Анализ характеристик двухфазного термосифонного теплообменника с электрогенерирующим устройством тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Будаева, Регина Сергеевна

• Будаева, Регина Сергеевна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Будаева, Регина Сергеевна

Основные обозначения.

Введение.

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Двухфазные и электрогидродинамические термосифоны.

1.2.Пленочные термоэлектрогенерирующие устройства.

1.3. Вакуумные методы получения полупроводниковых пленок для термоэлектрогенерирующих устройств.

1.4. Низкотемпературные термоэлектрические материалы для термоэлектрогенерирующих устройств.

Глава 2. Технология изготовления подложек для тонкопленочных образцов ТЭГ

2.1. Метод вакуумного термического напыления.

2.2. Установка по изготовлению подложки-датчика на базе ВУП-5.

Глава 3. Экспериментальная установка и методика измерения теплофизических свойств полупроводниковых пленок для ТЭГ

3.1. Установка для получения и исследования теплофизических свойств полупроводниковых пленок.

3.2. Методика измерения теплофизических свойств полупроводниковых пленок.

3.3. Экспериментальные результаты и анализ полученных данных.

Глава 4. Двухфазный термосифон с встроенным электрогенерирующим устройством

4.1. Конструкция и теплотехнические характеристики двухфазного термосифона с встроенным электрогенерирующим устройством.

4.3. Конструкция и энергетические характеристики пленочного электрогенерирующего устройства.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ характеристик двухфазного термосифонного теплообменника с электрогенерирующим устройством»

В настоящее время проблема рационального использования тепловой энергии приобретает особую остроту для национальной экономики. Для ее решения необходимо повышение эффективности традиционных тепловых технологий и промышленного теплообменного оборудования. В этой связи большой интерес для промышленной теплоэнергетики представляют двухфазные термосифоны - устройства, предназначенные для передачи тепловой энергии при незначительных разностях температур между горячим и холодным источниками теплоты. Теплопередача осуществляется путем фазовых переходов (кипение и конденсация) во внутренней полости термосифона без затрат энергии на прокачку теплоносителя. Термосифоны не нуждаются в постоянном контроле и являются вполне автономными устройствами. Все это обеспечило их широкое применение в технике для целей охлаждения, нагревания, термостатирования. Они активно используются в машиностроительной, металлургической, газовой, нефтеперерабатывающей, стекольной, отраслях промышленности, а также в энергетике.

Основными рабочими процессами в термосифонах являются кипение и конденсация промежуточного теплоносителя. Эти процессы во многом определяют плотность тепловых потоков в зонах подвода и отвода теплоты, величину передаваемой тепловой мощности, а также разность температур между нагреваемым и охлаждаемым объектами. Таким образом, для повышения эффективности двухфазных термосифонов необходима интенсификация теплопередачи в зонах кипения и конденсации. Анализ известных методов интенсификации теплообмена в зонах кипения и конденсации термосифонов показал, что наиболее эффективным из них является воздействие электрических полей высокого потенциала, когда коэффициент теплоотдачи может возрасти в 10-20 раз.

В диссертационной работе предложена конструкция двухфазного термосифона с интенсификацией теплообмена в зонах кипения и конденсации с помощью электрического поля высокой напряженности. Для его создания был разработан высоковольтный источник постоянного напряжения на базе пленочного термоэлектрогенератора рулонного типа. Последнее потребовало экспериментального изучения технологии получения тонкопленочных полупроводниковых материалов на полимерных подложках и исследования комплекса их теплофизических свойств. Таким образом, круг вопросов, рассмотренных в диссертации, представляет не только прикладной, но и большой научный интерес.

Тематика работы соответствует планам научно-исследовательских работ кафедры «Промышленная теплоэнергетика» МГТУ им. А.Н.Косыгина, в том числе проводимым по гранту Российского фонда фундаментальных исследований № 01-02-16375.

Цель работы.

В диссертации были поставлены следующие цели: разработка конструкции теплообменника типа «двухфазный термосифон» с интенсификацией процессов теплообмена в нем за счет воздействия электрического поля, создаваемого электрогенерирующим устройством на основе пленочной термоэлектрической рулонной батареи, а также определение теплотехнических характеристик такого теплообменника; разработка вакуумной технологии получения тонкопленочных полупроводниковых материалов для термобатареи и создание комплекса технологических установок; разработка методики экспериментального исследования теплофизических свойств тонкопленочных образцов на полимерных подложках, создание опытной установки и проведение измерений свойств ряда материалов (как кристаллических, так и аморфных), перспективных для термоэлектрических батарей.

Основные научные результаты, полученные лично аспиранткой, и их научная новизна заключается в следующем: определены оптимальные характеристики электрогенерирующего двухфазного термосифона, превышающие известные; показано, что интенсификация процессов теплообмена в двухфазном термосифоне происходит за счет воздействия электрического поля на зоны кипения и конденсации при подаче на электроды электропитания от термобатареи; определены технологические режимы вакуумного напыления для получения пленочных термоэлектрических материалов; разработана методика измерения теплофизических свойств тонкопленочных материалов и проведены их экспериментальные исследования. Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в следующем: предложена конструкция двухфазного термосифонного теплообменника с электрогенерирующим устройством, обеспечивающая его высокие теплотехнические характеристики; предложена конструкция рулонной термоэлектрической батареи для термосифона на основе тонкопленочных полупроводниковых материалов; расчеты теплотехнических характеристик двухфазного термосифона с электрогенерирующим устройством показали, что его тепловая мощность возрастает при этом в среднем на 30 -40%.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на III Российской национальной конференции по теплообмену (МЭИ, Москва, 2002г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (МГТУ, Москва, 2002г.) и на конференциях профессорскопреподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТУ в 20002002 гт.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 67 наименований отечественных и зарубежных авторов. Работа изложена на 101 страницах машинописного текста и содержит 39 рисунков, 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Будаева, Регина Сергеевна

Общие выводы

Анализ методов увеличения эффективности двухфазного термосифона показал , что одним из перспективных является наложение электрического поля в рабочих зонах. Предложена конструктивная схема двухфазного термосифона с встроенным высоковольтным источником на основе тонкопленочной рулонной термобатареи, предназначенного для интенсификации теплообмена в зонах кипения и конденсации. Проведены расчеты теплотехнических характеристик термосифона, которые показали, что его тепловая мощность в результате интенсификации теплообмена электрическим полем увеличивается в среднем на 30-40 %.

Разработана методика и создана установка для экспериментального исследования комплекса свойств тонкопленочных материалов, включающих коэффициент теплопроводности, удельную электропроводность и коэффициент термо-ЭДС.

Проведены измерения свойств ряда тонкопленочных материалов: висмут, бинарной системы ОеТе легированной висмутом в зависимости от толщины пленки. Рассчитаны коэффициенты их термоэлектрической добротности. Рассчитаны энергетические и весогабаритные характеристики термоэлектрического устройства к термосифону. Разработана методика изготовления тонкопленочных термобатарей вакуумным напылением полупроводниковых материалов на полимерные подложки. Для этой цели создана экспериментальная установка на базе ВУП-5.

96

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Будаева, Регина Сергеевна, 2003 год

1. Алатырцев Г.А., Баум В.А., Охотин A.C. Солнечные термогенераторы мощностью 10 Вт.-М.АНСССР, 1961.-С.146.

2. Алиджанов М.А., Ализаде Г.А., Вагибова JI.K. и др. Изв. АН СССР. Неорганические материалы.-1981.-т.17.-№5.-С.911-913.

3. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Справочник.-Киев,1978.-С.272.

4. A.c. 798466 СССР, МКИ3 F 28 D 15/00. Термосифон/ С.М. Климов, М.К. Болога, Г.Ф. Смирнов, В.Д. Шкилев. Заявлено 11.10.78; Опубл. 23.01.81. Бюл. №3.

5. A.c. 883645 СССР, МКИ3 F 28 D 15/00. Термосифон/ С.М. Климов, В.Д. Шкилев. Заявлено 24.10.79; Опубл. 23.11.81. Бюл. №43.

6. A.c. 568809 СССР, МКИ2 F 25 В 19/04. Тепловая груба / В.Д. Шкилев, М.К. Болога, Д.В. Марин. Заявлено 09.02.76; Опубл. 15.08.77. Бюл. №30.

7. А.С.455702 СССР. Пленочный элемент (термобагарея)/З.М. Дашевский, Я.А. Каляер, Н.В. Коломоец, И.В. Сигнев. Заявл. 06.12.73, №1975107/26-25; Опубл. В Б.И., 1976, №29. Пат. В США №3981751, Англии №1455340, Франции №2254111.

8. Болога М.К., Бабой Н.Ф. Влияние электрического поля на теплообмен при кипении органических жидкостей// Электронная обработка металла.-1967.-№3 .-С.30-40.

9. Болога М.К., Гросу Ф.П., Кожухарь И.А. Электроконвекция и теплообмен. -Штинца, 1977.-С.320.

10. Болога М.К., Савин И.К., Дидковский А.Б. Оптимальная геометрия электродов в условиях конденсации пара// Электронная обработка металла.-1983.-№1.-С.58-61.

11. Вакуумный пост универсальный. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 1989.- С.8.

12. Варгафтик Н.Б. Справочник по физическим свойствам газов ижидкостей.-М.: Наука, 1972.-С.634.

13. Васильев Б.В. Пленочные радиационные термоэлементы с подложкой из оксидной пленки на алюминии//Изв. ЛЭТИ. — 1974.- вып. 142.- Ч.7.- С.8-11.

14. Вигдорович В.Н., Гаранин В.П., Ухлинов Г.А. К методике f измерения теплопроводности тонких пленок//Завод. лаб.-1979.45.-№5. С.435-437.

15. Власова P.M., Стильбанс JI.C. Журнал технической физики.-1955.-т.25.-№4.-С.569.

16. Ганин Е.А., Корнюхин И.П., Корнеев С.Д. Теплоиспользующие устройства в текстильной промышленности.-М.: Легпромбытиздат, 1989.-С.396.

17. Гельфгат Д.М., Дашевский З.М., Каляер Я.А. и др. Разработка

18. Г пленочных термоэлектрических батарей и их характеристики.

19. В кн.: Термоэлектрические материалы и пленки. Материалы Всесоюз. совещ.-Л.:Наука.-1976.-С.234-239.

20. Гоголин A.A., Данилова Г.Н., Азарков В.М. Интенсификация теплообмена в испарительных холодильных машин-зх// Легкая ира пищевая промыпшенность.-М.- 1967.-№3.-С.30-40.

21. Голецкая А.Д. и др. Физика твердого тела.-1961.-^.3.-№10,1. С.977.

22. Головяшкин А.Н. Вакуумные методы получения тонких пленок.- Пенза: Изд-во Пенз. ун-та, 1999.- С.19, 20, 40, 44, 85.

23. Гольцман Б.М., Дашевский З.М., Кайданов В.И., Коломоец И.В. Пленочные термоэлементы: физика и применевие М.:Наука, 1985.-С.4.л

24. Гольцман Б.М., Кудинов В.Н., Смирнов И.А. <. Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе

25. В12Те3.-М.:Физматгиз, 1972.

26. Гордеев Ю.Н., Болога М.К. Смирнов Г.Ф. Экспериментальноеисследование механизма массообмена при пленочнойректификации в электрическом поле// Электронная обработка металла.-1980.-№ 6.-С.40-43.

27. Гордякова Г.Н., Синани С.С. Журнал технической физики.-1958.-т.28.-№3.-С.977.f 25. Горелик С.С. и др. Тезисы межинститутской конференции потермоэлектрическим материалам и преобразоЕат?лям//Труды1. МИСиС.-М.-1968.

28. Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы: Пер. с анг М: Энергия, 1979.-С.272.

29. Дашевский З.М., Доброхотова M.JL, Емельянова Л.Н. и др. Исследование свойств диэлектрических подложек длявысоковольтных пленочных термоэлектрически: датчиков

30. С излучения// Электротехническая промышленность Сер. хим. иvфиз. Источники тока.-1982.-№5.-С.З-5.

31. Елисеев В.Б., Сергеев Д.И. Что такое тепловая труба? -М.: Энергия, 1971.-С. 136.

32. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодин И.В. Физические основы тепловых труб. -М.: Атомиздат, 1978.-С.256,

33. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации -М.: энергия, 1977.-С.244.• 33. Исаченко В.П., Сукомел A.C., Осипова В.А. Теплопередача.

34. М.: Энергоатомиздат, 1981.-С.411.

35. Иорданишвили Е.К. Термоэлектрические источники питания.

36. М.: Советское радио, 1968.-С.112.

37. Иоффе А.Ф. Энергетические основы термоэлектрических батарей из полупроводников. -М.Л.АНСССР, 1950.-С.234.

38. Ковалев С.А, Соловьев С.Л. Испарение и конденсация в тепловых трубах.- М.: Наука, 1989.-С.3,133.

39. V 37. Когут А.Н., Миколайчук А.Г. Физическая электроника.-1976.ч4 вып.13.-С.86-90.

40. Козырев И.В. Термосифон с встроенной высоковольтной термобатареей для повышения эффективности т.ст эльзования ВЭР: Автореф. дис. канд. технич. наук. -М., 1990.- С".39.

41. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. -М.: Энергоатомиздат, 1990.-С.365.

42. Лафер Е. В кн.: Термоэлектрические материалы ипреобразователи. Пер. с англ.М.: Мир,1964.-С.143.

43. Майборода А.Н., Климов С.М., Болога М.К. Воздействие электрического поля на теплообмен при кипег-мя в узких кольцевых каналах// Электронная обработка ме алла.-1984.-№6.-С.56-60.

44. Мардарский О.И., Кожухарь И.А., Болога М.К.4

45. Теплопередающие характеристики двухфазногоэлектрогидродинамического термосифона // Тепломассообмен -VI: Материалы VI Всесоюз. конф. по теплом; с сообмену.-Минск, 1980.-Ч.2.-С. 100-104.

46. Нечаев В.Г., Охотин A.C. Измерение теплопроводности тонких пленок// Материалы и процессы космической t?xi олсгии.- М.: Наука, 1980.- С.138-143.

47. Охотин A.C. Теплопроводность твердых тел. М. А омиздат, 1984.-С.320.

48. Охотин A.C., Ефремов A.A., Охотен B.C., Пушкарский A.C.

49. Термоэлектрические генераторы. М.:Атомиздат,1976.-С.32, 48,52, 53,90-101.

50. Охотин A.C., Пушкарский A.C., Горбачев В.В. Теплофизические свойства полупроводников. VT.: Атомиздат, 1986.- С.328.

51. Петров В.М., Бурковский А.Н., Ковалев Е.Б и :п. Тепловые1трубы в электрических машинах. -М.: Энергоато :i ?дат, 1987.1. С.152.

52. Пиоро М.А, Антоненко В.А., Пиоро JI.C. Эффективные теплообменники с двухфазными термосифонам . !Си.;в: Наука думка, 1998.-С.9.

53. Понаморенко В.А., Миколайчу А.Г., Когут А.Н.// Физическая электроника.-1979.-вып.7.-С.63-66.с 50. Преображенский В.П. Теплотехнические измерен' г приборы.i- М.: Энергия, 1978.- С.208-209, 704.

54. Пугачев А.Т., Волков Ю.А., Чуракова И.П. Теплосн зические свойства тонких пленок металлов//Инженер с ех гаческий журнал.-1980.- Изд.38.-№4.- С.606-613.$ 52. Синани С.С., Гордякова Г.Н. Журнал технической физики.i 1958.-Т.28.-С. 1977.

55. Синенко С.Б., Бойков Ю.А. , Гольцман Б.М. Тег." рсводность пленок висмута // В сб. «Материалы и процессы космической технологии», М.:, Наука, 1980.-С.122-123.

56. Смирнов Г.Ф., Барашеко В.И., Белый JI.M. Исследование теплообмена при кипении воды и бензолы в электрическом поле// Электронная обработка металла.-1973.-№б. -С.49-52.л 55. Стильбанс A.C. Физика полупроводников. М : «Советскоеярадио», 1967.- С.325.

57. Сысоева JI.M., Лев Е.Я., Коломеец H.B. Физика и техника

58. Ъ полупроводников.-1969.-т.З.-вып.4.-С.604-607.

59. Толубинский В.И. Теплообмен при кипении. -Киев: Наукова думка, 1980.-С.315.

60. Увдиев Д.Я. Изучение тепловых свойств и спектральных характеристик аморфных и пленочных материал т-М., 1998.* С.115-116.t4 59. Чой. Теплопередача с электродинамической кон er манией. Пер.

61. Trans. ASMESer. С, 1968.-№1.-С.104-109.

62. Якашвили Д.В., Колесников В.П., Вигдоровнч В П., Углинов Г. А. Пленочные висмут-сурьмяные термобатареи для радиационной пирометрии/ЯТриборы и техника э;; л еримента.-1976.-№6.- С.207-208.

63. Abowitz G., Levy М., Lancaster Е. et. at. The electrca' r roperties of Bi: Sb : Se : Те films. Electrochim. Technol., 1966, 1 ' -718, p.426-430.

64. Abowitz G. e. a. Electrochem. Techn.-1966.-v.4.-.Nb7.-P 426.

65. Birkholz V., Naake G. Z.Naturforsch.-1962.-Ив 17a. -S ' 51.

66. Japikse D., Winter R.F. Single-phase transport proces ir the open1.thermosyphon // Ibid.-1971.-14.- №3.-P.427-441.

67. Lock G.S., Maezawa S. The aerosyphon: an exploreЛ:г> study // Int. J. Heat and Mass Transfer. -1975.-18, -№2.-P.219-226.

68. Prem N., Chapra K. Experimental determination of thermal conductivity of thin films// Thin Solid Films.- 1973.-M . P.29-37.

69. Volklein F., Kessler E. Transport Coefficients of thin Hms// Phys. status. Solids.- 1982. -№2.- P. 585-601.