книги из ГПНТБ / Попов, В. М. Теплообмен через соединения на клеях

'Выбор й осуществление экспериментального метода определения термического сопротивления связаны со значительными трудностями, поскольку полимерные свя­ зующие в отличие от обычных низкомолекулярных ве­ ществ характеризуются целым рядом специфических особенностей в процессе воздействия внешнего силового и температурного полей. Поэтому, выбирая метод экспе­ риментального исследования клеевых соединений в усло­ виях стационарного или нестационарного тепловых ре­ жимов, необходимо обеспечить возможность выявления всех свойств, обусловленных структурными особенностя­ ми полимерных связующих.

В тех случаях, когда задачей экспериментального ис­ следования является получение информации о термиче­ ском сопротивлении клеевой прослойки с максимально возможной точностью, предпочтение отдается стационар­ ному методу, основанному на закономерностях для ста­ ционарного теплового потока при использовании плоских изотерм с условиями дТ/дг= 0 или Т(х, у, z)=const.

Для получения экспериментальных данных, характе­ ризующих формирование во времени тепловой про­ водимости или термического сопротивления клеевых про­ слоек, применяется нестационарный метод, основанный на закономерностях регулярного режима второго рода, т. е. квазистационарного теплового режима [Л. 93].

Стационарный метод экспериментального определе­ ния термического сопротивления R клеевой прослойки основывается на законе Фурье и дифференциальном уравнении теплопроводности для неограниченной пласти­ ны с изотермическими поверхностями при стационарных условиях теплового режима и использует расчетное урав­ нение R=AT/q, где АТ — температурный перепад в зоне клеевой прослойки; q — тепловой поток через клеевое соединение.

При осуществлении стационарного метода через два склеенных по торцам цилиндрических образца с адиаба­ тическими поверхностями (рис. 4-1,а) проходит тепловой поток постоянной плотности и производятся измерения температур по длине образцов с помощью набора термо­ пар, расположенных в аксиальном направлении. При наличии качественной теплоизоляции и принятии мер, способствующих выравниванию температуры на боковых поверхностях образцов, кривые T=f (l) практически не отличаются от прямых (рис. 4-1,6).

101

Экстраполяцией кривых T=f(l) до клеевого слоя определяется температурный перепад АТ, обусловленный его термическим сопротивлением <R. Остановимся не­ сколько подробнее на определении термического сопро­ тивления клеевой прослойки стационарным методом.

Как известно, решение исходного дифференциального уравнения теплопроводности для неограниченной пласти­ ны с изотермическими поверхностями при стационарном

Ч

Рис. 4-1. К экспериментальному определению термического сопро­ тивления клеевой прослойки при стационарном тепловом режиме,

о — схема двух склеенных цилиндрических образцов (/, 2); 6 — распределение

температур по длине образцов; индексы соответствуют местам расположения термопар; А А — плоскость клеевой прослойки.

тепловом режиме и конкретно заданных условиях одно­ значности дает зависимость, характеризующую нелиней­ ное распределение температур по толщине пластины.

Однако ,при экспериментальных исследованиях по­ добных систем предполагается линейное распределение температур по толщине пластины. Линеаризации задачи способствует введение понятия о средней температуре ?ср, которой соответствует среднее опытное значение коэффициента теплопроводности

т,

т»

102

Рис. 4-4. Рабочие участки для исследования теплообмена в зоне клеевых (а) и клее-механических (б) соединений при стационарном тепловом режиме.

/ — нагреватель;. 2 — холодильник; 3 — образцы; 4— боковой экран; 5 — тепло­ вая изоляция; 6 — компенсационные нагреватели.

медные оболочки для нагрезателя и холодильника, спо­ собствующие выравниванию температуры.

106

кулирует вода с постоянным для каждой серии опытов расходом. Между нагревателем и холо­ дильником монтируются образцы 3. В целях све­ дения до минимума потерь тепла с боковых поверхно­ стей образцов с клеевыми соединениями используется засыпка из окиси магния 5 и боковой экран 4 в виде склеенного полого цилиндра из металла образцов. Боко­ вой экран своими торцами прилегает к нагревателю и холодильнику, обеспечивая тем самым идентичность

Рис. 4-6. Опытные образцы для исследования клее­ вых (а) и клее-механических (б) соединений при стационарном тепловом режиме.

структур температурных полей образцов и бокового экрана (рис. 4-5). Кроме того, снаружи к боковому экрану монтируется двухсекционный компенсационный жидкостный нагреватель 6 (рис. 4-4,а), который при значительной плотности теплового потока позволяет сни­ зить радиальные тепловые потери. Показания контроль­ ных термопар, установленных в боковом экране по на­ правлению теплового потока, фиксируются на потенцио­ метре 11 (рис. 4-2). Рабочий участок для исследований клее-механических соединений не имеет компенсацион­

цах можно пренебречь и рассматривать задачу как одномерную.

107

Стационарный тепловой режим обычно устанавлива­ ется через 4—5 ч после выхода на рабочий режим.на­ гревателя и холодильника, при этом установившимся обычно считается режим, когда три последовательных замера показаний термопар, следующие с 10-минутным интервалом, различаются не более чем на 0,1°С. Про­ цесс установления стационарного теплового процесса можно визуально наблюдать на диаграммной ленте са­ мопишущего потенциометра 11.

Опытные образцы с клеевыми соединениями выпол­ няются в виде двух склеенных цилиндрических блоков диаметром 68 и общей длиной 120 мм (рис. 4-6,а), а образцы с клее-механическими соединениями — в фор­

спаи термопар выполнено по восемь радиальных сверле­ ний диаметром 1,5 мм на глубину радиуса образца. Расстояние между соседними отверстиями составляет 6 мм и от зоны клеевой прослойки 3 мм. Использование такого количества термопар позволяет осуществлять контроль за локальным изменением температурного гра­ диента. Расположение термопар контролируется с по­ мощью микроскопа. В каждый образец второго типа с обеих сторон относительно клеевой прослойки монти­ руется по четыре термопары, выводы от которых укла­ дываются в специально подготовленные пазы.

Измерение температур производилось с помощью хромель-алюмелевых термопар с термоэлектродами диа­ метром 0,5 мм. В целях обеспечения надежного теплово­ го контакта горячего спая термопар с металлом образца все термопары жестко фиксировались по отношению к образцу с помощью керамической дистанционной рас­ порки. Термоэлектродные провода были электроизолированы с помощью покрытий из термостойкого клея ВС-ЮТ.

При подготовке образцов к опытам перед склеива­ нием их особое внимание уделялось созданию заданной геометрической поверхности субстратов. Технология из­ готовления заданной геометрии поверхностей субстратов соответствовала описанной в {Л. 16] для образцов по исследованию контактного теплообмена. Приготовление клеев из отдельных компонентов, подготовка поверхно­ стей к склеиванию, нанесение клея на поверхности, от­ крытая выдержка, сборка, выдержка под давлением;

108

режим сварки и т. д. — все эти технологические процес­ сы изготовления клеевых и клее-механических соедине­ ний выполнялись согласно рекомендациям, приведенным

в работах [Л. 2, 3].

■Нестационарный метод экспериментального исследо­ вания термического сопротивления клеевых соединений основан на нестационарном тепловом режиме при усло­ вии поддержания теплового потока постоянной плотности, т. е. на закономерностях квазистационарного теплового режима. Как известно, решение исходного дифферен­ циального уравнения теплопроводности для неограни­ ченной пластины при нестационарных условиях и по­ стоянстве теплового потока дает зависимость, характе­ ризующую нелинейное распределение температуры по толщине для любого момента времени [Л. 95]. Однако по истечению времени, определяемого Fo^0,55, изме­ нение температуры во времени во всех точках носит

где Тт— текущее значение температуры; Тн— начальная температура пластины и окружающей среды; Ь — ско­ рость изменения температуры среды; а — коэффициент температуропроводности материала пластины; 26 — тол­ щина пластины; B i— критерий Био; х — текущая коор­ дината.

Обстоятельство, при котором температура в любой точке оказывается линейной функцией времени, имеет существенное значение при реализации предлагаемого метода в процессе определения термического сопротив­ ления R клеевой прослойки.

Нестационарный метод определения термического со­ противления R дает возможность оценить среднее тер­ мическое сопротивление прослойки за весь период на­ гревания образцов в любом интервале температур.

Участки нестационарного режима, полученные в про­ цессе обработки показаний температур, зафиксирован­ ных при опыте на диаграммной ленте, разбиваются на интервалы по изменению времени Ат, после чего опре­ деляется разность температур АТ = Т^—7\+г на каждом из них (Тк и Гк+i — температуры термопар, расположен­ ных друг против друга в направлении вектора теплового потока).

109