Разработка и исследование тонкопленочных датчиков теплового потока для установок промышленной теплоэнергетики

В последнее время мировое сообщество столкнулось с серьезными энергетическими проблемами, обусловленными ускоренным экономическим ростом, исчерпанием и крайне неравномерным распределением энергетических ресурсов, чрезмерной нагрузкой энергетической инфраструктуры на окружающую среду [1]. Для нашей страны эта ситуация усугубляется проблемами переходного периода, а также тем, что Россиясеверная страна, вынужденная тратить значительную долю своих энергоресурсов на обогрев производственных и жилых зданий. Поэтому в Энергетической стратегии России на период до 2030 г. важнейшей задачей названо повышение эффективности производства и потребления энергии внутри страны, а энергосбережение отнесено к приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники и входит в перечень критических технологий [2].

Энергосбережение необходимо рассматривать в двух аспектах [3]. Первый предполагает структурную перестройку российской экономики в пользу развития малоэнергоемких обрабатывающих отраслей, наукоемких производств и сферы услуг. Второй включает в себя реализацию потенциала организационного и технологического энергосбережения, т. е. внедрение передовых технологий, техническое перевооружение существующих производств, внедрение энергосберегающих мероприятий, позволяющих заметно сократить затраты энергии на выпуск единицы продукции. Следует отметить, что экономия энергии неразрывно связана со сбережением ресурсов, в частности, пресной воды, которая потребляется в нашей стране в огромных количествах. В свою очередь, экономия ресурсов, стоимость которых содержит значительную энергетическую составляющую, влечет за собой экономию энергии.

Для объективного определения эффективности использования энергии в промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве, на транспорте и в других отраслях экономики законодательно предусмотрено проведение энергетических обследований предприятий, которые включают и инструментальный контроль составляющих теплового баланса технологического оборудования и помещений [3]. По существу речь идет о проведении теплотехнических экспериментов в производственных условиях, позволяющих проводить диагностику и мониторинг объектов, как в статических, так и в динамических режимах их эксплуатации. Такие промышленные эксперименты являются технической основой энергосбережения и требуют соответствующего метрологического обеспечения.

Основные акценты при этом направлены на теплосбережение за счет организации учета тепловой энергии, поддержания оптимальных параметров теплоносителей и минимизации тепловых потерь в окружающую среду с поверхности теплотехнического оборудования, технологических трубопроводов и наружных ограждений зданий. Последнее предполагает наличие эффективной теплоизоляции и периодический контроль её целостности.

В настоящее время измерения всех основных параметров теплоносителей — давления, температуры, расхода, а также температур стенок — являются привычными и хорошо отработанными. Наиболее сложной процедурой при энергетических обследованиях остается непосредственное измерение плотности тепловых потоков на теплообменных поверхностях (теплометрия) [4]. Причина этого заключается в отсутствии простых, надежных, недорогих, а потому и распространенных датчиков тепловых потоков. Как известно, современные измерительные системы резко шагнули впередони позволяют автоматизировать и компьютеризировать эксперименты, регистрировать, хранить и обрабатывать огромные массивы опытных данных. Однако существующие датчики тепловых потоков пока 5 отстают от уровня развития преобразовательной техники. Сложившаяся ситуация сдерживает развитие методов диагностики теплоэнергетических систем промышленных предприятий, ограничивая их тепловизионным контролем распределения температуры на поверхности оборудования. Плотности тепловых потоков на стенках приходится затем определять расчетным путем, причем точность такого их определения невелика.

Вышесказанное в полной мере относится и к экспериментальным исследованиям процессов конвективного, радиационного и сложного теплообмена. Широкий спектр таких исследований проводится как учеными, так и разработчиками энергоэффективных конструкций, оптимальных тепловых схем и режимов эксплуатации промышленных теплоэнергетических установок. Использование тепло метрических датчиков, несомненно, следует рассматривать как средство повышения информативности и эффективности теплофизического экспериментаоно позволит не только облегчить проведение комплексных научных исследований и лабораторных испытаний, но и упростить их автоматизацию.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

В современных условиях измерения плотности тепловых потоков приобретают 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, а с другой — экономии тепловой энергии.

Теплометрия позволяет эффективно решать задачи измерения коэффициентов теплопроводности материалов с непосредственным определением плотности теплового потока, проходящего через контролируемый образец. С ее помощью можно измерять коэффициенты теплоотдачи и лучистого теплообменаопределять составляющие теплового потока в процессах сложного теплообменасоздавать замкнутые оболочки с контролируемым теплопереносом для высокоточной калориметрии тепловых эффектов при исследованиях удельной теплоемкости веществ, теплот фазовых переходов и т. п.

Основная проблема на пути широкого использования теплометрии в нашей стране связана с недостаточным уровнем развития теплометрических преобразователей (датчиков) теплового потока, заметно отстающих от современной цифровой измерительной техники. В особенности это относится 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. Этим и определяется ее актуальность.

Тематика работы соответствует планам научно-исследовательских работ кафедры «Промышленная теплоэнергетика» МГТУ им. А. Н. Косыгина и определена заданиями Министерства образования и науки РФ.

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:

1) Исследовать технологические возможности вакуумного термического напыления для получения тонких металлических и полупроводниковых пленок на полимерных подложках.

2) Разработать технологию и создать опытные образцы гибких малоинерционных тонкопленочных датчиков теплового потока типа вспомогательной стенки с высокими метрологическими и эксплуатационными показателями.

3) Разработать и создать лабораторные установки для изготовления датчиков теплового потока и исследования их градуировочных характеристик.

4) Провести тестовые теплотехнические эксперименты по исследованию плотности тепловых потоков с помощью тонкопленочных ДТП в лабораторных и промышленных условиях.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1) Проведен анализ теплофизических и технологических характеристик ряда термоэлектрических материалов и полимерных подложексреди них выбраны вещества, которые в наибольшей степени удовлетворяют требованиям получения тонкопленочных структур методом вакуумного напыления.

2) Разработаны оригинальные конструкции и получены опытные образцы гибких тонкопленочных датчиков теплового потока. В градуировочных экспериментах определена вольт-ваттная чувствительность этих датчиков.

3) Исследована с помощью сканирующего зондового микроскопа топография поверхности металлических и полупроводниковых пленок, напыленных в вакуумеопределены диапазоны изменения толщины пленок и дефектность их структуры.

4) 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.

1) 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.

2) 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.

3) 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 9 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» (Текстиль-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.

Основные результаты и выводы.

1) Создана, на базе универсального поста ВУП-5, лабораторная установка для вакуумного напыления тонких металлических и полупроводниковых пленок, предназначенных для датчиков теплового потока (ДТП). На установке отработаны оптимальные технологические режимы термического напыления различных материалов на полимерные и слюдяные подложки, а также методы определения толщины пленок.

2) Разработана технология вакуумного термического напыления одиночных термопар на полиимидные подложки. По результатам градуировки, проведенной методом сличения, для дальнейших исследований были выбраны пары термоэлектродов «висмут — теллур» и «медь — висмут», как отличающихся коррозионной и химической стойкостью, стабильностью, воспроизводимостью и линейностью характеристик в рабочем диапазоне температур 0. +100°С.

3) Разработаны оригинальные конструкции, технологии изготовления и созданы опытные образцы тонкопленочных ДТП на основе меди, висмута и теллура с однои двухсторонним вакуумным термическим напылением указанных материалов через маски на полиимидные подложки толщиной 40 мкмтолщина напыленных термоэлектродов составляла 50.60 нм. По сравнению с традиционными ДТП эти датчики отличаются лучшими эксплуатационными показателями, гибкостью и малой инерционностью, приемлемыми коэффициентами преобразования тепловых потоков (вольт-ваттной чувствительностью).

4) Для градуировки тонкопленочных ДТП разработан и изготовлен лабораторный стенд с автоматизированной системой записи и обработки информации с помощью персонального компьютера. Градуировка проведена абсолютным методом по тепловым потокам, создаваемым ленточным электрическим нагревателем. В диапазонах 0.300 Вт/м (для датчиков Вн Те) и 0.1000 Вт/м" (для датчиков В1-Си) градуировочные характеристики оказались линейными, что удобно при использовании этих ДТП в качестве измерительных средств.

5) Исследована, с помощью сканирующего зондового микроскопа «Солвер Некст», структура и топография поверхности наноразмерных металлических и полупроводниковых термоэлектродов ДТП в зависимости от режимов их осаждения в вакууме. При этом было установлено, что благодаря островковому механизму формирования пленок термоэлектроды имели развитый рельеф, а также структурные дефекты, которые могут приводитьк—повышенному разбросу градуировочных характеристик датчиков. Измерения микрорельефа поверхности пленок позволили оценить их среднюю толщину и уточнить результаты, полученные расчетно-весовым методом.

6) Выполнено тестирование тонкопленочных датчиков теплового потока на ряде классических задач теплообмена. Оно было проведено в лабораторных условиях с целью определения плотностей тепловых потоков, эффективности тепловой изоляции и коэффициентов теплоотдачи на элементах теплогидравлического стенда кафедры «Промышленная теплоэнергетика», а также на действующем теплоэнергетическом оборудовании теплового пункта МГТУ им. А. Н. Косыгина. Тестовые эксперименты подтвердили работоспособность датчиков и корректность теплометрических измерений, осуществляемых с их помощью.