Численное и экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик контурной тепловой трубы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат наук Недайвозов Алексей Викторович

• Недайвозов Алексей Викторович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Недайвозов Алексей Викторович

Введение

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Принцип работы контурной тепловой трубы

1.2. Пределы теплопередающих возможностей КТТ

1.3. Конструктивные и теплофизические особенности КТТ

1.3.1. Испаритель и компенсационная полость

1.3.2. Капиллярная структура

1.3.3. Паропровод и конденсатопровод

1.3.4. Конденсатор

1.3.5. Теплоноситель

1.3.6. Заправка КТТ теплоносителем

1.3.7. Режимы работы контурных тепловых труб

1.4. Методики моделирования КТТ

1.5. Выводы по Главе

Глава 2. Методика экспериментального исследования

2.1. Описание экспериментального стенда

2.2. Неопределенность измерения

Глава 3. Экспериментальное исследование режимов работы КТТ

3.1. Первый этап. Работоспособность контурной тепловой трубы с открытой компенсационной полость

3.1.1. Работоспособность КТТ с медным конденсатором типа «змеевик»

3.1.2. Работоспособность КТТ с медным цилиндрическим конденсатором

3.1.3. Работоспособность КТТ с полипропиленовым цилиндрическим конденсатором

3.2. Второй этап. Работоспособность традиционной контурной тепловой трубы

3.2.1. Влияния диаметра паропровода на запуск и режим работы КТТ

Стр.

3.2.2. Влияния взаимного расположения конденсатора и испарителя

на запуск и работу КТТ

3.3. Выводы по Главе

Глава 4. Численное моделирование теплообмена в испарителе и компенсационной полости КТТ

4.1. Расчетная модель, методика расчета

4.1.1. Физическая модель

4.1.2. Математическое описание

4.1.3. Коэффициент теплоотдачи при кипении

4.2. Исследование сеточной сходимости решения

4.3. Верификация расчетной модели

4.4. Выводы по Главе

Глава 5. Результаты расчета испарителя и компенсационной полости плоской КТТ

5.1. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными

5.2. Численное исследование влияния поля массовых сил на результат

теплового расчета

5.3. Численное исследование влияния способа подвода тепловой

мощности на результат теплового расчета

5.4. Выводы по Главе

Общие выводы и заключения

Список используемых сокращений

Список условных обозначений

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное и экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик контурной тепловой трубы»

Актуальность работы

Современное состояние и тенденции развития различных областей техники требуют разработки новых технологий и образцов технологического и энергоиспользующего оборудования с интенсивным протеканием производственных процессов. Успешное решение этих задач во многих случаях определяется решением проблемы тепловой защиты теплонапряженного оборудования, возможностью обеспечения необходимого температурного уровня работы машин, приборов и устройств, применением эффективных способов передачи и трансформации тепловой энергии. Указанные проблемы в значительной степени решаются или могут быть решены применением теплопередающих устройств, работающих по замкнутому испарительно-конденсационному циклу и получивших название контурные тепловые трубы (КТТ).

История развития контурных тепловых труб началась в 1972 году, когда в Уральском политехническом институте было создано первое такое устройство. Основной причиной появления и создания КТТ послужила потребность аэрокосмической техники в теплопередающих устройствах, позволяющих отводить большие тепловые потоки при малых перепадах температур и переносить тепло при произвольной ориентации устройства в гравитационном поле или в невесомости на десятки метров. Однако, до недавнего времени применение КТТ было весьма ограниченным. В связи с развитием новой техники начались интенсивные разработки и внедрение аппаратов и установок, выполненных на основе КТТ. Этому способствовали такие преимущества их, как автономность, отсутствие перекачивающих устройств, бесшумность, большая надежность и продолжительный ресурс работы без обслуживания, высокая интенсивность внутренних процессов тепломассопереноса, слабая чувствительность к изменению ориентации в гравитационном поле и др.

Указанные преимущества КТТ как теплопередающих устройств вызвали большой интерес у конструкторов и практиков, занимающихся разработкой и созданием эффективных систем передачи теплоты в промышленных аппаратах и устройствах различных отраслей промышленности. Однако, несмотря на внешнюю простоту этих теплопередающих устройств, эффективное использование их на практике наталкивается на трудности, связанные с недостаточной изученностью процессов внутреннего тепломассопереноса и, в первую очередь, явлений, ограничивающих их теплопередающую способность. Известная сложность процессов переноса в двухфазных системах применительно к КТТ усугубляется замкнутостью устройства, взаимным влиянием процессов, протекающих на различных характерных участках, и, в конечном итоге, дополняется взаимосвязанностью совместно протекающих гидродинамических и тепловых процессов.

Несмотря на то, что данные устройства известны уже достаточно давно, интерес к ним продолжает расти, и в настоящее время по данной проблеме уже проведено много десятков как национальных, так и международных конференций, симпозиумов, семинаров и т.п. Причина в том, что потенциальные возможности КТТ полностью не реализованы и связано это, главным образом, с технологическими ограничениями, отсутствием единого теоретического представления о процессах, происходящих в КТТ и рядом других причин.

Стоит отметить, что характеристики контурных тепловых труб сильно зависят от конструкции как испарителя и компенсационной полости КТТ, так и от геометрических параметров паропровода, типа конденсатора и его положения в пространстве. Так, например, положение конденсатора в пространстве существенно влияет на режим работы КТТ, рабочую температуру устройства и на максимально возможную переносимую тепловую мощность. Оптимальное расположение конденсатора в пространстве в зависимости от конструктивных особенностей КТТ различно и определяется экспериментально. Однако, сильное влияние конструктивных особенностей

КТТ, особенно диаметра паропровода и положение конденсатора в пространстве, проявляется при невысоких тепловых потоках, когда давление насыщенных паров в зоне испарения невелико. Так, в определенном диапазоне тепловых мощностей наблюдается неустойчивая работа КТТ, сопровождающаяся пульсациями рабочих температур КТТ, амплитуда которых может достигать нескольких десятков градусов. Такой режим работы КТТ в некоторых случаях недопустим и может привести к нарушению работоспособности устройства. Определение причин возникновения неустойчивой работы КТТ является актуальной задачей. Исследованию данных вопросов посвящена 3 глава диссертации.

Наряду с экспериментальным исследованием контурных тепловых труб были предприняты попытки аналитического описания работы устройства. Отсутствие единого теоретического представления о процессах в КТТ, а также большое разнообразие конструкций контурных тепловых труб привели к возникновению большого разнообразия аналитических методик описания теплогидравлических характеристик как отдельных элементов контурной тепловой трубы, так и установки в целом. Несмотря на большое разнообразие методик расчета, такие подходы позволяют прогнозировать рабочие характеристики КТТ, оптимизировать конструкцию, улучшить понимание работы отдельных элементов КТТ и их взаимодействие между собой, так например испарителя и компенсационную полость (КП). При низких тепловых мощностях существенное влияние на тепловое состояние испарителя и КП оказывают потери в окружающую среду, паразитный сток теплоты в КП, естественная конвекция теплоносителя. Для точной оценки влияния данных параметров необходимо подробно разрешить геометрические особенности зоны испарения и компенсационной полости, что приводит к необходимости численного трехмерного моделирования. Кроме того, необходимо учитывать особенности процессов, протекающих в данных узлах установки. Обычно, при моделировании кипения в КТТ используются постоянные значения коэффициентов теплоотдачи, полученные в ходе экспериментальных

исследований моделируемой КТТ. Такой подход не позволяет учесть особенности кипения в испарителе КТТ. Использование эмпирических формул или зависимостей коэффициента теплоотдачи при кипении в КТТ от теплового потока, геометрических особенностей зоны кипения, от параметров насыщения и др. позволит создать методику более точного теплового расчета испарителя и компенсационной полости устройства. Исследованию данных вопросов посвящена 4 глава диссертации.

В контурных тепловых трубах при ламинарном течении теплоносителя, которое наблюдается в большом диапазоне тепловых мощностей, существенное влияние на тепловое состояние испарителя и компенсационной полости КТТ оказывает естественная конвекция теплоносителя в компенсационной полости. Численное исследование влияния данного фактора позволит получить тепловое состояние испарителя и компенсационной полости КТТ как в поле сил тяжести, так и при его отсутствии, а так же понять особенности течения теплоносителя в компенсационной полости. Рабочая температура КТТ сильно зависит как от величины подводимой тепловой мощности, так и от геометрических размеров поверхности подвода тепловой мощности. Определение оптимальных геометрических размеров области подвода тепловой мощности и возможная оптимизация конструкции испарителя и компенсационной полости - одна из основных задач трехмерного численного моделирования. Исследованию данных вопросов посвящена 5 глава диссертации.

Цель работы

Установление механизмов и физических закономерностей появления колебательных режимов работы КТТ при низких тепловых нагрузках и способов их устранения. Разработка и создание методики расчета основных конструктивных элементов КТТ (испарителя и компенсационной полости) и численное моделирование их теплового состояния.

Объектом исследований являются фазовые переходы, гидродинамические и тепломассопереносные процессы в КТТ.

Предметом исследований являются теплогидравлические характеристики и режимы работы КТТ, параметры состояния теплоносителя и коэффициент теплоотдачи при кипении.

Задачи работы

1. Разработка и создание методологии и программного обеспечения, необходимых для диагностики и расчета основных конструктивных элементов и характеристик КТТ.

2. Разработка и создание экспериментальной установки для комплексного исследования теплофизических и конструкционных проблем в плоской контурной тепловой трубе.

3. Экспериментальные исследования влияния типов конденсатора и режимов внешнего охлаждения конденсатора на процессы запуска и работы КТТ.

4. Экспериментальные исследования влияния геометрических параметров паропровода на процессы запуска и работы КТТ.

5. Экспериментальные исследования причин возникновения колебательного режима работы КТТ при низких тепловых нагрузках.

6. Разработка и верификация методики трехмерного теплового расчета испарителя и компенсационной полости.

7. Проведение численных исследований влияния поля массовых сил и способа подвода тепловой мощности на результат теплового расчета испарителя и компенсационной полости.

Научная новизна работы

1. Проведены систематические исследования теплофизических и конструкционных проблем создания контурных тепловых труб.

2. Создана новая конструкция КТТ с центральным вертикальным паропроводом, проходящим через компенсационную полость. Данная конструкция обеспечивает равномерный подвод теплоносителя, тепловой нагрузки и пароотвод от поверхности нагрева. Важной особенностью данной

конструкции является обеспечение стабильной стационарной работы устройства в режиме термосифона при низких тепловых нагрузках.

3. Экспериментально установлено парожидкостное течение теплоносителя в паропроводе, режим которого зависит от подводимой тепловой мощности, конструктивных особенностей паропровода и расположения конденсатора в пространстве.

4. Экспериментально установлено, что режим работы КТТ при низких тепловых мощностях зависит от режима течения теплоносителя в паропроводе (снарядный и кольцевой режимы). Впервые показано, что при низких тепловых мощностях колебательный режим работы КТТ наблюдается только при снарядном режиме течения теплоносителя в паропроводе.

5. Экспериментально установлена пороговая величина подводимой тепловой мощности, ниже которой КТТ работает в режиме термосифона.

6. Предложена методика трехмерного теплового расчета испарителя и КП плоской контурной тепловой трубы. Данная методика позволила рассчитать тепловое состояние испарителя и КП, хорошо согласующееся с экспериментально полученными данными.

7. Численными методами исследования установлено, что при исследованных тепловых мощностях кипение теплоносителя наблюдается как на ребрах и верхней поверхности пластины нагрева, так и частично на поверхности пористого элемента в местах контакта с ребрами.

8. Численными методами установлено, что область подвода тепловой нагрузки, обеспечивающая минимальную и равномерную температуру поверхности нагрева и равномерное испарение теплоносителя в испарителе, соответствует размерам зоны испарения.

Практическая значимость работы

Научная ценность. Исследование существующего представления о закономерностях протекания физических процессов в КТТ показывает, что пока не существует единого подхода в его понимании. В силу этого, научная ценность работы заключается в полученных в ходе выполнения диссертации

экспериментальных результатов, которые дадут возможность развивать существующие и предложить новые теоретические подходы. Кроме того, использование разработанных оригинальных методик в дальнейших исследованиях КТТ позволит повысить точность и надёжность получаемых результатов.

Практическая ценность. Полученные экспериментальные результаты, разработанная расчётная методика, а также полученные в результате обработки экспериментальных данных эмпирические формулы позволят обоснованно выбирать для создаваемых и разрабатываемых КТТ оптимальные теплофизические параметры.

Достоверность результатов подтверждена

• использованием современных аттестованных средств измерения и апробированных методов определения параметров;

• оценкой неопределенности измерений;

• согласование полученных экспериментальных и расчетных данных с общеизвестными (как теоретическими, так и экспериментальными) данными других авторов.

Основные положения, выносимые на защиту диссертационной работы

- Результаты экспериментального исследования влияния геометрических параметров элементов конструкции контурной тепловой трубы на процесс запуска и режим работы установки.

- Экспериментальные данные по режимам течения теплоносителя в паропроводе в зависимости от подводимой тепловой мощности, диаметра паропровода, положения конденсатора в пространстве.

- Методика теплового расчета испарителя и компенсационной полости контурной тепловой трубы.

- Результаты численного исследования влияния поля массовых сил и способа подвода тепловой мощности на тепловое состояние испарителя и КП.

Личный вклад автора

Постановка цели и задач исследования осуществлена совместно с научным руководителем доктором технических наук, профессором Афанасьевым В.Н. Экспериментальные результаты по исследованию теплофизических и конструкционных проблем КТТ получены лично автором на экспериментальных стендах кафедры. Кроме того, личный вклад автора состоял: в разработке общей концепции и методики проведения экспериментов; в создании стенда и их отдельных подсистем; в разработке программного обеспечения, необходимого для работы стенда и обработки полученных результатов. Автором лично разработана и предложена методика теплового расчета испарителя и компенсационной полости КТТ, создана расчетная модель, методами CFD (Computational Fluid Dynamics) проведены тепловые расчеты и обработаны результаты. Автором в ходе трехмерного теплового расчета были написаны вспомогательные программы замыкающих зависимостей (коэффициенты теплоотдачи при кипении).

Апробация работы

Результаты исследований докладывались и обсуждались на: Общеуниверситетской научно-технической конференции «Студенческая научная весна - 2013» (Москва, 2013); Российской Национальной Конференции по Теплообмену РНКТ-6 (Москва, 2014); XX Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (г. Звенигород, Московская обл., Россия, 2015).

Публикации

Основные результаты и положения диссертационной работы изложены в 8 научных работах (6 статей, 2 тезиса докладов и материалов конференций), из них три статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень рецензируемых журналов ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержащего основные выводы по работе, списка используемых источников. Общий объем диссертации составляет 157 страниц машинного текста и включает 97 рисунков, 9 таблиц и 107 наименований источников литературы.

Благодарность

Автор выражает благодарность за совместную работу над данной диссертацией научному руководителю д.т.н., профессору В.Н. Афанасьеву кафедры «Теплофизика» МГТУ им. Н. Э. Баумана. Особую благодарность за помощь в создании экспериментального стенда и обсуждение полученных экспериментальных результатов автор выражает научному сотруднику кафедры «Теплофизика» МГТУ им. Н.Э. Баумана А.А. Якомаскину.

За обсуждения материалов данной диссертационной работы и полезные замечания автор выражает благодарность коллективу отдела теплофизики АО «НИКИЭТ»: к.т.н. Д.А. Афремову, к.т.н. В.П. Смирнову, к.т.н. Д.А. Огнерубову, к.т.н. Д.В. Фомичеву, к.т.н. А.Г. Захарову, А.Я. Лонинову.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Контурные тепловые трубы (КТТ) - это высокоэффективные, замкнутые испарительно-конденсационные теплообменные устройства, передающие большие тепловые потоки на значительное расстояние при любой ориентации в пространстве.

Идея переноса теплоты в испарительно-конденсационном цикле была предложена еще в 1944 году Р. Гоглером [1]. Однако, первые устройства на основе испарительно-конденсационного цикла, которые получили название тепловые трубы, появились только в 60-х годах и представлены в работах Г. Гровера и Т. Коттера [2; 3]. Тогда же было дано определение тепловой трубе (ТТ) - герметичное теплопередающее устройство, работающее по замкнутому испарительно-конденсационному циклу и использующее капиллярные силы для перемещения теплоносителя.

Тепловые трубы успешно используются в различных системах охлаждения и терморегулирования, расширяя с каждым годом их возможности и сложность решаемых задач [3-17]. Использование тепловых труб в энергетике, в энергомашиностроении, в металлургии, в химической технологии, в радиоэлектронике, в авиационной и, особенно, в ракетно-космической, а в последнее десятилетие в электронной и компьютерной технике обусловлено их основными свойствами: передачей больших тепловых потоков при малых перепадах температур; способностью передавать теплоту при произвольной ориентации в поле действия массовых сил; отсутствием затрат энергии на перемещение теплоносителя и отсутствием подвижных деталей; долговечностью и надежностью работы; существенным уменьшением массы и габаритов теплопередающих систем; удобством и простотой монтажа и обслуживания; возможностью изготовления теплоотводов различной геометрической формы; бесшумностью. Обладая комплексом вышеперечисленных свойств, тепловые трубы во многих случаях их практического использования выгодно отличаются от традиционных

теплопередающих устройств и позволяют значительно улучшить технико-экономические характеристики систем энергоснабжения и терморегулирования, в том числе в электронной и компьютерной технике.

Однако, наряду с многочисленными преимуществами ТТ ограничены по величине передаваемых мощностей и расстоянию переноса теплоты, что существенно сужает область их применения. В космической технике - это конструкции отдельных теплообменников, радиаторов [14; 15; 16], небольших подсистем обеспечения тепловых режимов единичных приборов. Такие ТТ не могут конкурировать с системами охлаждения с насосной прокачкой, предполагающими сложную разветвленную систему теплообменных зон с суммарной тепловой мощностью в десятки киловатт и расстояниями в несколько метров. Для того, чтобы обеспечить более широкое применение ТТ необходимо существенно повысить капиллярное давление и снизить гидравлическое сопротивление ТТ - основные тенденции в развитии данных устройств [18].

Решение этих проблем осуществлено в КТТ, впервые разработанных и внедренных в 70-х годах XX века в Советском Союзе [19-23].

Первоначально КТТ нашли применение в системах терморегулирования космических аппаратов в силу указанных выше свойств, а так же благодаря использованию мелкопористых фитилей и максимальному сокращению расстояния движения жидкости в капиллярной структуре [24-29]. Контурные тепловые трубы - это один из видов тепловых труб, которые обладают всеми их достоинствами. Однако, по сравнению с обычными тепловыми трубами, КТТ способны достаточно эффективно передавать значительно большие тепловые потоки и на расстояния до нескольких метров при любой ориентации в гравитационном поле или до нескольких десятков метров в горизонтальном положении и в невесомости [30]. Именно последнее послужило причиной их появления, а затем интенсивного развития. Кроме того, наличие раздельных каналов для пара и жидкости, которые представляют собой гладкостенные трубки малого диаметра приводит к снижению потерь давления на

транспортных участках переноса теплоносителя, а отсутствие пористого материала внутри трубопроводов позволяет укладывать их, изгибая, как это необходимо в условиях жестких пространственных ограничений. В настоящее время известны случаи использования КТТ в области охлаждения силовой электроники, компьютерных компонентов и технологического оборудования [31-35]. Хорошо показали себя эти устройства и в охлаждении квантово-электронных преобразователей в аппаратуре для волоконно-оптической связи, в электрохимической технологии, а также в других областях техники [36; 37]. Однако, на пути внедрения КТТ в системы охлаждения компактных электронных устройств имеется ряд препятствий, таких как миниатюризация их корпусов, существенная толщина испарителя, совершенствование технологии их производства, обеспечение надежной стабильной работы, а также улучшение тепловых характеристик, в том числе дальнейшего уменьшения термического сопротивления, уменьшение стоимости их производства [35].

Стоит отметить, что потенциальные возможности КТТ полностью не реализованы и связано это, главным образом, с технологическими ограничениями, отсутствием единого теоретического представления о процессах, происходящих в КТТ и рядом других причин.

1.1. ПРИНЦИП РАБОТЫ КОНТУРНОЙ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ

Количество теплоты, переносимое в виде скрытой теплоты парообразования, обычно на несколько порядков выше чем, которое может быть перенесено в виде энтальпии рабочей жидкости в обычной конвективной системе. Поэтому тепловая труба, в том числе и КТТ, могут передавать большие количества теплоты при малых геометрических размерах.

Несмотря на большое разнообразие КТТ, принцип работы такого устройства одинаков, что позволяет рассмотреть принципиальную схему КТТ.

Рисунок 1.1.

Контурная тепловая труба, принципиальная схема

Контурная тепловая труба (Рисунок 1.1) представляет собой замкнутую испарительно-конденсационную систему, передающую тепловую энергию. Тепловая энергия подводится к испарителю и расходуется на испарение теплоносителя. Образовавшийся пар по паропроводу направляется в конденсатор, где пар конденсируется и в жидком состоянии по конденсатопроводу направляется в компенсационную полость (КП), затем с помощью капиллярной структуры (КС), подается к поверхности термостабилизации, граничащей с испарителем.

Общим признаком функционирования контурных тепловых труб является рабочий цикл теплоносителя, представленный на диаграмме фазовых состояний в координатах давление-температура [38-41]. Единого представления о термодинамическом цикле в КТТ в настоящее время нет. Наиболее часто используется подход, представленный в работах [38-41].

Построение диаграммы рабочего термодинамического цикла теплоносителя в основном зависит от режима управления КТТ [42]. Согласно [42] существует два режима управления устройства (Рисунок 1.2):

1. Режим капиллярного управления (Рисунок 1.3);

2. Режим гравитационного управления (Рисунок 1.4).

Режим капиллярного управления - основной режим управления КТТ. При данном режиме работы фитиль выполняет функции не только тепло-гидравлического затвора, не позволяя пару попасть в компенсационную полость через насыщенную жидкостью капиллярную структуру, но и капиллярного насоса, обеспечивая циркуляцию теплоносителя в контуре.

Режим гравитационного управления возможен только при содействующей гравитации и только в том случае, когда гидростатическое давление значительно выше вязкостного динамического сопротивления при движении теплоносителя из конденсатора в КП, тем самым обеспечивая циркуляцию теплоносителя в контуре. Для этого режима работы фитиль выполняет функцию только тепло-гидравлического затвора. Режим гравитационного управления возможен при определенном взаимном расположении конденсатора и испарителя и наблюдается в узком диапазоне тепловой нагрузки.

Тепловая нагрузка Рисунок 1.2.

График зависимости средних температур КТТ от тепловой нагрузки при температуре отвода теплоты ниже температуры окружающей среды: Т^ -средняя рабочая температура КТТ; - средняя температура на выходе из жидкостного патрубка; ТСои - средняя температура на выходе из конденсатора

Рисунок 1.3.

Диаграмма термодинамического цикла теплоносителя при работе КТТ в режиме капиллярного управления: а - противодействующий гравитации;

б - содействующий гравитации

Линия насыщения

Температура

Рисунок 1.4.

Диаграмма термодинамического цикла теплоносителя при работе КТТ в режиме гравитационного управления

Общепринятое описание принципа работы КТТ в режиме капиллярного управления по термодинамическому циклу теплоносителя представлено в работах [38-41, 43].

При подводе теплоты происходит парообразование на смоченной поверхности КС. Точка 1 на линии насыщения соответствует параметрам пара над испаряющими поверхностями менисков. Образовавшийся пар, выходящий из пароотводных каналов, несколько перегревается (1-2) (Рисунок 1.3, а). Потери давления на данном участке обусловлены гидравлическим сопротивлением по пару в испарителе ДР12 и в зависимости от величины тепловой нагрузки и глубины захода фронта испарения в КС могут составлять значительную величину. Стоит отметить, что большинство авторов утверждают, что пар на участке 1-2 перегревается, но в работе [42] экспериментально показано существование парожидкостной смеси на данном участке (Рисунок 1.4).

Участок 2-3-4 соответствует движению пара по пароотводным каналам и паропроводу в зону конденсации. Таким образом, на участке 1-2-3-4 реализуется движение теплоносителя в паровой фазе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Недайвозов Алексей Викторович, 2019 год

/ / / /

2

Рисунок 2.2.

Плоская КТТ: 1 - испаритель; 2 - фитиль; 3 - паропровод; 4 - конденсатопровод; 5 - компенсационная полость; 6 - конденсатор

Рисунок 2.3. Пластина нагрева

Испаритель (область между нижней поверхностью фитиля и верхней поверхности пластины нагрева) включает в себя латунную пластину нагрева (Рисунок 2.3) диаметром d=75 мм и толщиной h=7,5 мм с припаянными к ней ребрами диаметром 1,9 мм, пространство между которыми служит пароотводными каналами. На испаритель устанавливается металлический фитиль 2 (спеченный порошок марки ПНС 10 (ТУ 14-1-2173-77)). Характеристики пористого элемента приведены в Таблице 3. К испарителю примыкает компенсационная полость 5, стенки которой выполнены из оптического стекла, что позволяет визуализировать процессы, протекающие в испарителе, фитиле и в компенсационной полости.

Таблица 3.

Геометрические и теплогидравлические характеристики пористого элемента

Характеристики Величина

Внешний диаметр D, мм 50

Внутренний диаметр d, мм 10

Толщина ^ мм 2,5

Максимальный диаметр пор dмaкс, мкм 15

Пористость, % 40

Коэффициент проницаемости К, м 4,810-12

Коэффициент каркасной теплопроводности А,к, Вт/(м^К) 16

Центральная пароотводящая трубка внутренним диаметром 8 мм, выполненная из нержавеющей стали, обеспечивает равномерный и быстрый отвод пара. Для уменьшения потерь теплоты трубка должна выполняться из низкотеплопроводного материала. В данном случае, для уменьшения потерь теплоты, трубка покрыта слоем хлорвинилового изоляционного материала. За пределами КП трубка из нержавеющей стали соединялась с вакуумной трубкой внутренним диаметром 6 мм. Конденсатопровод представляет собой теплоизоляционную прозрачную трубку (или вакуумную трубку) внутренним диаметром 4 мм. Длина патрубков варьировалась в зависимости от экспериментального исследования: исследования влияния типа конденсатора и геометрических размеров паропровода на процесс запуска и работу КТТ.

В ходе экспериментальных исследований использовались следующие типы конденсаторов: медный конденсатор типа «змеевик» (Рисунок 2.2); медный цилиндрический конденсатор длиной 100 мм (Рисунок 2.4); прозрачный полипропиленовый цилиндрический конденсатор с дросселем на входе (Рисунок 2.5).

Рисунок 2.4. КТТ с медным цилиндрическим конденсатором

Рисунок 2.5.

КТТ с полипропиленовым цилиндрическим конденсатором

Основные геометрические характеристики конденсаторов приведены в Таблице 4.

Таблица 4.

Геометрические характеристики конденсаторов

Типы конденсаторов Длина L, мм Внутренний / внешний диаметр d1/ d2, мм Площадь теплообмена F, м2

Конденсатор типа «змеевик» 630 4/6 11,9 °10-3

Медный цилиндрический конденсатор 100 14/16 5 °10-3

Полипропиленовый цилиндрический конденсатор 100 18/20 6,28 °10-3

В качестве теплоносителя во всех экспериментальных исследованиях использовалась деионизированная дистиллированная вода. Коэффициент заполнения жидким теплоносителем компенсационной полости составляет 75%.

Созданная конструкция испарителя и КП плоской КТТ отличается от существующих конструкций центральным расположением паропровода, проходящего через компенсационную полость.

Такая конструкция обладает рядом преимуществ, таких как: компактность, дающая выигрыш по массогабаритным параметрам; равномерность и непрерывность подвода теплоносителя в зону испарения; равномерность подводимого теплового потока и отвода пара из зоны испарения. Кроме того, в работах [62, 68] показано, что для запуска и работы КТТ требуется определенная величина подводимой тепловой нагрузки, ниже которой нарушается работоспособность устройства. Однако, у предложенной конструкции испарителя и КП при вертикальном расположении и в земных условиях отсутствует ограничение по минимальной тепловой мощности: не наблюдается нарушение работоспособности; испаритель КТТ работает в стационарном режиме при тепловых мощностях менее 40 Вт, отсутствует работа контура, КТТ работает в режиме термосифона.

Недостатком такой конструкции является расположение паропровода в КП, которое приводит к дополнительному тепловому потоку в КП, к охлаждению пара и его частичной конденсации. Для уменьшения влияния паропровода необходима его теплоизоляция.

Стоит отметить, что данная конструкция КТТ создавалась как исследовательская, состоящая из большого количества соединительных узлов, что обеспечивает быструю сборку и разборку КТТ. Это позволяет исследовать влияние разных конструктивных и геометрических параметров отдельных элементов конструкции КТТ, но приводит к увеличению массогабаритных параметров. Массогабаритные параметры плоской контурной тепловой трубы зависят не только от конструкции испарителя и компенсационной полости КТТ,

но и от вида выбранного конденсатора и его мощности, а также от расположения источника и стока теплоты и т.п. Несмотря на это, массогабаритные параметры предложенной конструкции КТТ сопоставимы с существующими контурными тепловыми трубами, предназначенными для охлаждения электроники и компьютерной техники [58, 62, 63, 93].

2.2. НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ

Тепловая нагрузка создается плоским керамическим нагревателем WATLOW, который подключался к сети через ваттметр и лабораторный трансформатор, что позволяло измерять подводимую к испарителю мощность и плавно изменять от 0 до 150 Вт. Керамический нагреватель WATLOW обеспечивает равномерный подвода теплоты к нижней поверхности пластины нагрева. Подводимая тепловая мощность измерялась ваттметром Д5092, класс точности которого 0,5. Абсолютная неопределенность измерения мощности составляет ±0,75 Вт (0,5%).

Отвод теплоты осуществлялся с наружной поверхности конденсатора. Поверхность теплообмена конденсатора обдувалась потоком охлаждающего воздуха, создаваемого вентилятором. Скорость охлаждающего потока воздуха изменялась в пределах от 2,2 м/с до 4 м/с. Измерение скорости проводилось с помощью анемометра Актаком АТЕ-1034, относительная неопределенность измерения которого составляет 5%. Регулирование скорости обдува проводилось с помощью выпрямителя ВС-24м класса точности 2,5.

При измерении температур использовались термопары К-типа (хромель-алюмель) с диаметром 0,2 мм второго класса допуска. Абсолютная неопределенность измерения температуры термопарой составляет ±1 °С при максимальной температуре измерения 150 °С. Сигналы с термопар через многоканальные аналоговые и измерительные усилители поступают на многофункциональную плату сбора данных Lcard LTR27 [89]. Частота сбора данных по каждому каналу 40 Гц. Для компенсации холодного спая

используется датчик термосопротивления четырехпроходный (класс допуска А) и устанавливается в области холодных спаев термопар, абсолютная неопределенность которого составляет ±0,2 °С. Таким образом, максимальная абсолютная неопределенность измерения температуры равна ±1,2 °С (0,8 %).

После оцифровки сигналов измерительная информация поступает на персональную электронно-вычислительную машину для хранения и предварительной обработки данных. Неопределенность программного обеспечения эксперимента существенно ниже представленных величин неопределенностей (<< 0,1%).

Измерения перепадов давления проводились с помощью и-образного водяного манометра, неопределенность измерения которого составляет ± 1 мм по миллиметровой шкале или ± 10 Па по абсолютному значению.

При вакуумизации контура КТТ используется вакуумный насос 2НВР-5ДМ. Значение полученного вакуума в контуре измерялось с помощью мановакууметра 0БМВ1-100 класс точности 2,5. Абсолютная неопределенность измерения давления в контуре составляет ±2,5 кПа (2,5%).

Стандартные неопределенности измерений по типу В рассчитывались по методике, изложенной в [90], и в соответствии со стандартом ГОСТ Р 54500.3-

В качестве примера приведен расчет неопределенности измерения плотности теплового потока q. Плотность теплового потока с поверхности керамического нагревателя рассчитывается по формуле:

Стандартная неопределенность величины плотности теплового потока q рассчитывается по формуле:

2011 [91].

(2.1)

2

(2.2)

Рассчитаем неопределенность измерения величины плотности теплового потока q, равного 24,9 кВт/м . Данная плотность теплового потока соответствует тепловой мощности Q, равной 110 Вт. Неопределенность измерения тепловой мощности составляет 0,5 %, отсюда :

AQ = Q• 0,005 = 0,55 Вт.

Площадь поверхности нагрева равна:

п • (7,5 • 10_2)2 . _

F =-----— = 4,418 • 10"3 м2.

4

Неопределенность измерения площади поверхности нагрева:

ЛF = F • 0,01 = 4,418 • 10"5 м2.

Подставляя все полеченные значения в формулу (2.2), получаем абсолютную неопределенность измерения плотности теплового потока Л^, равную 278 Вт/ м2. Относительная неопределенность плотности теплового потока соответственно равна 1,1 %:

Лц 278

0,011.

q 24900

Значения неопределенностей остальных измеряемых величин приведены в Таблице 5.

Таблица 5.

Значения неопределенностей измеряемых величин

№ Величина Относительная неопределенность, %

1 Термическое сопротивление испарителя, 25

2 Термическое сопротивление конденсатора, Ясом 8,6

3 Термическое сопротивление контура КТТ, ЯКтт 6,5

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ КОНТУРНОЙ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ

Целью экспериментального исследования является исследование режимов работы КТТ, установление механизмов и физических закономерностей появления колебательных режимов работы устройства при низких тепловых мощностях и способов их устранения.

Для определения причин возникновения колебательного режима работы проводились экспериментальные исследования влияния различных факторов на работоспособность КТТ: конструкции конденсатора, положения конденсатора в пространстве, режимом воздушного охлаждения поверхности конденсатора, конструктивных особенностей паропровода, подводимой тепловой мощности.

Для выполнения целей и задач, поставленных в работе, экспериментальное исследование режимов работы КТТ разбивалось на два этапа.

На первом этапе, для отработки методики измерения, проводились экспериментальные исследования процесса запуска и работы контурной тепловой трубы с открытой компенсационной полостью. В данном случае компенсационная полость соединяется с атмосферой через открытую верхнюю часть, этим данная экспериментальная установка принципиально отличалась от нормальной контурной тепловой трубы, что позволило существенно упростить сборку, разборку и переборку установки, установку термопар в испарителе и компенсационной полости, использовать упрощенные методы измерения перепадов давления. Исследования показали, что такое упрощение допустимо при исследовании процессов в паропроводе, конденсаторе и в некоторых случаях компенсационной полости и испарителе.

На втором этапе проводились экспериментальные исследования режимов работы КТТ с вакуумизацией контура, т.е. исследование работы традиционной контурной тепловой трубы. Сложность проведения данного экспериментального исследования заключается в процессе вакуумизации

контура и поддержании вакуума в контуре в течение эксперимента, так как данная конструкция «исследовательская» и состоит из множества соединительных узлов, требующих герметизацию.

3.1. ПЕРВЫЙ ЭТАП. РАБОТОСПОСОБНОСТЬ КОНТУРНОЙ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ С ОТКРЫТОЙ КОМПЕНСАЦИОННОЙ ПОЛОСТЬ

В данном параграфе представлено экспериментальное исследование влияния конструкции конденсатора, положение конденсатора в пространстве и режимов внешнего охлаждения конденсатора на запуск и режим работы КТТ с открытой компенсационной полостью.

При экспериментальном исследовании режимов работы КТТ с открытой компенсационной полостью использовались следующие конструкции конденсаторов: конденсатор типа «змеевик» (Рисунок 3.1); медный цилиндрический конденсатор (Рисунок 3.2); прозрачный полипропиленовый цилиндрический конденсатор с дросселем на входе (Рисунок 3.3).

Рисунок 3.1. КТТ с конденсатором типа "змеевик"

Рисунок 3.2. КТТ с медным цилиндрическим конденсатором

Т6

Рисунок 3.3.

КТТ с полипропиленовым цилиндрическим конденсатором

Экспериментальное исследование режимов работы КТТ с открытой КП разбивалось на:

• исследование влияния взаимного расположения конденсатора и испарителя Н (Рисунок 3.3) на процесс запуска и работу КТТ. Были исследованы следующие расположения конденсатора относительно испарителя:

- конденсатор находится на высоте Н=400 мм над испарителем;

- конденсатор находится на высоте Н=200 мм над испарителем;

- конденсатор располагается ниже зоны испарения на 10 мм.

Данное экспериментальное исследование проводилось для двух конструкций конденсатора: конденсатор типа «змеевик» и прозрачный полипропиленовый цилиндрический конденсатор.

• исследование влияния режима внешнего воздушного охлаждения конденсатора и угла наклона конденсатора на процесс запуска и работу КТТ. На данном этапе фиксировалось положения конденсатора. В данном случае конденсатор располагался на высоте 400 мм над испарителем.

Экспериментальное исследование проводилось для медного цилиндрического конденсатора (Рисунок 3.2) и прозрачного полипропиленового цилиндрического конденсатора с дросселем на входе (Рисунок 3.3).

Экспериментально получены распределения температур в характерных точках КТТ (Рисунки 3.1 - 3.4) в зависимости от времени. На Рисунке 3.4 приведена схема установки термопар в испарителе и КП - точки, в которых измерялись соответствующие температуры: Т1 и Т2 - температуры на внешней и внутренней поверхностях пластины нагрева; Т3, Т4 - температуры на нижней и верхней поверхностях фитиля; Т5 - в компенсационной полости; Т6 -температура пара на выходе из испарителя; На Рисунках 3.1-3.3 показаны схемы установки термопар в конденсаторе. Т7-Т10 - температуры наружной поверхности конденсатора (для конденсатора с дросселем элементом Т7 -внутри).

Рисунок 3.4.

Схема расположения термопар в испарителе и КП

Все режимы экспериментального исследования сводятся в две таблицы. В первой таблице (Таблица 6) представлены экспериментальные исследования влияния режима внешнего охлаждения конденсатора при его фиксированном расположении относительно испарителя. Во второй таблице (Таблица 7) представлены экспериментальные исследования влияния взаимного расположения конденсатора и испарителя, а так же влияния угла наклона конденсатора на запуск и работу КТТ.

Таблица 6.

Режимы экспериментального исследования влияния внешнего охлаждения конденсатора при фиксированной высоте Н=400 мм

Тип конденсатора Режимы экспериментального исследования

Конденсатор «Змеевик» Угол наклона конденсатора в=90°

Q, Вт w м/с Q, Вт w, м/с Q, Вт w, м/с Q, Вт w, м/с

80 2,2 100 2,2 120 2,2 140 2,2

Угол наклона конденсатора в=15°

Полипропиленовый Q, Вт w, м/с Q, Вт w, м/с Q, Вт w, м/с

цилиндрический 4 4 4

конденсатор 80 3,4 100 3,4 120 3,4

2,8 2,8 2,8

Угол наклона конденсатора 5=15°

Q, Вт w, м/с Q, Вт w, м/с Q, Вт w, м/с

4 4 4

80 3,4 100 3,4 120 3,4

2,8 2,8 2,8

2,2 2,2 2,2

Медный цилиндрический конденсатор Угол наклона конденсатора в=45°

Q, Вт w, м/с Q, Вт w, м/с Q, Вт w, м/с

4 4 4

80 3,4 100 3,4 120 3,4

2,8 2,8 2,8

Угол наклона конденсатора в=75°

Q, Вт w, м/с Q, Вт w, м/с Q, Вт w, м/с

4 4 4

80 3,4 100 3,4 120 3,4

2,8 2,8 2,8

Q - тепловая мощность, Вт;

в - угол наклона конденсатора относительно горизонтали, °; w - скорости внешнего потока охлаждения, м/с.

Таблица 7.

Режимы экспериментального исследования при разных высотных расположениях конденсатора и испарителя

Тип конденсатора Режимы экспериментального исследования

Конденсатор «Змеевик» Q =100 Вт

Н, мм в,° Н, мм в,° Н, мм в,°

400 90 200 90 -10 90

Полипропиленовый цилиндрический конденсатор Q =100 Вт

Н, мм в,° Н, мм в,° Н, мм в,°

400 0 200 0 -10 0

15 15

30

Медный цилиндрический конденсатор Q =100 Вт

Н, мм в,° Н, мм в,° Н, см в,°

400 0 200 0 -

15 15 -

45 45 -

75 - -

Q - тепловая мощность, Вт; в - угол наклона конденсатора относительно горизонтали, Н - высота расположения конденсатора относительно испарителя, мм.

3.1.1. Работоспособность КТТ с медным конденсатором типа «Змеевик»

На Рисунке 3.5 представлена зависимость температуры в характерных точках КТТ от времени при скорости внешнего потока w = 2,2 м/с и тепловых нагрузках 80 и 100 Вт. Конденсатор находится выше зоны испарения на 400 мм (Рисунки 3.1, 3.2). Температура окружающей среды составляла Токр=21 °С.

Запуск КТТ и выход на стационарный режим производился при тепловой мощности 80 Вт (Рисунок 3.5). Из рассмотрения осциллограммы отчетливо видно, что за время минут испаритель вышел на установившийся режим. Термопары, установленные в испарителе, принимают постоянные значения

Т2^Тз = 99,8 °С. В следующие 15 минут ^2) происходит прогрев паропровода, пар достигает конденсатора и на 28 минуте происходит запуск конденсатора. Запуск конденсатора сопровождается изменением температур во всем контуре КТТ. Примерно на 32-ой минуте ^з) установка полностью выходит на установившийся стационарный режим работы, о чем говорит постоянство всех температур.

Рисунок 3.5.

Изменение температуры в характерных точках КТТ от времени при скорости внешнего потока w = 2,2 м/с и тепловых мощностях 80 и 100 Вт

При увеличении тепловой мощности до 100 Вт температуры во всем контуре повышаются примерно в течение двух минут, после чего КТТ выходит на стационарный режим работы.

В теории контурных тепловых труб вводятся понятия осредненных по времени температур в характерных точках и термических сопротивлений КТТ [58, 59, 92, 93]. На Рисунках 3.6 и 3.7 приведены зависимости осредненных по времени температур в характерных точках КТТ и термических сопротивлений КТТ, конденсатора и испарителя от подведенной тепловой мощности. При тепловых мощностях 80 - 140 Вт наблюдается стационарный режим работы КТТ. Температура поверхности нагрева при увеличении тепловой мощности с 80 до 140 Вт увеличивается на 8 °С, средняя температура конденсатора - на 30 °С.

120 т, °с 100

80

60

40

20

0

70 80 90 100 110 120 130 140 Q, Вт 150

Рисунок 3.6.

Зависимость локальных и осредненных температур в характерных точках КТТ

от подведенной тепловой мощности

-1 l

—♦—Tev_d Ф Tev_up И Tcond A Tw_d • Tw_u р

lili

Где Tev_d - температура пластины нагрева со стороны нагревателя, °С; Теу_ир - температура на внутренней поверхности испарителя, °С; Tw_d - температура на нижней поверхности КС, °С; Tw_up - температура на верхней поверхности КС, °С; Tcond - средняя температура поверхности конденсатора, °С.

Термические сопротивления испарителя, конденсатора и КТТ рассчитываются по формулам [58, 59, 92, 93]:

^еу = о ;

0 _ ('ТзаЬ(Рр) — Тсопа)

^сопй = о ;

0 _ (Тер_й — Тсопй)

%ТТ = ^ .

Где Tsat(Pv) - температура насыщения принималась равной температуре пара в испарителе, К.

При увеличении тепловой мощности от 80 Вт до 140 Вт наблюдается уменьшение термического сопротивления конденсатора и КТТ более чем в два раза (Рисунок 3.7). Аналогичные результаты получены и в работах [58, 59, 92].

0,8 R, К/Вт 0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

70 80 90 100 110 120 130 140 Q, Вт 150

Рисунок 3.7.

Зависимость термического сопротивление КТТ, конденсатора и испарителя от

подведенной тепловой мощности

Изменение положения конденсатора относительно испарителя до высотной отметки H=200 мм не повлияло на режим работы КТТ и на температуру поверхности нагрева (Рисунок 3.8).

120

т, °с 100

80

60

40

20

о

70 80 90 100 110 120 130 140 Q, Вт 150

Рисунок 3.8.

Зависимость осредненных по времени температур в характерных точках КТТ от подведенной тепловой мощности при взаимном расположении конденсатора и

испарителя равном 200 мм и 400 мм

В случае, когда конденсатор находится ниже зоны испарения (Н=-10 мм), запуск КТТ не происходит, наблюдается постоянный рост температуры пластины нагрева, в испарителе и компенсационной полости КТТ.

<

> Tev_d_400 мм — —Tev_up_400 мм Tcond_400 мм —Tw_up_400 мм > Tev_d_200 мм • Tev_up_200 мм А Tcond_200 мм й. Tw_up_200mm

3.1.2. Работоспособность КТТ с медным цилиндрическим конденсатором

В данном параграфе приведены результаты экспериментального исследования работы КТТ с медным цилиндрическим конденсатором (Рисунок 3.2). В данном исследование производилось измерение перепада давления между точкой Р1 и атмосферным давлением АР1=Р1-Ратм -манометрическое давление в начале конденсатора. На Рисунке 3.3 показана схема расположения отборов давления. Внутренний диаметр трубки отбора составляет 0,5 мм. Измерения перепада давления АР проводились с помощью и - образного жидкостного манометра.

На Рисунке 3.9 представлены изменения температуры в характерных точках КТТ и манометрического давления АР1 от времени при скорости внешнего потока охлаждающего воздуха w = 3,4 м/с и тепловой мощности 100 Вт. Конденсатор располагается выше испарителя на 400 мм и наклонен относительно горизонтали на 6 градусов. Нетрудно видеть, что до запуска конденсатора на входе в конденсатор наблюдается несколько повышенное давление, но в момент его запуска и выхода КТТ на расчетный режим (примерно 29 мин) давление резко падает, и устанавливается разрежение порядка 2500 Па.

700

АР, Па

200

-2800

300 600 900 1200 1500

Рисунок 3.9.

1800 2100 % С 2400

Изменения температуры в КТТ и перепада давления АР1 от времени при тепловой мощности 100 Вт ^ = 3,4 м/с , Токр=22 °С)

На Рисунках 3.10-3.12 показано влияние двух факторов (тепловой мощности и режима охлаждения наружной поверхности конденсатора) на работу КТТ при угле наклона конденсатора относительно горизонтали 15 градусов.

При тепловой мощности 80 Вт (Рисунок 3.10) запуск КТТ и конденсатора - пульсационный, (наблюдается выравнивание температуры конденсатора (область 1 Рисунок 3.10)), в течение 16 минут конденсатор и контур выходят на стационарный режим работы. При уменьшении скорости обдува потоком воздуха с 4 м/с до 3,4 м/с наблюдается плавный переход на новый режим работы конденсатора в течении 2 минут. При значительном изменении режима внешнего охлаждения конденсатора, например, при изменении скорости обдува с 4 м/с до 0 м/с и наоборот, наблюдаются переходные режимы работы конденсатора (область 1) и КТТ, который сопровождается сильными колебаниями жидкого теплоносителя на участке КП-конденсатор, попаданием жидкого теплоносителя в паропровод и испаритель. Для данного режима работы характерны значительные колебания температур в контуре КТТ и выравнивание температуры конденсатора. Возникновение переходного режима работы конденсатора связано с сильным изменением давления в нем при его первоначальном запуске и при значительном изменении его мощности. Длительность переходного режима работы конденсатора и КТТ зависит от многих параметров: геометрических, тепловой мощности, мощности конденсатора и от интенсивности изменения мощности конденсатора, - и может достигать 20 минут. Для предотвращения неустойчивых переходных режимов работы КТТ была создана и исследована конструкция прозрачного цилиндрического конденсатора с установленным на входе дросселем.

Рисунок 3.10.

Изменения температуры в характерных точках КТТ от времени в зависимости от режима внешнего охлаждения конденсатора при тепловой мощности 80 Вт

(а=15°, Токр=24 °С)

При тепловой мощности 100 Вт и 120 Вт и при плавном изменении режимов внешнего охлаждения конденсатора переходный режим работы конденсатора и КТТ не наблюдается (Рисунки 3.11, 3.12). Режим работы КТТ -стационарный.

Рисунок 3.11.

Изменения температуры в характерных точках КТТ от времени в зависимости от режима внешнего охлаждения конденсатора при тепловой мощности 100 Вт

(а=15°, Токр=22 °С)

110

т, °с 100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

О 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 5200 I, с 5600

Рисунок 3.12.

Изменения температуры в характерных точках КТТ от времени в зависимости от режима внешнего охлаждения конденсатора при тепловой мощности 120 Вт

(а=15°, Токр=24 °С)

На Рисунках 3.13, 3.14 представлены зависимости осредненных температур и термических сопротивлений КТТ, конденсатора и испарителя от тепловой мощности при скоростях внешнего потока w = 2,2 м/с и w = 4 м/с.

Увеличение скорости воздушного потока охлаждения конденсатора ведет к уменьшению осредненных температур в характерных точках КТТ (Рисунок 3.13). Увеличение тепловой мощности приводит к уменьшению термического сопротивления КТТ и конденсатора (Рисунок 3.14). Аналогичные результаты получены и в работах [58, 59, 92, 93].

Рисунок 3.13.

Зависимость осредненных по времени температур в характерных точках КТТ от тепловой мощности и скорости внешнего потока: а - w = 2,2 м/с; б - w = 4 м/с

1,0

К, К/Вт

[ —ф-Кеу -"-РИ-НР -й-Кшпс!

т

100 110 120 130

120 С}, Вт 130

а б

Рисунок 3.14.

Зависимость термического сопротивление КТТ, конденсатора и испарителя от тепловой мощности и скорости внешнего потока: а - w = 2,2 м/с; б - w = 4 м/с

На Рисунке 3.15 представлена зависимость термического сопротивления КТТ, конденсатора и испарителя от режима внешнего охлаждения при постоянной подведенной тепловой мощности 100 Вт для случая расположения конденсатора выше зоны испарения на 400 мм (Рисунок 3.11). После выхода на стационарный режим работы КТТ, скорость внешнего потока охлаждения изменялась в следующем порядке: 4 м/с - 3,4 м/с - 2,8 м/с - 4 м/с. После возвращение к первоначальному режиму внешнего охлаждения (4 м/с), система не выходит на первоначальные параметры работы. Это связано с прогревом контура КТТ при понижении скорости обдува воздухом до 2,8 м/с.

2.8 3 3,2 3.4 3,6 3,8 w, м/с 4

Рисунок 3.15.

Зависимость термического сопротивление КТТ, конденсатора и испарителя от режима внешнего охлаждения при тепловой мощности 100 Вт

На Рисунках 3.9, 3.11, 3.16 показаны процесс запуска и работа КТТ при углах наклона конденсатора относительно горизонтали, равных 6°, 15° и 45°. Отличие поведения температуры Т5 на Рисунке 3.16 объясняется тем, что термопара в этом эксперименте располагалась вблизи конденсатопровода. Во всех рассматриваемых вариантах запуск КТТ плавный, температуры узлов КТТ отличаются незначительно (в пределах 1-2 градусов), режим работы КТТ -стационарный. Существенного влияния угла наклона конденсатора на запуск и работу КТТ не обнаружено.

Рисунок 3.16.

Изменения температуры в характерных точках КТТ от времени в зависимости от режима внешнего охлаждения конденсатора при тепловой мощности 100 Вт

(а=45°, Токр=20 °С)

3.1.3. Работоспособность КТТ с полипропиленовым цилиндрическим конденсатором

В данном экспериментальном исследовании использовался прозрачный полипропиленовый цилиндрический конденсатор с дросселем на входе. Выбор такого материала конденсатора основывался на возможности визуализировать физические процессы, протекающие в конденсаторе. Дроссель представляет собой тонкую медную пластину с центральным отверстием диаметром 2 мм и

предназначен для предотвращения возврата жидкого теплоносителя в паропровод.

В данном исследовании производились измерения перепадов давления. Измерялись следующие перепады: разность давления между точкой Р1 и атмосферным давлением ДР1=Р1-Ратм - манометрическое давление в начале конденсатора; перепад давления между точками Р1 и Р2 ДР2=Р1-Р2 - перепад давления между входом и выходом конденсатора; перепад давления между точками Р3 и Р1 ДР3=Р3-Р1 - перепад давления между выходом из испарителя и входом в конденсатор.

На Рисунках 3.17 - 3.19 представлены изменения температур и перепадов давления от времени в характерных точках КТТ при скорости внешнего потока охлаждающего воздуха w = 3,4 м/с и тепловой мощности 100 Вт. Конденсатор располагается на 400 мм выше над зоной испарения.

На Рисунке 3.17 отчетливо видно время и порядок выхода на режим каждого отдельного участка КТТ и установки в целом. Через 10 минут после запуска установки наблюдается выход испарителя на стационарный колебательный режим. На 24-й минуте происходит запуск конденсатора, и еще через 1,5 минуты установка выходит на колебательный режим работы. Появляются вибрация установки и колебания температур в характерных точках. Амплитуда колебаний температуры поверхности нагрева составляет менее 0,5 °С, период колебаний - 32 с. Основной причиной появления вибраций КТТ и колебаний температур является периодически повторяющиеся перемещения конденсата из конденсатора в КП и обратно. Благодаря установленному на входе в конденсатор дросселю жидкий теплоноситель не попадает в паропровод и испаритель КТТ, что обеспечивает низкую амплитуду колебаний температуры поверхности нагрева.

На Рисунке 3.17 показан перепад давления между выходом из испарителя и входом в конденсатор ДР3=Р3-Р1. Нетрудно видеть, что в процессе запуска этот перепад давления растет по сложной траектории, преодолевая различные сопротивления в паропроводе (изгиб паропровода, наличие жидкого

теплоносителя, образовавшегося в ходе заправки КТТ, и т.п.), но в момент выхода конденсатора на установившийся режим резко падает до 20 Па и остается постоянным. Этого перепада давлений оказывается достаточно для перемещения пара в паропроводе на данном участке при нормальных условиях работы КТТ на расчетном режиме. Однако, экспериментальный перепад на паропроводе в значительной степени отличается от расчетного 6 Па), полученного в предположении, что в паропроводе - однофазное паровое течение теплоносителя [56, 57]. Такое существенное отличие расчетного и экспериментального значений перепадов давления привело к необходимости подробного экспериментального исследования течения теплоносителя в паропроводе. Данное исследование проводилось на втором этапе, для КТТ с вакуумизацией контура.

Рисунок 3.17.

Изменение температуры и перепада давления ДР3 в КТТ от времени при w=3,4 м/с и тепловой мощности 100 Вт (Токр=26 °С)

На Рисунке 3.18 приведено манометрическое давление на входе в конденсатор ДР1=Р1-Ратм. Нетрудно видеть, что до запуска конденсатора на входе в конденсатор наблюдается несколько повышенное давление, но в момент его запуска и выхода КТТ на расчетный режим (примерно 21 мин)

давление резко падает и устанавливается разрежение порядка 1250 Па. Рост температуры поверхности нагрева Т до момента запуска конденсатора и выхода установки на стационарный режим работы возникает из-за наличия жидкого теплоносителя в паропроводе, образовавшегося в ходе заправки КТТ или после снятия тепловой мощности [40, 41].

Рисунок 3.18.

Изменение температуры в КТТ и перепада давления ДР1 от времени при скорости потока 3,4 м/с и тепловой мощности 100 Вт (Токр= 26 °С)

На Рисунке 3.19 представлено изменение температуры в характерных точках КТТ и перепада давления ДР2 (перепад давления между входом и выходом конденсатора) от времени при скорости внешнего потока w = 3,4 м/с и тепловой мощности 100 Вт. Видна хорошая корреляция приведенных результатов эксперимента на Рисунках 3.17 - 3.19. Перепад давления в конденсаторе при запуске КТТ повышается примерно до 400 Па, при выходе на расчетный режим резко падает до постоянной величины равной 100 Па, что несколько выше, чем на паропроводе (20 Па).

120 Т, °С 100

80

60

40

20

Т]

Т2 т4 —--V

Т3 У у т7

У чт5 кт6 1

>Р2

/

1 - / Ь-

900

ДР, Па

750 600 450 300 150

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

и с

Рисунок 3.19.

Изменение температуры в КТТ и перепада давления ДР2 от времени при скорости потока 3,4 м/с и тепловой мощности 100 Вт (Токр= 28 °С)

На Рисунке 3.20 показана фотография - вид сбоку стенки конденсатора в процессе работы КТТ. В течение всего процесса наблюдается капельная конденсация теплоносителя. После того как капля набирает критическую массу, она стекает по стенкам в нижнюю часть конденсатора под действием гравитационных сил, после чего конденсат попадает в КП по жидкостной линии.

Рисунок 3.20.

Фотография поверхности прозрачного конденсатора при капельной

конденсации

На Рисунке 3.21 представлено изменение температуры в характерных точках КТТ при скорости обдува поверхности конденсатора потоком воздуха w = 2,8 м/с и тепловой мощности 100 Вт. Наблюдается стационарный режим работы КТТ. Уменьшение скорости обдува воздухом незначительно влияет на тепловое состояние КТТ и режим работы установки: при уменьшении с 4 м/с до 2,8 м/с наблюдается незначительное повышение температур в КП 1-2 °С) и пара (4-5 °С). Тепловое состояние КТТ с такой конструкцией конденсатора более чувствительно к температуре окружающей среды. Уменьшение температуры окружающей среды на 2-3 °С приводит к снижению температур пара на 5-7 °С и теплоносителя в КП на 3-4 °С. Стоит отметить, что минимальная скорость обдува воздухом, при котором наблюдается запуск и стабильная стационарная работа КТТ на мощности 100 Вт составляет 2,8 м/с.

120 Т, "С

о —

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 t,C 2200

Рисунок 3.21.

Изменение температуры в КТТ от времени при скорости потока w = 2,8 м/с и

тепловой мощности 100 Вт (^^=28 °С)

При увеличении тепловой мощности до 120 Вт режима обдува воздухом со скоростью 2,8 м/с не достаточно для стабильной работы КТТ, наблюдается режим нарушения работы устройства, т.е. постоянный рост температуры поверхности нагрева (Рисунок 3.22).

t,°c

140

120 100 80 60 40 20 О

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 t, С 2400

Рисунок 3.22.

Изменение температуры в КТТ от времени при скорости потока w = 2,8 м/с и

тепловой мощности 120 Вт ^окр=28 °С)

При увеличении скорости обдува воздухом до 3,4 м/с наблюдается запуск и колебательный режим работа КТТ при тепловой мощности 120 Вт (Рисунок 3.23). При этом температура пластины нагрева со стороны нагревателя нестабильна, наблюдается ее периодическое увеличение на 1-3 °С. Увеличение скорости обдува до 4 м/с практически не влияет на тепловое состояние КТТ. Температура пара в данном случае достигает максимально возможного значения, конденсатор работает на максимальной мощности. Дальнейшее увеличение тепловой мощности приведет к нарушению

работоспособности устройства.

160

Т,°С

140 120 100 80 60 40 20 О

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 t, С 2200

Рисунок 3.23.

Изменение температуры в КТТ при тепловой мощности 120 Вт при скорости

потока w = 3,4 м/с (TOTp=28 °С)

Ti

Тз / ,-ли у;

ч

Тз ГУ/ тл ч5

VT7

w = 3,4 м/с w — 4 м/с

При изменении положения конденсатора в пространстве относительно испарителя с 400 мм до 200 мм при тепловой мощности 100 Вт и скорости обдува воздухом 2,8 м/с (Рисунок 3.24) наблюдается рост температуры поверхности нагрева T1 до момента запуска конденсатора. Затем установка выходит на колебательный режим работы. В случае же, когда конденсатор располагается ниже испарителя (H=-10 мм), запуска КТТ не наблюдается (Рисунок 3.25).

150

т, °с

130

110

90

70

50

30

10

Ti —1-----

ъ 7 ¡/¡L—Тз \ \т \Т; 14

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250 I, с 2500

Рисунок 3.24.

Изменение температуры в КТТ при скорости потока w = 2,8 м/с и тепловой мощности 100 Вт для случая H=200 мм (^^=28 °С)

180 т,°с 160

140

120 100 80 60 40 20 0

Tj

т2 ИГ*

Тз Тт

у/ •Тб

2000 I, с 2200

Рисунок 3.25.

Изменение температуры в КТТ от времени при скорости потока 2,8 м/с и тепловой мощности 100 Вт случая H=-10 мм (^^=26 °С)

Стоить отметить, что установка дросселя на входе в конденсатор привела к появлению ограничению по пусковой мощности. Запуск и стабильная работа КТТ наблюдался только при тепловых мощностях от 100 Вт, что значительно снижает область применения такой конструкции конденсатора.