Научный архив: статьи

In this paper we present a new method for calculation of the thermal diffusivity of a rigid body. This method is based on contactless thermal treatment of the examined construction material by an infrared radiation source. Further we analytically find one-dimensional non-stationary temperature field of a rigid body during its heating using data from thermal elements. The calculation of the thermal diffusivity of a rigid body is made using differential heat equation.

Тепловая изоляция трубопроводов тепловых сетей является критически важным элементом централизованного теплоснабжения с точки зрения энергосбережения и экологической безопасности. При проектировании толщина тепловой изоляции, определяемая типом материала и способом прокладки трубопроводов, должна соответствовать действующим нормативным требованиям по тепловой защите. Расчеты целесообразно выполнять с использованием специализированного программного обеспечения. Цель исследования – определить толщину тепловой изоляции трубопроводов двухтрубных тепловых сетей, обеспечивающую соответствие суммарной нормативной линейной плотности теплового потока. Объектом исследования является двухтрубная тепловая сеть подземной бесканальной прокладки. Предмет исследования – требуемая толщина тепловой изоляции и тепловые потери трубопроводов двухтрубных тепловых сетей подземной бесканальной прокладки. В основе программного расчета лежит решение уравнения стационарной теплопередачи для многослойной цилиндрической стенки, включающей тепловую изоляцию и грунт. В отличие от нормативной методики, предполагающей ручные итерационные расчеты, разработанная программа позволяет автоматизированно определять искомые величины с высокой точностью за счет встроенной проверки результатов. На примере распределительного участка двухтрубной тепловой сети системы централизованного теплоснабжения с условным диаметром трубопроводов 125 мм (133×4,0 мм) рассмотрена реализация программного расчета тепловой изоляции для климатических условий города Вологды. При среднегодовых температурах сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах 65 ℃ и 50 ℃, с учетом нормативной величины суммарной линейной плотности теплового потока 56 Вт/м, требуемая толщина слоя тепловой изоляции из пенополиуретана составляет 40 мм, а линейные плотности теплового потока от подающего и обратного трубопроводов – 32 Вт/м и 24 Вт/м соответственно. Разработанное программное обеспечение предназначено для проектирования тепловой изоляции наружных поверхностей подающего и обратного трубопроводов тепловых сетей при их бесканальной прокладке в грунте. Программная реализация предложенного алгоритма расчета соответствует требованиям СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».

Тепловая изоляция трубопроводов играет важную роль в энергосбережении, обеспечивая допустимый уровень тепловых потерь (или холода), что обусловливает актуальность разработки программно-алгоритмических средств теплотехнического расчета трубопроводов, в частности, на основе нормированной плотности теплового потока. Целью исследования является разработка программно-алгоритмического метода определения параметров тепловой изоляции трубопроводов, включая толщину тепловой изоляции и температуру на поверхности теплоизоляционной конструкции. Объектом исследования является трубопровод цилиндрической формы с тепловой изоляцией на наружной поверхности и защитно-покровным слоем. Предметом исследования являются параметры тепловой изоляции, включая ее толщину и температуру на наружной поверхности. В основе разработанного программного обеспечения лежит решение системы двух взаимосвязанных уравнений: уравнения теплопередачи для однослойной цилиндрической стенки и уравнения теплоотдачи, количественно описывающего теплообмен между наружной поверхностью теплоизоляционной конструкции и окружающей средой. В отличие от нормативного метода, ориентированного только на определение требуемой толщины тепловой изоляции (метод последовательных приближений), разработанная программа позволяет дополнительно рассчитывать температуру на наружной поверхности, коэффициент теплоотдачи и сопротивление теплоотдаче, а также реализует процедуру верификации результатов вычислений. На примере паропровода с условным диаметром 300 мм (325×8,0 мм) продемонстрирована реализация алгоритма. При температуре водяного пара 250 ℃ и нормированной плотности теплового потока 148 Вт/м получены следующие результаты расчета: требуемая толщина тепловой изоляции – 145 мм; температура на наружной поверхности теплоизоляционной конструкции – 59,7 ℃; коэффициент теплоотдачи – 1,93 Вт/(м2⋅℃); сопротивление теплоотдаче – 0,27 м⋅℃/Вт. Разработанное программное средство предназначено для проектирования и расчетноконтрольной оценки тепловой изоляции трубопроводов с температурой рабочих сред от –180 ℃ до 600 ℃, размещаемых в зданиях, сооружениях и на открытом воздухе. Предлагаемый метод и его программная реализация соответствуют требованиям СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».

Рассмотрена концепция привода на основе материала с термомеханическим эффектом памяти формы для раскрытия крупногабаритных космических конструкций. Подобные приводы являются перспективными для использования в крупногабаритных космических конструкциях. Однако характеристики работы этих приводов имеют достаточно сложный и нелинейный характер. Для материалов с эффектом памяти формы управляющее воздействие — изменение температуры. В связи с этим целью работы является создание математической модели, с использованием которой можно точно описать изменения тепловой энергии и длины активного элемента привода. Проведены серии экспериментов по определению деформационно-силовых и температурных характеристик проволочных активных элементов различных диаметров. Разработана математическая модель для расчета изменения температуры активного элемента при нагреве пропусканием через него постоянного тока и изменения длины в соответствии с динамикой нагрева. Предложенная модель основана на уравнении энергетического баланса, фазовые превращения учитываются с помощью параметра состояния. Полученные результаты расчетов по математической модели хорошо согласуются с экспериментальными данными. Разработанная математическая модель может стать основой для дальнейших исследований в этой области, а также быть использована для проектирования более совершенных крупногабаритных космических конструкций Просьба ссылаться на эту статью следующим образом: Зимин В. Н., Шахвердов А. О. Моделирование работы привода из материала с эффектом памяти формы для раскрытия крупногабаритных космических конструкций. Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2025, № 3 (120), с. 48–61.

Существующие технологии глубокого бурения льда не обеспечивают экологически чистое проникновение в подледниковые озера Антарктиды для проведения научных исследований. Для решения этой задачи предлагается новая технология скоростного экологически чистого бурения льда и вскрытия подледниковых озер с помощью комбинированного теплового бурового снаряда. Конструкция бурового снаряда исключает контакт циркулирующей нагретой жидкости с водой и стенками скважины. Вода, образовавшаяся в результате плавления льда тепловым снарядом, предотвращает смыкание стенок скважины под действием горного давления. Результаты теплового расчета демонстрируют возможность бурения глубокой скважины к подледниковому озеру Восток за несколько суток. Новая технология бурения льда обеспечит возможность исследования озера Восток с целью поиска жизни в экстремальных условиях и позволит разместить в озере детектор нейтринного телескопа для регистрации космических нейтрино сверхвысоких энергий

Работа посвящена вопросам теплообмена внутри трубы цилиндрической формы. В ней рассматривается вопрос о распределении температурного поля трубы цилиндрической формы для случая лучистого теплового потока с одной внешней стороны и при граничном условии третьего рода с внутренней стороны. При этом рассматриваемая задача является стационарной. Для ее решения в работе рассматривается решение уравнения Пуассона и уравнения Эйлера. Основным методом является метод Фурье. Полученное выражение температурного поля трубы имеет аналитический вид, содержащий ряд Фурье. На основании полученной зависимости установлено, что температурное поле меняется по закону косинуса двойного аргумента. Также в работе были рассмотрены отдельные случаи, которые вытекают из основного решения. Полученный результат может быть использован в инженерных расчетах теплообменных аппаратов

Композиционные материалы, содержащие нанотрубки CdTe, представляют значительный интерес и могут найти применение в электронике и фотонике. Данные об анизотропных тепловых свойствах нанотрубок CdTe и композитов их на базе необходимы для разработки наноразмерных электронных устройств. В данной работе проведены аналитические оценки влияния диаметра нанотрубок и температуры на анизотропию теплопроводности. Для оценки эффективной теплопроводности бездефектных одностенных наносвитков CdTe и влияния температуры на анизотропию коэффициента теплопроводности использован метод теории обобщённой проводимости. Метод предполагает рассмотрение теплообмена в дисперсной среде в рамках одной элементарной репрезентативной ячейки, моделирующей основные черты переноса тепла в среде в целом. Исследованы теплофизические свойства двумерных нанолистов CdTe, выращенных коллоидным методом, толщиной около 1 нм, равномерно сворачивающихся вдоль направления, образующих многослойные свиткообразные нанотрубки. Проведена оценка эффективной теплопроводности бездефектных одностенных наносвитков CdTe в продольном и поперечном направлениях относительно оси свертывания. В результате выявлена зависимость эффективной теплопроводности композитного материала от его диаметра и показано, что при увеличении диаметра наносвитков теплопроводность в продольном направлении нанотрубки падает за счёт уменьшения доли высокотеплопроводной стенки теллурида кадмия CdTe. Теплопроводность нанотрубки в поперечном направлении, более низкая по сравнению с теплопроводностью в продольном направлении. При увеличении диаметра нанотрубок от 5 нм до 30 нм продольная теплопроводность снижается от 5,7 до 1,2 Вт / (м∙К), при этом поперечная теплопроводность изменяется в пределах от 1,5 до 0,6 Вт / (м∙К). Проведена оценка влияния диаметра и температуры на анизотропию коэффициента теплопроводности наносвитков CdTe. Показано, что с повышением температуры коэффициент анизотропии теплопроводности снижается

Достаточно давно замечено, что при определенных условиях изначально более горячая вода замерзает несколько быстрее, чем изначально более холодная. Такой парадокс получил название эффекта Мпембы. Несмотря на проявленный в последнее время интерес к этой тематике, окончательная теория такого эффекта не сформирована. В данной работе рассмотрена достаточно простая модель охлаждения жидкости, которая допускает проявление эффекта Мпембы. В качестве основного допущения предполагается, что коэффициент теплоотдачи зависит от начальной температуры жидкости. При этом более высоким значениям начальной температуры соответствует более высокое значение коэффициента теплоотдачи. Предложено качественное обоснование такому допущению. Приводятся результаты численных экспериментов по оценке влияния основных параметров модели на проявление эффекта Мпембы, которые могут быть учтены при проектировании охлаждающего оборудования

Работа посвящена решению краевой задачи стационарной теплопроводности. В ней рассматривается вопрос о распределении температурного поля внутри бесконечной пластинки с цилиндрическим включением при граничных условиях первого и третьего рода. Решение находилось с помощью применения преобразования Вебера — Орра для исходной функции, что показывает новые подходы к решению краевых задач теплопроводности. В результате были получены выражения для определения температурного поля пластины и теплового потока к цилиндрическому включению, содержащие функции Бесселя нулевого порядка. Полученный результат позволяет решать задачи по определению термопрочности стеклянных элементов электровакуумных приборов со стержневыми включениями в виде кругового цилиндра, а также при определении теплового потока к электрическому кабелю от кабельной проходки при пожаре.

Представлены результаты разработки и валидации нового класса материалов – конформных тепловых метаматериалов (КТМ), обладающих уникальной триадой свойств: выраженной анизотропией теплопроводности (xy/z  20–30, где xy = 60– 80 Вт/(мК), z = 2–4 Вт/(мК)), обеспечивающей «тепловой разворот»; конформностью – способностью точно воспроизводить рельеф поверхностей и изгибаться до 180 для «геометрического» управления потоками; автоэффектом улучшения теплового контакта за счет микроэкструзии внутренней теплопроводящей пасты. КТМ занимают промежуточное положение между жесткими анизотропными пластинами и тепловыми трубами, сочетая их преимущества при меньшей стоимости. Валидационные эксперименты на светодиодных лентах, точечных LED-источниках и мощных резисторах показали снижение температуры кристалла на 28–45 C, что эквивалентно увеличению срока службы в 2–3 раза. Доказана возможность замены традиционных Ш-образных радиаторов на покрытия КТМ и связанного с этим радикального улучшения массогабаритных характеристик электронных устройств.

Введение. Текстильные материалы технического назначения в виде многослойных пакетов находят широкое применение в качестве теплоизоляционных покрытий в строительстве. Одной из функциональных характеристик такого рода материалов является их эффективная работа в условиях интенсивного обдува ветром. Теплоизоляционные характеристики текстильных теплоизоляционных материалов зависят от величины их воздухопроницаемости, при этом минимальное термическое сопротивление наблюдается со стороны обдува. Материалы и методы исследования. В статье предложена методика, позволяющая рассчитать термическое сопротивление многослойного пакета, состоящего из текстильных строительных материалов в условиях обдува. Показано, что теплоизоляционные свойства материалов, входящих в состав пакета, зависят от их воздухопроницаемости. Результаты и обсуждение. Рассматриваемая в работе математическая модель по определению термических сопротивлений ограждающих конструкций, содержащих теплоизоляционные пакеты на основе текстильных материалов, включает данные по воздухопроницаемости отдельных слоёв, а также по толщине их воздушных прослоек. В работе приведена схема теплоизоляционных слоев, включающая температурные кривые. В качестве исходной информации по распределению температур в слоях приняты условия неподвижной среды, а также предположение, что повышение скорости воздуха при обдуве пакета влияет на уменьшение его термического сопротивления. Заключение. В работе приведены уравнения по определению термических сопротивлений теплоизоляционных слоев и прослоек ограждающих конструкций, с учетом их воздухопроницаемости при обдуве воздушным потоком разной степени интенсивности.

Многокомпонентные рабочие тела (МРТ) нашли широкое применение в холодильной и криогенной технике. Одним из основных элементов данных систем является рекуперативный теплообменник, в котором осуществляется регенерация холода. Однако процессы кипения и конденсации смесей остаются недостаточно изученными. В данной работе рассматриваются различные соотношения, позволяющие описывать данные процессы, а также производится сравнение результатов, полученных с использованием этих соотношений, с существующими экспериментальными данными.