойств строительных конструкций. Такой контроль способствует, с одной стороны, рациональному использованию изоляционных материалов, с другой - экономии тепловой энергии.
Основная проблема, сдерживающая широкое использование теплометрии в нашей стране, связана с недостаточным уровнем развития теплометрических преобразователей (датчиков) теплового потока, заметно отстающих от современной цифровой измерительной техники. Это относится прежде всего к датчикам для промышленных экспериментов, которые наряду с приемлемыми метрологическими характеристиками, должны отличаться конструктивной простотой, надежностью и невысокой стоимостью. Диссертационная работа направлена на решение указанной проблемы, что и определяет ее актуальность.
Целью работы является разработка малоинерционных тонкопленочных датчиков теплового потока типа вспомогательной стенки и исследование их метрологических и эксплуатационных характеристик.
В соответствии с этой целью в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:
-
Исследовать технологические возможности вакуумного термического напыления для получения тонких металлических и полупроводниковых пленок на полимерных подложках.
-
Разработать технологию и создать опытные образцы гибких малоинерционных тонкопленочных датчиков теплового потока типа вспомогательной стенки с высокими метрологическими и эксплуатационными показателями.
-
Разработать и создать лабораторные установки для изготовления датчиков теплового потока и исследования их градуировочных характеристик.
-
Провести тестовые теплотехнические эксперименты по исследованию плотности тепловых потоков с помощью тонкопленочных ДТП в лабораторных и промышленных условиях.
Научная новизна.
-
Проведен анализ теплофизических и технологических характеристик ряда термоэлектрических материалов и полимерных подложек; среди них выбраны вещества, которые в наибольшей степени удовлетворяют требованиям получения тонкопленочных структур методом вакуумного напыления.
-
Разработаны оригинальные конструкции и получены опытные образцы гибких тонкопленочных датчиков теплового потока. В градуировочных экспе-,. риментах определена вольт-ваттная чувствительность этих датчиков. / \\
-
Исследована с помощью сканирующего зондового микроскопа топография поверхности металлических и полупроводниковых пленок, напыленньк в вакууме; определены диапазоны изменения толщины пленок и дефектность их структуры.
-
Исследованы с помощью тонкопленочных ДТП коэффициенты конвективной и радиационной теплоотдачи на поверхностях элементов лабораторного и промышленного энергетического оборудования, а также эффективность тепловой изоляции.
Практическая ценность и значимость работы.
-
Создана лабораторная технологическая установка, на базе универсального поста ВУП-5, для вакуумного напыления на полимерные подложки тонких металлических и полупроводниковых пленок методом свободной маски и лабораторный стенд для исследования градуировочных характеристик датчиков теплового потока.
-
Разработаны два типа тонкопленочных висмут-теллуровых и висмут-медных датчиков теплового потока и технология их изготовления. Изготовлены опытные образцы этих датчиков, которые отградуированы абсолютным методом при стационарном тепловом режиме и протестированы в лабораторных и производственных условиях.
-
Разработанные в диссертации датчики теплового потока могут быть использованы при количественной диагностике тепловых потерь в промышленном теплоэнергетическом оборудовании, работающем в области умеренных температур, и при экспериментальных исследованиях процессов теплообмена. Лабораторные стенды могут служить студентам кафедры «Промышленная теплоэнергетика» МГТУ им. А.Н.Косыгина в качестве учебной базы при изучении курсов «Тепломассообменное оборудование предприятий» и «Управление, сертификация и инноватика», а также при выполнении ими дипломных и научно-исследовательских работ.
Достоверность основных-научных положений и выводов работы подтверждается применением современной метрологически аттестованной экспериментальной техники и технологического оборудования для вакуумного напыления, воспроизводимостью результатов градуировочных экспериментов тонкопленочных датчиков тепловых потоков и анализом их погрешностей.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Промышленная теплоэнергетика» ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А.Н.Косыгина» (2008-2011 гг.); на научно-практической конференции аспирантов университета на иностранных языках (2006); а также на международных научно - технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Тек-стиль-2009,2010, и 2011), г. Москва.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ в отечественных научных журналах и сборниках.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка из 75 наименований. Работа изложена на 138 страницах, содержит 6 таблиц и 52 иллюстрации.
