Перенос тепла, массы и импульса в испарительно-конденсационных теплообменниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ШУЛЬЦ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ПЕРЕНОС ТЕПЛА, МАССЫ И ИМПУЛЬСА В ИСПАРИТЕЛЬНО - КОНДЕНСАЦИОННЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московском государственном университете леса»

_ , Доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Алексеев Владимир Антонович

Доктор физико-математических наук,

профессор Аполлонов Виктор Викторович

Доктор технических наук, профессор Галактионов Валерий Витальевич

Ведущая организация: Московский энергетическии институт

(технический университет)

Защита состоится « 22 » декабря 2006 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.146.05 при ГОУ ВПО « Московского государственного университета леса» в ауд. №1128, по адресу: 141005, Московской области, Мытищи-5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУЛ.

Автореферат разослан (¿О» ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук ^^ Ю.С. Галкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Стремительное развитие ноосферы сопровождается ростом энергопотребления и, как следствие этого, деградацией естественных энергетических ресурсов, прежде всего запасов нефти и газа. Это вынуждает многие государства создавать свои собственные национальные проекты по развитию технологий утилизации вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) и естественных низкопотенциальных источников энергии.

Мониторинг естественных низкопотенциальных источников энергии, таких как солнце, тепло фунта, грунтовых вод, биомассы, охлаждающий импульс атмосферного воздуха, показывает, что их энергии оказывается достаточно для решения большинства народнохозяйственных задач.

Известна проблема потери прочности оснований дорог, фундаментных устоев мостов и зданий в районах вечной мерзлоты. Она может быть успешно решена замораживанием фунта за счет естественного охлаждающего импульса атмосферного воздуха. Замораживание фунта целесообразно для создания подземных аккумуляторов холода, используемых в летнее время для продуктовых складов - холодильников .

Актуальна также проблема зафязнения атмосферы продуктами антропогенного происхождения, в их числе, например, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Утилизация тепла выхлопных газов ДВС транспорта могла бы частично снять остроту данной проблемы .

Термостабилизация таких теплонапряженных объектов как зеркала технологических лазеров или СВЧ — устройств требует утилизации высоких удельных тепловых потоков я ~ 10 ^ 1000 Вт/см2.

Многие из вышеперечисленных проблем могут быть решены с помощью испарительно-конденсационных устройств (ИКТ). Классическими представителями устройств данного типа являются тепловые трубы (ТТ). Круг задач, решаемых с помощью ТТ традиционного исполнения, достаточно широк, но офаничен в силу теплофизической природы ТТ. Так, например, их нельзя использовать в качестве теплового насоса.

Новые теплофизические свойства можно придать ТТ путем обоснованного изменения термодинамического цикла работы этих устройств. Следствием этого является возникновение возможности получения новых потребительских качеств, ранее им недоступных. Если замкнутая циркуляция теплоносителя в новых устройствах обеспечивается в основном эксергетическими ресурсами парового потока или факторами другой природы, то их следует отнести к новому классу устройств - ИКТ.

Передача тепла в ИКТ переносом скрытой теплоты фазового перехода в значительной мере определяется гидродинамикой парового потока. В большинстве экспериментальных работ моделирование гидродинамики пара проводили вдувом-оттоком газа через проницаемые стенки канала.

Совершенно естественно, что влияние фазового перехода - основного фи-шчеекот процесса в ИКТ - исключалось. При этом до сих пор остается малой ¡ученной степень влияния процессов объемной конденсации в паровом покже на теплоперенос.

В -згой связи в настоящей работе ставится решение следующих проблем:

- исследовать нестационарные температурные поля при запуске жидкоме-таллической (натриевой) ТТ из замороженного состояния теплоносителя, выявить границы переходных режимов и факторы, ограничивающие пусковую динамику ТТ,

- исследовать гидродинамику и структуру парового потока с помощью не-возмущающих паровой поток оптических средств контроля,

- рассмотреть методы интенсификации процессов тепло- и массообмена с помощью факторов различной природы: эксергетических ресурсов парового потока, полей массовых сил,

- обосновать концепцию построения принципиальных схем ИКТ с целью создания устройств с высокими теллофизическими свойствами и потребительскими качествами.

Актуальность работы обусловлена потребностью народного хозяйства в создании ИКТ, способных 1ффективно утилизировать тепловые ресурсы естественной среды и ноосферы.

Значительный объем теоретических и экспериментальных исследований данной проблемы проведен по заказу НПО «Энергия» в рамках хоздоговорных отношений. Актуальность проблемы подтверждается включением её в доклады на круглых столах: «Теплофизические проблемы нетрадиционной и малой энергетики» РНКТ-3, 21-25 октября 2002 г.; РНКТ-4, 23-27 октября 2006 г.; С ЭТТ - 2005, 11-14 октября 2005 г.; выделением средств для работы по данной тематике в рамках гранта «Технические университеты России» в 1997- 2000 гг. Результаты работы докладывались на научных конференциях МГУЛ в 1990-2006 гг.

Целью работы является: исследование механизмов переноса тепла, массы и импульса в испарителыю - конденсационных теплообменниках для объективного обоснования концепции построения новых теплотехнических устройств, предназначенных для утилизации тепловых ресурсов естественной среды и ноосферы.

Поставленная цель достигнута путем 1. исследования механизмов переноса тепла, массы и импульса в ТТ и получения необходимых для построения новых теплотехнических устройств (ИКТ) следующих данных:

- факторов, ограничивающих максимально достижимый теплоперенос;

- путей и рациональных методов интенсификации теплопереноса в ИКТ;

- принципиальных схем ИКТ, расширяющих их теплофизические свойства и потребительские качества;

2. мониторинга тепловых ресурсов-.

2.1. - естественной среды;

2.2. - ноосферы;

3. обоснования концепции построения новых принципиальных схем

ИКТ для утилизации тепловых ресурсов естественной среды и ноосферы и рассмотрения в качестве примеров конкретных принципиальных схем теплотехнических аппаратов.

Решение проблемы состояло из следующих задач:

1. Исследовать экспериментально измеренные нестационарные поля температур при запуске жидкометаллических (натриевых) тепловых труб из замороженного состояния теплоносителя. Определить гидродинамические режимы парового потока и выявить факторы, ограничивающие пусковую динамику ТТ.

2. На основе теоретического анализа проблемы разработать и создать экспериментальную установку, моделирующую рабочий процесс в испарительно - конденсационных теплообменниках на основе тепловой трубы, включающей систему вакуумирования, снабжения газами, источники теплоснабжения и оптические средства контроля состояния парового потока.

3. Разработать методику исследования механизмов тепломассопереноса в неравновесном паровом потоке ТТ на основе термопарных и оптических средств контроля: интерферометрии, теневых методов, метода светового «ножа» и кинофоторегистрации.

4. Экспериментально изучить гидродинамику и структуру неравновесного парового потока в диапазоне изменения радиальных чисел Рей-нольдса 0,1 < Яег <30, выявить наличие жидкой фазы в паровом потоке, изучить кинетику процессов объемной конденсации, оценить степень метастабильности парового потока, потери энергии и термодинамическую эффективность теплопереноса в ТТ.

5. Провести анализ полученных данных на низкотемпературных теплоносителях и результатов исследования нестационарного теплообмена высокотемпературной (натриевой) тепловой трубы для уточнения расчетных моделей состояния парового потока и определения оптимальных путей интенсификации тепломассообмена в ИКТ.

6. Провести мониторинг низкопотенциальных тепловых ресурсов естественной среды и ноосферы; выделить среди них наиболее значимые по своему суммарному тепловому эквиваленту.

7. Рассмотреть возможность реализации термодинамических циклов работы ИКТ с новыми теплофизическими свойствами и потребительскими качествами.

8. Обосновать концепцию построения новых принципиальных схем ИКТ для утилизации низкопотенциальных тепловых ресурсов естественной среды и ноосферы. Новизна исследований и научных результатов.

Решена обратная задача нестационарной теплопроводности при запуске жидкометаллической ТТ из замороженного состояния теплоносителя. Расчетными методами выявлены границы режимов тепломассоперено-са в нестационарных условиях.

Проведены комплексные исследования неравновесного парового потока в "ГГ на основе применения невозмущающих паровой поток оптических средств контроля: интерферометрии, теневого метода, метода светового «ножа». Эти средства были дополнены термопарными измерениями.

Экспериментальными методами получены следующие результаты:

• выявлено наличие жидкой фазы в паровом потоке;

• получены фотографии треков капель в испарителе и конденсаторе;

• выявлены вихревые структуры в области вдува (в испарителе) и оттока (в конденсаторе);

• теневым методом определены области наибольших градиентов оптической неоднородности;

• выявлен скачок конденсации при пуске низкотемпературной тепловой трубы;

• получены интерферограммы неравновесного парового потока в зонах вдува и оттока;

• выявлена область возвратно - вихревого течения в конце зоны конденсации;

• оценена влажность по ходу парокапельного потока. Разработана методика расшифровки интерферограмм неравновесного парового потока, по которой впервые получены:

• распределения плотности пара в поперечных сечениях низкотемпературной ТТ;

• распределение энтальпии неравновесного парового потока вдоль ТТ;

• потери энергии неравновесного парового потока в области гетерогенной объемной конденсации.

Произведена оценка термодинамической эффективности теплопере-носа для ТТ в целом.

Обоснованность и достоверность научных результатов обеспечивалась: 1. применением невозмущающих паровой поток оптических средств контроля,

2. корректным и всесторонним анализом механизмов возникновения оптических неоднородностей в неравновесном паровом потоке, проведенном на основе современных представлений о кинетике гетеро-фазных флуктуаций,

3. хорошей повторяемостью результатов при многократных измерениях,

4. удовлетворительным совпадением экспериментальных и расчетных данных,

5. сравнением результатов (где это возможно) с данными других авторов в аналогичных условиях.

Практическая значимость работы заключается в получении данных, необходимых для:

• уточнения расчетных моделей состояния неравновесного парового потока и гидродинамики,

• обоснования методов интенсификации тепломассообмена в ИКТ,

• обоснования концепции построения новых принципиальных схем ИКТ для утилизации тепловых ресурсов естественной среды и ноосферы,

• внедрения результатов работы для упрочнения вечномерзлых оснований дорог и дамб в районах вечной мерзлоты (район БАМа)

Полученные данные могут быть использованы для проектирования испарительно-конденсационных теплообменников, обладающих новыми теплофизическими характеристиками и потребительскими качествами.

Личный вклад автора заключается в выборе цели и задач работы, создании экспериментального стенда, методов диагностики, систем автоматической регистрации экспериментальных данных, проведении исследований, обработке и анализе результатов экспериментов. На защиту выносится:

1. Методика комплексного исследования механизмов тепломассопере-носа в неравновесном паровом потоке ТТ на основе термопарных и оптических средств контроля: интерферометрии, теневых методов, метода светового «ножа» и кинофоторегистрации.

2. Экспериментальный стенд для оптической визуализации течений неравновесного парового потока в условиях испарения и конденсации.

3. Результаты экспериментальных исследований механизмов теплопе-реноса в неравновесном паровом потоке в условиях испарения и конденсации на его границах и в объеме парового потока.

4. Обоснование концепции построения новых принципиальных схем ИКТ для утилизации энергетических ресурсов естественной среды и ноосферы.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на- 1) научных конференциях МГУЛ в период с 1990 по 2006 гг., 2) 8'" International Conference Heat Pipe.(14-18 September 1992. Beijing), China. 3) Первой Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ - 1), 21 - 25 ноября 1994 г., 4) РНКТ - 3, 21 - 25 октября 2002 г., 5) СЭТТ -2005, 11-14 октября 2005 г., 6) РНКТ - 4, 23 - 27 октября 2006 г., 7) межвузовских теплофизических семинарах МЭИ, МВТУ, МГУЛ, МИФИ, МИХМ в период 1990 - 2006 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, в их числе пять авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения и списка используемой литературы. Общий объем диссертации: 271 страница, 89 рисунков и 4 таблицы. Список литературы содержит 126 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В введении рассматриваются проблемы тепломассопереноса, возникающие при создании современных теплофизических аппаратов в различных отраслях народного хозяйства. Многие из этих проблем могут быть решены с помощью ТТ. Показано, что наиболее перспективным направлением применения ИКТ является их использование для утилизации вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) ноосферы и тепловых ресурсов естественной сред. Рассмотрен круг задач, возникающих при решении этих вопросов. Исходя из этого, сформулирована цель работы.

В первой главе рассмотрен сложившийся подход к экспериментальным исследованиям механизмов теплопереноса в ТТ. Дается анализ современного состояния исследований процессов тепломассопереноса в неравновесном паровом потоке в условиях испарения и конденсации на его границах.

Практика расчетов ТТ основана на использовании осредненных по поперечному сечению парового канала уравнений неразрывности, движения и энергии потока переменной массы с учетом сжимаемости, трения и реального профиля скорости пара:

-í- ÍPnf'J = ±m/fn,

-А- [Рп + pP„ü2J - - £ р„, ¿c 2d„

~[Рпйп (in + Vmü',)] = - Mm/fJbn v:/2), их

где й„ = 2/К2п I и(г„,х) хг„с1гп — средняя по сечению канала скорость пара; и - текущее значение скорости вдоль оси х; V =т/(кс1п€/ р„) — радиальная скорость вдуваемого (конденсирующегося) пара на капиллярной структуре;

^ - коэффициент сопротивления трения; Д.

а = 2/( й 'Л2п) \и3(гп х)гг4гп . коэффициент потока импульса; о

Р ~ й „И2^ 1м (г„ х)Ггф-п . коэффициент потока энергии;

'ш «и . ¡Док/кг]- энтальпия пара в паровом канале и вдуваемого пара, соответственно; С/- поверхностная пористость капиллярной структуры.

В приведенных выше уравнениях массовый расход вдуваемого (конденсирующегося) пара на единицу длины парового канала т определяется из условий неравновесного тепло- и массопереноса при испарении и конденсации, сопровождающихся скачком температуры на поверхности раздела фаз. При этом принимается модель равновесного двухфазного состояния пара, согласно которой пар представляет собой равновесную смесь идеального газа и жидкости. Считается, что при достоверных значениях коэффициента потока импульса /?, коэффициента потока энергии а и коэффициента трения £ данный подход позволяет правильно описать распределение параметров пара по длине зон испарения и конденсации в условиях ламинарного и турбулентного течений. Там же указано, что значения Д £ и а достаточно хорошо изучены для установившихся течений с равномерным вдувом — оттоком теплоносителя и постоянным давлением поперек канала. Поэтому они могут быть использованы для расчета параметров пара только для изотермических или близких к ним режимов работы ТТ. В литературе также отмечается, что границы перехода от ламинарного режима течения к турбулентному мало изучены.

Интенсификация тепло- и массопереноса в ТТ сопровождается ростом удельных тепловых нагрузок и, следовательно, более глубоким проникновением параметров парового потока внутрь метастабильной области. В особенности это касается процессов запуска. В этих случаях расчет параметров ТТ по модели равновесного парового потока является некорректным.

Показано, что к настоящему времени большинство теоретических и экспериментальных работ посвящено моделированию гидродинамики парового потока вдувом-оттоком газа через проницаемые стенки канала. Эти работы позволили выявить основные закономерности ламинарного и турбулентного течений в проницаемых каналах при наличии вдува-оттока. Полученные результаты широко используются для расчета гидравлических характеристик парового потока в ТТ.

Однако анализ показал, что с увеличением габаритов и удельных тепловых нагрузок значительно возрастают радиальные числа Рейнольдса: от Яег = / до Яе, ~ 30 и более. Не удалось получить точного решения уравнений Навье - Стокса в диапазоне чисел 2,3<Иег< 9,1. Введением функции тока показано, что действительные поля линий тока (р V, рЦ) отличаются от полей в основных режимах течения: ползущего течения при малых числах Рейнольдса, течения на входном участке и полностью развитого течения для высоких чисел Рейнольдса. Там же указано на то, что течения вблизи испарительного и конденсаторного концов трубы, а также все виды переходного и турбулентного течений не исследованы.

Анализ работ по устойчивости течения при вдуве-оттоке показал, что эти работы основаны на исследовании решений уравнений Орра-Зоммерфельда бе 1 учета двухфазности потока и потерь давления при фазовом переходе.

Значительные переохлаждения парового потока при запуске ТТ дают основания предполагать возможность образования жидкой фазы вследствие объемной конденсации. Рост гидравлического сопротивления в результате возможного изменения структуры парового потока может привести к существенным искажениям в результатах расчета динамики ТТ по моделям, не учитывающим двухфазность потока.

Появились работы, в которых излагаются методы интенсификации и управления процессами тепло- и массопереноса с помощью электрических полей. Так, например, можно организовать сбор конденсата и возврат его в испаритель. С помощью электрогидродинамического насоса можно значительно увеличить расход циркулирующего в ИКТ теплоносителя.

Экспериментальное исследование теплообмена в роторной (вращающейся) ТТ выявило достижение сверхзвуковых перепадов давления в паровом потоке при приемлемых уровнях перегрузок.

В выводах к первой главе отмечается дефицит информации о механизмах объемной конденсации в паровом потоке ТТ. Привлекая опыт исследований гидродинамики двухфазных сред, можно сделать вывод о значительном влиянии механизмов объемной конденсации на гидродинамику парового потока в ТТ, особенно для теплонапряженных объектов таких как, например, СВЧ-устройства (ц > 1 кВт/см2) или зеркала технологических лазеров (д > 100 Вт/см2, нагрузка отнесена к поперечному сечению канала).

Необходимо отметить, что оптические средства контроля крайне редко используются для исследования гидродинамики и структуры парового потока. К настоящему времени известно лишь несколько работ. Так, например, исследовалась граница парогазового фронта в конденсаторе плоской ТТ и проведен анализ влажности пара по результатам поглощения светового луча при прохождении его вдоль парожидкостного тракта.

и

Многие вопросы, возникающие при использовании оптических методов, остались нерешенными. Особенно важные из них следующие:

• вклад гетерофазных флуктуации в процесс создания оптических неоднородностей;

• влияние капель жидкой фракции в паровом потоке на процесс формирования интерферограммы;

• оценка погрешности оптических измерений.

На основе анализа современного состояния исследований теплопере-носа в ТТ в конце первой главы формулируется постановка задачи исследования механизмов переноса тепла, массы и импульса в ИКТ.

Во второй главе дается описание экспериментальной установки для исследования нестационарных температурных полей в жидкометалличе-ских тепловых трубах.

В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследования тепло- и массопереноса в жидкометаллических тепловых трубах.

Экспериментально измеренные нестационарные распределения температур на внешней поверхности жидкометаллической ТТ были использованы в качестве исходных данных для решения обратной задачи нестационарной теплопроводности, из которой были получены необходимые для анализа гидродинамики и структуры парового потока характеристики: ргV], [кг/м2с] — массовая скорость испарения (конденсации), р^ — массовая осевая скорость, 11е0, Яег - осевое и радиальное числа Рейнольдса, М — число Маха, а также температура Т] и давление пара Р|.

Для расчета указанных характеристик были использованы двумерные уравнения сохранения массы паровой фазы в форме уравнения неразрывности сжимаемой жидкости и уравнение энергии для сжимаемой невязкой жидкости, которые имеют вид

Здесь и ниже индекс 1 относится к паровой фазе, 2 - к жидкой фазе, 3 — к твердой фазе (корпус ТТ), остальные обозначения являются общепринятыми.

Система уравнений (1-2) интегрировалась по г при следующих допущениях: ф//0г и {// не зависят от г; К/ не зависит от х; профили температуры и скорости являются квадратичными параболами от г. Таким образом, система (1-2) сводилась к одномерным уравнениям с дополнительными источниками тепла и массы и решалась при граничных условиях

третьего рода, в состав которых входили измеренные температурные поля (рис.1).

Рис 1 Нестационарное распределение температур по длине натриевой ТГ при скачкообразном установлении мощности электрического нагревателя N " 1,675 кВт, 1-4 - номера термопар, расположенных в зоне испарения,

5-12 - в зоне конденсации, и "С, г - время, с, п - цикл измерения

О 5 10 15 20 25 г-п 34,1 с

Решение задачи проводилось при следующих предположениях:

1. Пар представляет собой равновесную смесь идеального газа и жидкости.

2. Объемом жидкой фазы пренебрегается.

3. Испарение и конденсация происходят только на поверхности раздела фаз.

4. Выбор времени г --- 0 соответствует расплавленному состоянию теплоносителя.

При пуске ТТ из замороженного состояния теплоносителя труба последовательно проходила различные режимы течения парового потока, рис. I. При низких плотностях пара, t < 180 °С, имел место свободно-молекулярный режим течения, характеризуемый числом Кнудсена Кп = l/dn > 1. По известным из расчета числам Маха и Рейнольдса можно определить верхнюю границу свободно-молекулярного течения Кп =M/Re - 3, (область I, рис. 1). Переходная область II находилась между режимом течения со скольжением (область III) и свободно-молекулярным течением (область I). Нижняя траница течения со скольжением определена по условию Кп =М/~Шё- ИТ2 , а верхняя - по условию Кп =М/-Шё =10' . Нижней границе соответствует t ~ 370 "С, верхней t ~ 400 - 425 "С. Выше области течения со скольжением находилась область IY - область течения пара как сплошной среды.

Присутствие неконденсируемых газов в парожидкостном тракте значительно ухудшало пусковые и динамические характеристики ТТ.

В четвертой главе обосновывается выбор оптических методов исследования гидродинамики и структуры парового потока. В ней рассматривается влияние гетерофазных флуктуаций на процесс образования поля оптических неоднородностей в условиях интенсивных процессов испарения и конденсации на границах и в объеме парового потока. Установлено, что роль гетерофазных флуктуаций в больших объемах ТТ и умеренных вду-вах пренебрежимо мала и вносит незначительную погрешность при расшифровке интерферограмм. Существенное влияние гетерофазные флуктуации оказывают в момент глубокого проникновения пара в область ме-тастабильного состояния, что возможно при интенсивном вдуве или в момент возникновения объемной конденсации в паровом потоке. В этих случаях возникает явление «тиндалевского рассеяния», при котором интенсивность гетерофазных флуктуаций становится очень большой, так как дР/ду стремится к нулю. Этим объясняется критическая опалесценция -сильное рассеяние света в окрестности критической точки. Процессы вду-ва-отсоса в ТТ могут создать благоприятные условия для роста зародышей и образования капель вдали от критической точки. Показано, что в этом случае интерферометрические методы исследования необходимо сочетать с теневыми методами для надежной регистрации и изучения причин возникновения подобных явлений.

Далее излагается методика расшифровки интерферограмм неравновесного парового потока. Поскольку скачок температуры при фазовом переходе наблюдается в очень тонком слое вблизи фитиля, а паровой поток в рассматриваемых сечениях характеризуется высокой изотермичностью, для него можно положить, что (дп/8Т)с с1Т « (дп/др)-, А'р, и в дальнейшем рассматривать пограничный слой как шлирную линзу. Данный вывод соответствует природе тепловой трубы и существенно облегчает расшифровку интерферограмм.

В задачах с цилиндрической симметрией поле плотностей можно определить по измеренному полю показателей преломления с помощью расчета, учитывающего конечное состояние светового луча, которое определяется интегральным влиянием местных показателей преломления вдоль траектории луча в рабочей среде ТТ. Применение тех же методов к плоским двумерным полям, которые не изменяются или слабо изменяются в направлении распространения световых лучей, значительно облегчает задачу и дает более высокую точность экспериментальных измерений. Кроме того, применение оптических средств контроля в цилиндрической высокотемпературной ТТ трудно осуществить из-за высокой температуры и агрессивности рабочей среды по отношению к стеклам окон рабочей модели. По этой причине оказалось целесообразным разделить весь цикл исследований на два этапа:

1. исследовать нестационарные температурные поля в цилиндрической высокотемпературной ТТ с помощью термопарных средств контроля,

2. исследовать гидродинамику и структуру неравновесного парового потока в плоской низкотемпературной ТТ с помощью оптических средств контроля.

Из рассмотренных оптических методов и средств контроля состояния парового потока были выбраны:

• - нормальная двухлучевая интерференция на основе интерферометра Маха-Цендера;

• - теневой метод на основе прибора Теплера;

• метод монохроматического светового «ножа» на основе аргонового лазера ЛГН-404А;

• кинофоторегистрация.

Далее обосновывается метод определения энтальпии парового потока применительно к процессам в ТТ. По интерферограммам двумерных объектов можно определить не только поля плотности и температуры, но и информацию общего характера, например, энтальпию парового потока в выделенном объеме шлиры относительно невозмущенной среды. Теплосодержание шлиры относительно невозмущенной среды АН, [Дж ] прямо пропорционально изменению показателя преломления в области шлиры АН(х,у,г)-кп Ап(х,у,г), где к„ - коэффициент пропорциональности, а Ли -изменение показателя преломления относительно невозмущенной среды. Во всей области шлиры полное теплосодержание будет:

Интегрирование частично выполняется световым лучом Эта часть интеграла получается в виде разности фаз:

где ® - траектория луча

В ТТ градиенты оптической неоднородности создаются процессами вдува - отсоса при практически изотермичных условиях, следовательно, можно принять, что (дп/др)т с1р >>(сп/дТ)р с1Т, тогда для (4) будет п'- (п-п,г) ■ (с1п/с!р) (р-р,г), а к„ =(77,/Лл;- р Ср (Т-7у, где Ср р, и Т-удельная теплоемкость, плотность и температура в объеме шлиры (средние для всей области шлиры); Ли - изменение показателя преломления по сравнению с показателем преломления невозмущенной среды. Примем Т0 в качестве температуры невозмущенной среды (определенной по показаниям термопар в начале испарителя). Тогда: Н„= СрТа (р - ра), а для к„ получим:

Л#п ¡¡¡Ап(х,у,=) с1х с1у ск (3)

Я(х.у) - 1/Х\АпсЬ, (4)

кп =Г«|/Д п) =

Та Ср(р - Ра)

С Т Тс1пЩ

(Лп/с1р)( р - !>,)

Общее физическое соотношение между показателем преломления и плотностью для паров, показатель преломления которых близок к единице, можно записать в упрощенном виде (уравнение Гладстона-Дейла/-гр = :Л (п — 1), из которого следует dn/dp = 3/2 г. Выражение для к„ будет к„ - Уз (Ср Т0)/г, при этом к„ не зависит от р/р0.

Выражение для определения изменения энтальпии относительно невозмущенной среды (начало испарителя) в результате процессов вдува-отсоса будет

ДЯ„ = %(СрТ</г) х Я Я S(x,y) dx dy.

Разобьём рабочий участок ТТ на объёмы одинаковой величины, в пределах которых можно считать кп = const. Тогда в первом объёме будет определена энтальпия торможения Нт — СрТ„р0 - ДНт а в следующих -Hot. Разность между этими значениями будет отражать тепломассообмен, состоявшийся на границах и внутри выделенного объема. Формула для расшифровки интерферограммы в конечном виде принималась:

Д#п = % (CpTJr) xlIV [Y,(SAx)J.

у-0 х-0

Определение энтальпии парового потока на основе полученных в эксперименте интерферограмм позволило оценить её изменение на образование жидкой фазы при гетерогенной объёмной конденсации, а также оценить энергетическую эффективность теплопереноса для всего ИКТ.

В пятой главе описывается экспериментальная установка, представленная на рис.2 с комплексом оборудования для оптической визуализации течений и диагностики параметров парового потока.

Рабочий участок представляет собой плоскую ТТ с боковыми прозрачными стенками. Размеры парового канала: в плане 590x145 мм, высота канала - регулируемая 5 = 12 -М8 мм. Кварцевые стекла снабжены электрическими подогревателями. Подогрев окон предотвращал запотевание стекол в рабочем процессе и обеспечивал условие адиабатичности. Тепло-обменные плиты покрыты фитилем из нержавеющей сетки №120 саржевого плетения, ГОСТ - 3187-65, с эффективным радиусом пор 0,075 мм. Обе плиты в конденсаторе имели по два щелевых зазора. Верхний зазор использовался для теплоподвода прокачкой теплоносителя из термостатов. Нижний зазор был предусмотрен для регулировки теплопроводности плит. Изменением давления и сорта газа в зазоре регулировалась теплопроводность плиты до необходимых значений. Основным прибором для оптических исследований являлся интерферометр Маха — Цендера, перестраиваемый в теневой прибор Теплера. Подсветка интерферометра осуществлялась излучением He-Ne лазера. Световой «нож» создавался источником высокоинтенсивного излучения - прибором ЛГН-404А с длиной волны X = 0,45 ± 0,035 мкм. Плоскость светового «ножа» формировалась системой линз и коллиматором. Толщина «ножа» устанавливалась равной 2 мм.

Рис 2 Принципиальная схема •жсиериментальной установки для визуализации оптических неоднородностей в паровом потоке тепловых труб

1. рабочий участок - низкотемпературная тепловая труба, 2 интерферометр Маха-Цендера, 3-4 термостаты, 5 насос термостатов, 6 гелий - неоновый пазер, 7. газ - аргон (подпитка НТ Г неконденсируемым газом), 8 вакуумный насос, 9. система охлаждения аргонового лазера, 10 видеокамера, 11 фотоаппарат, 12 аргоновый лазер, 13 линейка, 14 манометр, 15 скоростной фоторегистратор

По вертикали размер светового «ножа» был меньше размера канала рабочего участка на 1 мм, что исключало блики отраженного от стенок ТТ света. Измерения температуры в реперных точках и в области парогазового пространства проводились подвижным термопарным зондом и регистрировались микровольтметром Щ-68000. Балансовые измерения осуществлялись расходомерами и термопарами, показания которых регистрировались информационно-измерительной системой (ИИС) типа КАМАК.

Приводится описание методики настройки интерферометра Маха-Цендера на полосу бесконечной ширины. Рассматривается методика установки модели в рабочем поле интерферометра с целью минимизации дифракционных искажений на краях модели.

В шестой главе приведены результаты экспериментального исследования гидродинамики и структуры неравновесного парового потока оптическими методами. Анализируются полученные результаты.

На рис. 3 (а, в, д, с) представлены фотографии течения паров ацетона для различных режимов и зон теплообмена, полученные методом светового «ножа». На рис. За представлена фотография установившегося течения в зоне испарения для режима <2 =230 Вт, Не = 460, Яег = 30. Выявлено наличие жидкой фазы в паровом потоке Треки капель визуализировали вихревые структуры. На выходе из испарителя (сечение и-и) обнаружено

Зона конденса ци1

с)

Рис.3, а) визуализация оптических неоднородиостей методом светового «ножа». Теплоноситель - ацетон. Тепловая нагрузка Q = 230 Вт в стационарном режиме, Не = 460, Иег = 30. Совмещение фотографии с интерферограммой по сечению и-и на выходе из испарителя, В - вихри на выходе из испарителя, в - синусоидальное движение основного потока; влажность е в указанных областях: У1 = 3,8 %, уг - 20%; б) интерферо-граммы течения. Настройка интерферометра Маха-Цендера на полосу бесконечной ширины; в) зона конденсации, Д-область (<1Р/ёх) > 0; г) интерферограмма течения в конденсаторе; д) движение капель в поле аэродинамических и гравитационных сил, тепловая нагрузка О = 220 Вт; Ле =460,30; с) конденсатор, парокапельный поток припуске ТТ на мощность <2 = 230 Вт. Р„кг= 3,15 хН^Па

два поперечных вихря {2.-вапы), вращавшихся по направлению вдува - отсоса. Эти вихри создавали реальные гидродинамические границы, вдоль которых двигался основной поток пара и поступал в конденсатор. Положение данных вихрей не зависело от тепловой нагрузки. В испарителе по ходу течения выявлены 2-вапы в областях вдува от верхней и нижней поверхностей испарителя. Основной поток пара совершал синусоидальное движение между этими вихрями. В начале испарителя первый вихрь занимал все сечение парового канала. С увеличением осевого массопереноса по ходу потока размеры поперечных вихрей уменьшались и стабилизировались.

В динамике осредненное положение и размеры этих трех гидродинамических структур практически неизменны и разделяют пространство примерно поровну. Устойчивый размер вихревых структур равен 1А высоты канала 8.

На рис.Зб представлены интерферограммы течения, совмещенные с соответствующими областями на верхней фотографии. Интерферограммы получены настройкой интерферометра Маха-Цендера на полосу бесконечной ширины. При такой настройке интерферометрическая картина визуализирует линии равной плотности. Следует особо отметить, что вихри, визуализируемые методом снегового «ножа», не отображаются интерферо-граммой.

На выходе из испарителя осевой поток резко изменяется. Поперечные вихри практически мгновенно трансформируются в продольные Х-валы. Масштаб этих вихрей значительно меньше поперечных ~ 5/20. Здесь же наблюдается резкий рост размеров и количества капель. В начале зоны конденсации интерферограмма отображает след от устойчивой области возвратно - вихревого течения (правый снимок, рис.Зб). На фотографии эта область изображена темным клином (рис.Зв). В нижней части снимка показан след повышенной концентрации капель, возникающий в области возрастающего градиента давления (дР/дх)> 0. Далее по ходу потока наблюдался рост капель и их выпадение на нижнюю поверхность конденсатора. На рис. Зг показана интерферограмма, совмещенная с фотографией парокапельного потока в конце конденсатора. Область конденсации (отсоса) изображается внизу снимка изогнутыми линиями, наверху снимка таких линий нет, так как верхняя теплообменная плита блокирована возвратно-вихревым течением

На рис. Зс представлен парокапельный поток при запуске ТТ. Разрывы потока и форма его границ обусловлены неустойчивой работой испарителя.

По данным балансовых измерений для испарителя имеем: осевое число Рейнольдса Яе = 460, радиальное Яег = 30. Следовательно, осевой поток необходимо считать ламинарным. На фотографиях оптического «ножа» видим упорядоченную вихревую структуру. Данный факт указы-

вает на то, что вдув пара оказывает сильное возмущающее действие на осевой ламинарный поток. Перенос тепла и массы в таком потоке опреде-, ляется, в основном, конвекцией (вихрями), а не процессом молекулярной диффузии. Доказательством того, что такое вихревое течение ламинарное по существу, служит мгновенная перестройка вихревых структур на выходе из испарителя. Возмущения (пульсации), созданные процессом вдува, не возрастают по ходу потока, а подавляются вязкими силами. Один вид (Z — валы) при вдуве сменяется на другой (Х-валы в конденсаторе) при оттоке. Из сказанного выше следует, что в испарителе имеет место переходной режим течения.

Протяженность поперечного переноса моля в нашем случае обусловлена масштабом выявленных вихревых структур. По этой причине для дальнейшего анализа использовались методы исследования, изложенные в полуэмпирической теории турбулентности (несмотря на то, что осевое число Рейнольдса явно указывает на ламинарное течение). Геометрические размеры вихрей по ходу течения уменьшались и стабилизировались в пределах '/зб. На этом основании можно положить, что /с = / = <А8, е = ^ = const. Не пренебрегая молекулярным переносом, коэффициент диффузии для потока в целом запишем так: (еы + еJ = 'Л(<и>Х + S v) = const. Тогда для массообмена получим:

ти - const (dp/dy) = const" dS/dy, а для теплообмена:

qu - rmu = г const' dS/dy.

Следовательно, градиенты оптической неоднородности отражают процесс тепло- и массообмена в испарителе ТТ, рис. 4.

Максимальные градиенты оптической неоднородности находятся вне испарителя, совпадают с областью гетерогенной объемной конденсации (область у2) и обусловлены начавшимися структурными изменениями в паровом потоке.

\Л8/Лу\ 6,0

4,0

2,0

• / 1 1 * Т t 1 • 1 V

X

JA

Рис. 4. Оценка процессов вдува-отсоса при Т„ = const. Режим Q = 230 Вт в стационарном режиме, Re = 460, Re, = 30. Изменение градиентов оптических неоднородно-стей вдоль фитиля ТТ; 1 - у = 0, 2 -

у - 1\ выход из испарителя х = 7,6; MSZdjyl , 1/мм

10 20 X

Расход массы вдуваемого пара в испарителе описывается так:

т"" 2^7 [МЗлг/г)] Уц -

где Ри - давление насыщенного пара при температуре поверхности жидкости Г„;

Р„ — давление пара над поверхностью жидкости.

Пар в испарителе ускоряется, давление пара по ходу потока падает на оси и над поверхностью жидкости, поэтому: (Рв/^Ти) > (РпЛ/Ъ) Отсюда следует, что изотермичность фитилей испарителя не обеспечивает равномерный вдув.

Производительность верхней плиты выше нижней. Данное обстоятельство отражает специфику плоских течений. В режимах, превышающих Еег > б, значительны инерционные эффекты в паре. Тепловая нагрузка в эксперименте соответствовала Яег = 30 Это и вызвало положительный градиент давления с!Р/с1х > 0, который привел к возникновению зоны возвратно-вихревого течения в торце конденсатора. Фитиль ТТ разорван по краям рабочего участка окнами модели. Снабжение теплоносителем фитиля верхней плиты исключается. Через 15 минут после пуска в ТТ завершаются переходные процессы, и зона возвратно-вихревого течения стабилизируется в виде сильно вытянутой вихревой структуры вдоль верхней поверхности конденсатора. Если в ТТ присутствует неконденсируемый газ, то этот процесс происходит быстрее. Таким образом, отношение градиентов (с/5/сЛ')у , | / (¡йУгДОу о = ц\1ца отражает разную производительность и неравномерность вдува от верхней и нижней плит в испарителе по совокупности всех физических процессов в ТТ.

Причина возникновения капель в паровом потоке исследовалась в [25]. Интерферограммы течения влажного пара позволили определить распределение степени пересыщения пара в поперечных сечениях испарителя. Эти данные послужили основой для расчетной оценки скорости зародыше-образования по формулам Фольмера, Вегенера, Мака и Френкеля. Расчеты показали, что стимулирующим фактором развития процесса объемной конденсации явились капли, выброшенные из фитиля испарителя.

Далее рассматривается метод оценки степени метастабильности парового потока. Показано, что влажность пара - е, определенная по степени пересыщения парового потока и по результатам обработки фотографий па-рокапелыюго потока, полученных методом светового «ножа», может служить критерием степени метастабильности парового потока. Такой подход дает дополнительную информацию для объективной оценки состояния пара. Показано, что при значениях 0,25 < е < 0,75 пар находится в термодинамически неустойчивой области, в которой дР/дч > 0. Для области у; в

эксперименте получено е= 0,2, что подтверждает факт состоявшейся объемной конденсации, рис. За.

Результаты визуализации теневым методом. Теневым методом выявлены области наибольших градиентов оптических неоднородностей. При медленном пуске в ТТ формировалось ядро потока на оси парожидко-стного тракта, которое в процессе пуска распространялось из испарителя в конденсатор и достигало его торца.

Области вдува-отсоса визуализировались в виде узких зон вдоль фитилей испарителя и конденсатора.

При пуске ТТ наблюдалась область значительных градиентов оптических неоднородностей на выходе из испарителя, рис. 5. Подобная картина наблюдалась в интерферометре

В этом же месте возникала яркая каустическая линия, из которой, как из источника, выходили интерференционные линии в сторону испарителя и конденсатора, приобретавшие в завершающей стадии пуска изображение интерферограммы в стационарном режиме, рис.Зб.

В энергетических силовых установках основной причиной возникновения скачков конденсации является переохлаждение сверхзвукового парового потока. Эти процессы достаточно хорошо изучены В ТТ предыстория возникновения скачка конденсация иная. В испарителе пар пересыщен процессом вдува и обогащен капельками жидкой фазы. Перед входом в зону конденсации паровой поток обжимается вихрями.

Р'/Р« Рис 6 Распределение параметров

Рис 5 Скачок оптических неоднородностей при пуске ТТ на установленную мощность в стационарном режиме О = 230 Вт Теплоноситель - ацетон Ги - 333 К. Г„ = 293 К.

1.0

влажного пара вдоль нижней у-0 и верхней у-=1 поверхностей фитиля НТТ Теплоноситель - ацетон Режим (} = 230 Вт

о 96 рограмм.

0.98 1-2 - распределение относительного давления Р /Р 01|, 1 - у= 1, 2 - у 0, по результатам расшифровки интерфе-

3-4 - относительная температура Т7Т0И, 3 - у -1, 4 - у -0, по результатам термопарных измерений;

5 - относительное давление Р /Р расчет по модели идеального [аза, х = 7,6 - выход из испарителя показан пунктиром

0

5

10

р'/рг.

Г Ск

ш

2 1 0 12 3

Рис. 7. Изменение относительного давления в сверхзвуковом потоке водяного пара. Сопло Лаваля. Ш = 0 -срез сопла. Данные работы [4], Ск-скачки конденсации, о - перегретый пар на оси, • - влажный пар на оси, е = 3%, л - влажный пар на оси, е = 14%, е - степень влажности

Возникает конфузорно - диффузорное течение дозвукового потока в НТТ. Такое воздействие увеличивает концентрацию капель, а значит, пересыщение и влажность возрастают по ходу потока. На выходе из испарителя изменяется знак расходного воздействия, что создает необходимую степень пересыщения для развития конденсационного скачка.

На рис. б представлены результаты эксперимента по режиму, рис.3. Внешнее сходство распределения давлений в дозвуковом (рис.6) и в сверхзвуковом (рис.7) потоках обусловлено стоком вектора ри в разреженную область гетерогенной объемной конденсации (рис.3, область у2).В данном случае объемная конденсация происходила без образования каустической линии. Это означает, что необходимая степень метастабильности для явления «тиндалевского рассеяния» в стационарном режиме не была достигнута см. рис. 36.

Влияние скачка конденсации иа переходные процессы в ТТ. В

жидкометаллических ТТ границы, создаваемые вихрями, в пределах которых ускоряется сверхзвуковой поток, подобны соплу Лаваля. Ван-Андел предположил возможное уменьшение критического сечения в круглой трубе и предложил ввести для расчета звукового предела переносимой мощности коэффициент 0,4. Вопрос о возможности запирания потока в критическом сечении вследствие образования скачка конденсации проанализировал Леви. Из его анализа следует, что скачок конденсации происходит при достижении М = 1,25, то есть в зоне конденсации, в диапазоне температур от 475 до 650 °С. На рис. 8 представлен срыв работы жидкоме-таллической ТТ при переходе из стационарного режима, соответствующего электрической мощности нагревателя N4 - 840 Вт, на мощность Ыв = 1700 Вт. Число Маха на выходе из испарителя, оцененное по перепаду давлений, составило М = 1,4. Нестационарное поле температур показывает осушение стенки испарителя, временное прекращение его работы, а затем восстановление работоспособности ТТ.

Рис 8 Фрагмент нестационарного температурного поля при переходе натриевой ТТ из стационарного режима Л*, - 840 Вт на режим Ми = 1700 Вт Нагрев испарителя излучением В конденсаторе - сброс тепла излучением на охлаждаемые водой стенки вакуумной камеры. Р„кг = 133,3 Па 1-4 • номера термопар, расположенных в испарителе, 6-11- номера термопар в конденсаторе, г, °С; г - п ч 31,4 с, п номер цикла измерений

Исследование причины срыва проводилось расчетными оценками по соотношениям из [25].

Жидкость, долго находившаяся в контакте с газом, насыщается им. Осушение фитиля происходило из-за вскипания теплоносителя, насыщенного газом в зазоре составного фитиля. Суммарный относительный перегрев жидкости: ДТуДТцр = (ДТХ + ДТ\Р + ДТф + ДТГ)/ ДТкр > 1, где ЛТкр = (¿РАЛ")"1 [(2сг/ '/;51м) - Р„кГ]. Пар рвет жидкую пленку в экране фитиля с разбрызгиванием. Выброшенные в паровой поток капли являются зародышами новой фазы и могли способствовать развитию процесса гетерогенной объемной конденсации аналогично тому, как что происходит в низкотемпературной ТГ, см. рис. Зс. На перенос капель затрачивается энергия парового потока, и потери давления в паре возрастают. Следовательно, скачок конденсации является сопутствующим явлением и поддерживает развитие срывного процесса. Рост показаний 10-й и 11-й термопар (рис.8) подтверждает факт выброса капель, их переноса в конденсатор и косвенно дает основания полагать, что в паровом потоке состоялась гетерогенная объемная конденсация.

Однако, при сильном перегреве, выброшенные в паровой поток капли могут испариться. В таком случае требуется рассматривать другой сценарий. Для получения объективной картины требуются дополнительные экспериментальные и теоретические исследования.

Определение энтальпии неравновесного парового потока. Настройка инерферометра Маха-Цендера на полосу бесконечной ширины позволяет получить поле оптической разности фаз 8(х,у), совпадающее с полем линий одинаковой плотности [25]. При такой настройке получаются дискретные значения Б(х,у), т.е. определяются положения последовательных максимумов = О, -/, -2, . ) и минимумов (Я = -0,5, - 1,5, ...) В начале зоны испарения пар практически неподвижен, интерферограмма показывает незначительные градиенты плотности, рис.36. Термопарные измерения подтверждают данное обстоятельство. Эту область можно принять

за невозмущенную среду с параметрами р0, Т0, в которой точно определяется положение полосы S=0, относительно которой находилось положение других максимумов. Точное положение максимумов и минимумов определялось компьютерной обработкой фотографий по программам Corel DESIGNER-12 и Corel PHOTO PAINT-12 эквиденситометрическим методом. Далее в работе представлена панорамная топографическая диаграмма эйконала шлиры (разности фаз S(x,y)), полученная совмещением кадров по длине ТТ, S =1-130. Она представляет собой отдельные линии, выделенные из интерферограммы, с указанием порядка S. От линии S- 0 располагаются интерферометрические линии с отрицательным порядком, указывающие на понижение плотности, что полностью согласуется с результатами визуализации течения теневым методом. Такая диаграмма позволяет установить адекватную связь с характером протекающих в ТТ процессов.

Определение разности фаз S(y) начинается с первого сечения от линии S =0 и далее в вертикальных плоскостях с координатами x¡ вдоль ТТ. Семейство этих кривых представлено на рис. 9 (а и б).

Для расшифровки интерференционной картины нужно выполнить интегрирование по всем точкам фотографии в соответствии с уравнением

Х-Л уп

ДН„ = % (C„TJf) хя£дx¡X(S Ay)].

х*0 у-0

Для этого сначала производится планиметрическое определение интеграла J(x) = ¡S(y) dy для различных плоскостей пересечений хп = const. Значения интеграла/(Se,) представлены на рис. 10. Интегрирование этой кривой для всей ТТ дает интеграл JÍ-S(y,x) dy dx = — 0,727 м2, пропорциональный энтальпии. Для испарителя получено ¡I(x)„dx -- 0,0094464 м2. Для дальнейшего расчета принимались следующие данные:

Ср = 1,427кДж/(кгК), 7; = 333,16 К, г = 0,275-Ю"3 м3/кг, кп- X = 693 Дж/м . Ро = 2,435 кг/м3, #„ = Срр0 Т0 V„=* 1782,4 Дж, #™ = СрРо Т0 К„= 422,52 Дж.

В результате изменение энтальпии во всей ТТ АНП = - 522,4 Дж, в испарителе - Д//„„ = - 6,78 Дж. Относительная энтальпия для всей ТТ составила 0„ = (Н-п - AfíjJ /Н-п = 0,707, относительное падение энтальпии = 1 - Огг = 29,3%. Для. испарителя в™ = (Н-ш, - АЯ, J /Я™ = 0,9839, Лтги = /-0„и= 1,61%.

Полученные данные показывают, что основные изменения состояния парового потока происходят в конденсаторе.

Рис 9 Распределение относительной плотности пара р/р0 и разности фаз - 5(у) по вертикали у, для различных плоскостей пересечений но горизонтали х, Настройка интерферометра на полосу бесконечной ширины а) - по длине зоны исиареиия 81-Э15, б) - для зоны конденсации 816-843, у, мм. Координаты х, положения плоскостей 51-543 вдоль ТТ указаны в таблице, см приложение Режим-по рис 3

Рис.10. Зависимость 1(х) = 18(у)<]у, полученная для различных вертикальных плоскостей с координатами зд 2 - й(!(х))/с!х; 1(х) мм, дг„ мм

Оценка термодинамической эффективности процесса в ТТ проводилась по формуле: ¥= = (Н^ - = 0,707.

Первое значительное изменение градиентов оптической неоднородности в области А обусловлено изменением теплового (следовательно, и расходного) воздействия на паровой поток. В области В наблюдается интенсивное развитие объемной конденсации (рост количества капель - зародышей), в С — рост размеров капель, в Б - торможение основного потока (область влияния торца конденсатора), рис. 10 и рис.3 (в).

Изложенный выше метод применим также для определения относительного содержания одного компонента бинарной смеси в шлире, если изменения показателя преломления определяются изменениями концентрации [22]. Второй компонент (например, растворитель — воздух) в этом случае является окружающей средой. Процесс теплопереноса в низкотемпературной ТТ происходит при незначительном перепаде давления, так

как Л-Ркап <<: Л,- Поэтому парогазовую смесь в ТТ можно считать несжимаемой жидкостью.

Испаритель

| I ' I ■ I ■ I ■ I ■ I ■ I ■ I !■ I ■ I ■

го о 40 ьо «о юо 1:0 но 1ьо |ки лоо

I

2000 4-1---1---1-.-1-—Г-Н---1-■-1---1-

220 240 260 280 300 320 340 ЗЛО

х, длина канала, мм

Рис. 11. Результаты расшифровки интерферограмм 1 - планиметрическое определение интеграла 1(х) - \sfvi ¡1у для различных поперечных плоскостей вдоль зоны испарения ТТ, 2 - градиент изменения ^(1(х))/с1х, а) - вдоль зоны испарения, б) - вдоль конденсатора, второе окно, г - длина, мм

Вся система близка к изотермичному состоянию, для которой можно принять Тср = Vi (Тя + Ту ) = 323 К = const. Коэффициент пропорциональности кпс в этом случае равен

_ 2р2 п, (п'2 + 2)

*с ~2-2-;- ■

("г - »,)(*] +2)

Масса воздуха во всей ТТ будет определена по формуле

.Т '.') уп

М2 ~ кпс у)].

х~0 уО

Считая, что в торце конденсатора установились равновесные параметры, парциальное давление воздуха в смеси определяется из Р„,= Pi + Р2 . Оно составило Р2 = 54480 Па, а плотность р2= 0,607 кг/м3. Принимая Тср = 323 К, п, = 1,001019, п2 = 1,000246, Я = 0,6328 мкм. Для этих данных начальное давление НКГ (воздуха) Р02 = {т2ЯТср)1 (У^рг) = 3146 Па, что составляет Р02/ Ри = 2,9%.

Интерферограмма в конденсаторе регистрирует поле оптических не-одпородностей, создаваемое парогазовой смесью. Вклад НКГ в этот процесс можно оценить, используя соотношение Гладстона-Дейла r2 р/( fi pi) • = (п2 — 1)/(п, — 1) , где р2 —f(y,x), для которой требуется принятие равновесной модели парового потока.

Далее рассматривается методика определения состояния парового потока по имеющимся экспериментальным данным. Из литературных источников известно, что точка m внутри двухфазной области делит отрезок AD на части mD и тА, обратно пропорциональные массам жидкости и газа, рис. 12. Этот результат

Рис.12. Схема изотермического процесса в двухфазной области. CD и АВ - участки метастабиль-ных состояний. CGB - участок неустойчивых состояний. Правило рычага Максвелла-. Sabga = Sdcod- В точке D (правая пограничная кривая - пар) влажность ё = 0, в точке А (левая пограничная кривая - жидкость) е = I

v

соответствует правилу рычага Максвелла. Точка С проектируется на AD в области е = 0,25. Следовательно, при влажности е > 0,25 пар соответствует неустойчивому состоянию. В эксперименте имеем е = 0,2, см. рис.3 (область у2).

В седьмой главе рассматривается термодинамический подход к проблеме интенсификации теплопереноса.

Максимально достижимый теплоперенос в ТТ ограничен капиллярными силами фитиля, покрывающими все виды потерь давления в паро-жидкостном тракте. Можно создать механический насос, дополнительный к капиллярному, работающий за счет внешнего теплоподвода. Излагается метод интенсификации теплопереноса за счет использования эксергетиче-ских ресурсов парового потока. Суть метода заключается в создании циркуляционного контура в ТТ, преобразующего часть теплосодержания пара в кинетическую энергию парового потока, которая затем преобразуется в кинетическую энергию жидкости, движущейся к испарителю.

Теплота обладает низким качеством с точки зрения преобразования её в механическую форму. Это качество оценивается эксергией - той частью теплосодержания пара, которая способна совершить механическую работу. Долю эксергии в теплосодержании пара можно оценить так: t] = &Т/Т„, где AT = Т„ - Тк. В процессе запуска и выхода на стационарный режим эксергетические ресурсы уменьшаются (АТ —• 0 в ТТ традиционных схем исполнения).

Степень неравновесности процесса в ТТ зависит от интенсивности вдува-отсоса, градиентов скоростей фаз, дисперсности среды, начальных и граничных условий. Кроме того, скорости фаз различаются, что приводит к дополнительным потерям на трение, выделению тепла и, соответственно, к росту энтропии. Очевидно, что в этих условиях необходимо рассматривать политропический процесс PV" = const, в котором термодинамический показатель п учитывает степень неравновесности и необратимости процесса. Истинный показатель политропы равен отношению потенциальной и термодинамической работ, определяемому в P-V- координатах.

При отсутствии объемной конденсации в паровом потоке можно принять степень сухости х„ = /. Тогда, в приближении г„ —» / можно считать, что показатель политропы неравновесного процесса равен показателю изоэнтропы пара кп на линии насыщения при подходе со стороны однофазной области.

В этом случае можно заменить истинный показатель политропы <п> на показатель изоэнтропы к„.

Определенная таким образом работа изоэнтропического расширения пара L может быть использована для оценки подъема жидкости на высоту /гэ, так как <5А = rnKght. Капиллярный потенциал выразим из Р, = 2а Cosa /(Л,ф). Так как в ТТ циркулирует одна и та же масса то отношение эксергетического потенциала gh-, к капиллярному найдем из

к. /

Ы = -к„ RT„ -[fp /р к„_ j j

йК (к„ 1)ц 2а Cos а

Работа положительна, так как Рк < Р„. Оптимизация рабочего процесса в ТТ производится по условию, что одна половина капиллярного напора идет на покрытие потерь давления в паре, другая - на потери в жидкости. На основании этого производилась оценка (Л*///,), таблица 1.

Таблица 1

Теплоноситель: вода (НгО). кн - к„ = 1,33, ДэФ = 50 х 10^ м., 0,6 < 1. Теплоноситель: аммиак (NH3). k,— kn= 1,3,Лэф = 50 х Ш^м.,0,6<ль< 1.

Т, К Ы/К Т, К А, /А.

333 3699 290 49

353 1684 310 24

373 815 330 16,7

Механизм преобразования энергии пара в кинетическую энергию жидкости основан на влиянии касательных напряжений на межфазных поверхностях открытых капиллярных канавок. Данное явление можно оценить критерием Вебера:

We = (рУ-Щ2яст) = [(1-0 Уз-ДЛ^ДМ^сг), где <f - учитывает потери давления в паре на трение. Длина капиллярной волны Я выбиралась равной 4dno?, согласно экспериментальным данным ФЭИ, [25]. Оптимизация параметров ТТ по условию Í4-AРкап = АР„ обеспечивает W> 1 при значениях <f < 0,7.

Из таблицы следует, что эксергетические ресурсы в ТТ достаточны для работы механического насоса, компенсирующего потери капиллярного . напора в конденсаторе. Для точной оценки требуется экспериментальное определение кпд такого насоса.

Далее рассматривается электрогидродинамический насос (ЭГД). Теплоноситель - диэлектрик силами неоднородного электрического поля втягивается через сетчатый наполнитель в межэлектродное пространство и перекачивается из зоны конденсации в зону испарения. Такой метод позволяет существенно увеличить разность давлений над плоской и вогнутой межфазными поверхностями в зонах конденсации и испарения.

Рассматривается влияние полей массовых сил. Капиллярный потенциал фитиля ghK, как правило, меньше гравитационного ghr и недостаточен для подъема жидкости на высоту ТТ. Вращение вокруг оси создает поле центростремительных сил, которое при соответствующем профилировании канала вызывает появление центростремительного ускорения co2R, компенсирующего гравитационное. При вертикальном расположении оси ТТ можно полностью скомпенсировать гравитационные силы по условию (шгг - g) Sitia, где а — угол наклона стенки к оси. При горизонтальном положении вращение ТТ вызовет появление массовых сил, создающих дополнительный к капиллярному движущий перепад давления. Появляется сепарационный эффект, способствующий удалению капель жидкой фазы из парового потока и равномерному расходу конденсированной фазы на теплообменные поверхности конденсатора. Уменьшается гидростатический перегрев теплоносите-

ля, облегчается его дегазация. Кроме того, интенсифицируется внешний теплообмен на оребренных поверхностях испарителя и конденсатора. Экспериментальные исследования влияния вращения ТТ на тепломассообмен показали, что коэффициент теплоотдачи ак практически не зависит от перегрузки. Но суммарный положительный эффект от действия массовых сил имеет место при учете внешнего теплообмена, см. рис.13.

Увеличение перегрузки приводило к снижению уровня температурного профиля Т= 1(Ь) и увеличению температурного перепада ДТ - Ти - Тк, и росту эксергетических ресурсов в ТТ.

В восьмой главе излагаются результаты мониторинга тепловых ресурсов естественной среды и ноосферы.

Все известные к настоящему времени тепловые ресурсы (ТР) можно представить как совокупность двух категорий:

1. тепловые ресурсы естественной среды;

2. тепловые ресурсы ноосферы.

По Вернадскому под ноосферой подразумевается часть среды, преобразованной человеком. Рассмотрим самые распространенные и значительные по суммарному тепловому эквиваленту ТР. Из них, в первую очередь, следует выделить суммарный охлаждающий импульс атмосферного воздуха, во вторую — ТР выхлопных газов автомобильного транспорта.

Для решения вопроса утилизации естественных ТР является необходимым знание об охлаждающем импульсе атмосферного воздуха 0 [град х сутки]. Этот параметр не зависит от географической широты. Для большинства регионов России он имеет достаточно высокое значение, см. рис. 16. Данное обстоятельство позволяет заключить, что климатические условия России весьма благоприятны для утилизации охлаждающего импульса атмосферы. Так, например, при значениях 0 порядка 750 [град х сутки] удалось в условиях Японии (ОЫсЫго) экспериментально подтвердить целесообразность накопления холода в подземной части теплоизолированного земляного массива для последующего использования холода при термостабилизации продуктового склада — холодильника в летний период,

I

Е

Рис. 13 Температурные профили 'Г- f(L) вдоль вращающейся TT, охлаждающей ротор этектродвигателя, в -зависимости от скорости вращения об/мин (RPM), Т("С), L, мм Cond - конденсатор, Evap - испаритель, теплоноситель - вода, сброс тепла из конденсатора в воздух, подводимая мощность к испарителю - N - 750 Вт

8х103

3.0 2.5 2.0 1.5 1,0 0.5

"Сале "Над кавд >1М

» Берс °Гу зово »гуг

«Те болъск

•Не^шк 1 »ОЫсЫ

•ми кЯ01ш

Рис. 16. Зависимость суммарного охлаждающего импульса атмосферы б от географического расположения объекта и от среднегодовой температуры £2 • данные из лит;° - данные автора, [32]

0 10 15 20 П

В девятой главе рассматривается концепция построения новых принципиальных схем ТТ. Большинство из перечисленных выше проблем утилизации тепловых ресурсов естественной среды можно решить с помощью гравитационных тепловых труб (ТТ) и термосифонов. В них возврат жидкости из конденсатора в испаритель осуществляется как пористым фитилем, так и ручьевым течением под действием силы тяжести вдоль нижней образующей поверхности трубы. Однако, максимально достижимый теплоперенос Qкp в таких устройствах ограничен гидродинамическим взаимодействием встречных струй пара и жидкого теплоносителя [32]. Встречное движение пара и жидкого теплоносителя вызывает касательные напряжения на межфазной границе, направленные против потока жидкости. Данное явление затягивает запуск, а в некоторых случаях приводит и к его срыву. С увеличением тепловой нагрузки обратный расход жидкости в открытых капиллярах может в пять раз превышать прямой расход. Следовательно, изменение знака касательных напряжений повышает расход жидкого теплоносителя в шесть раз. Кроме того, образование капиллярных волн на открытой межфазной поверхности при достижении критерия Ве-бера \Уе = 1А (р„у2 А)/(2а) > 1 приводит к уносу жидкости в паровой поток и паразитной рециркуляции теплоносителя. Перестройка парожидкостного тракта с целью организации спутных струй пара и жидкости исключает эту проблему, рис.17. Далее в работе рассматриваются различные принципиальные схемы ТТ и формулируется концепция построения новых принципиальных схем.

Далее рассматривается роль бинарных смесей для получения новых теплофизических свойств ТТ.

Бинарные смеси, состоящие из хладоагента и абсорбента, позволяют получить холодильный эффект в ТТ [32]. Хладоагентами могут быть: аммиак, метиламин, вода и др. Для каждого из них в качестве абсорбента могут быть выбраны соответственно: вода, хлористый литий, бромистый литий.

Новые теплофизические свойства ТТ можно получить на основе следующих решений:

- пароструйной холодильной машины рис.14,

- абсорбционной холодильной машины непрерывного действия рис.15.

Рис 14. Принципиальная схема термодинамического расчета пароструйной ТТ с холодильным эффектом К - котел, С - сопло, КУС - камера смешения, Д - диффузор, И - испаритель. Е -конденсатор. 3 - капиллярный затвор испарителя, Ж - капиллярный насос котла - абсорбера или насос другой природы, I. - механическая работа насоса, <3К -теплоиодвод к кипятильнику, С?и - теплоподвод к испарителю. Ос -теплоотвод из конденсатора

Энергетически более выгоден второй вариант, рис.15. Бинарные смеси для таких машин имеют следующие особенности:

1) при кипении раствора пары состоят, главным образом, из легко-кипящего агента;

2) теплый жидкий раствор абсорбирует пары легкокипящего агента с более низкой температурой при том же давлении.

ПаР »■

Рис 15 Принципиальная схема термодинамического расчета абсорбционной холодильной ГТ + - теплоподвод к генератору, -О; - отвод тепла из конденсатора, <"0з - теплоподвод к испарителю, -О4 - охлаждение абсорбера

Конденсатор

Генератор

Насос 1 Пар

Кидкость спар ,гтель

Абсор^

Термодинамическое равновесие растворов вытекает из первого закона Коновалова, согласно которому при постоянной температуре раствора давление пара увеличивается с возрастанием концентрации того компонента, который содержится в большем количестве в паровой фазе.

По своей теплофизической природе ТТ идеально подходит для данного решения. Роль насоса жидкой фазы в этом случае выполняют:

- капиллярные силы фитиля,

- эксергетические ресурсы парового потока,

- массовые силы от гравитационного поля и поля центростремительных сил,

- работа сил электрического поля (ЭГД-насос).

В конце девятой главы приводятся примеры построения новых схем

ИКТ для народного хозяйства

1234567 11 8 9

испаритель холодильник конденсатор

+<3и -ИЭх "<3к

Рис. 17. Принципиальная схема модифицированной тепловой трубы с холодильным эффектом (ТТХЭ). 1 - корпус, 2 - фитиль, 3 - испаритель, 4 - сопло эжектора, 5 -осесимметричная вставка, б - камера смешения, 7 - конденсатор, 8 - сопловой аппарат инжектора, 9 - диффузор, 10 - капиллярные канавки специальной формы, 11-холодильная камера, —► - направление движения пара

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые создана установка для комплексного экспериментального исследования гидродинамики и структуры парового потока на основе термопарных и оптических средств контроля: интерферометрии, теневого метода, метода светового «ножа», кинофоторегистрации в плоской низкотемпературной ТТ без адиабатического участка. Выполнен комплекс исследований механизмов теплопереноса на различных теплоносителях в диапазоне изменения радиальных чисел Рейнольдса 0,5 < Яег < 30 (за характерный размер принята высота канала ТТ 5).

2. Методами визуализации течения выявлены следующие процессы: выброс капель из фитиля испарителя;

гетерогенная объемная конденсация в паровом потоке; обширная зона возвратно-вихревого течения в конденсаторе; скачок конденсации на выходе из испарителя при пуске низкотемпературной ТТ;

ламинарный вихревой режим течения пара в испарителе при вдуве Яег = 30 (теплоноситель — ацетон), состоящий из системы попререч-ных вихрей (г - валы) с масштабом 'А 8, которые в области изменения знака расходного воздействия разрушались и трансформировались в мелкомасштабные продольные вихри (X — валы) в конденсаторе с ~ 5/20;

образование на границе зон испарения и конденсации двух поперечных вихрей, вращавшихся по направлению вдув — отток и создававших гидродинамические границы, в пределах которых развивалось течение пара;

инерционный эффект в паре (Яег > 10), приводящий к положительному градиенту давления в конденсаторе, к отрыву пограничного слоя и формированию обширной области возвратно-вихревого течения в конденсаторе.

3. Расшифрованы интерферограммы течения неравновесного парового потока, получены распределения плотности пара поперек канала, энтальпии неравновесного парового потока по ходу течения в испарителе и конденсаторе, определена масса неконденсируемого газа (воздуха) в паровом канале ТТ, оценена влажность пара; выявлен скачок энтальпии на выходе из испарителя, определены потери энергии в этом скачке.

4. Изучены градиенты энтальпии и результаты сопоставлены с визуализированными областями неравновесного парового потока.

5. Расчетно-экспериментальньтми методами установлены факторы, снижающие термодинамическую эффективность теплопереноса в ТТ:

5.1 процесс гетерогенной объемной конденсации в паровом потоке, который обеспечивался: накоплением ядер конденсации за счет выброса капель из фитиля испарителя, пересыщением при вдуве в испарителе, переохлаждением за счет теплоотвода в конденсаторе;

5.2 процессы роста и коагуляции капель, происходящие в поле аэродинамических и гравитационных сил, приводяящие к несимметричному, относительно оси ТТ, расходу конденсированной фазы на поверхности фитиля конденсатора,

5.3 паразитная рециркуляция теплоносителя;

5.4 потери энергии на вращение вихревых структур и перенос капель;

5.5 увеличение удельных тепловых нагрузок, способствующее более глубокому проникновению пара внутрь метастабильной области;

5.6 неравновесное расширение пара с образованием жидкой фазы, снижающее эксергетические ресурсы парового потока.

Из п.5 следует, что равновесное расширение пара энергетически более выгодно, чем неравновесное.

6. Методы, повышающие термодинамическую эффективность тепло-переноса, связаны, прежде всего, с исключением условий для зарождения процесса гетерогенной объемной конденсации. Особенно важные из них:

• очистка теплоносителя от посторонних примесей;

• исключение неконденсируемых газов в паровом тракте;

• снижение гидростатического перегрева теплоносителя;

• снижение удельных тепловых нагрузок;

• организация равномерного вдува (теплоподвода, близкого к изотермичному);

• применение конструкции обратно-менискового испарителя.

7. Мониторинг низкопотенциальных тепловых ресурсов естественной среды выявил достаточно высокий охлаждающий импульс ат-

мосферы для большинства регионов России. Разработаны предложения для утилизации охлаждающего импульса атмосферного воздуха в народном хозяйстве страны.

8. Мониторинг тепловых ресурсов ноосферы позволил выделить наиболее существенный тепловой ресурс - тепло выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Разработаны предложения для утилизации этих ресурсов.

9. Разработана концепция построения принципиальных схем испари-тельно - конденсационных устройств (ИКТ) с новыми теплофизиче-скими и потребительскими качествами. Суть концепции заключается в использовании эксергетических ресурсов парового потока для создания дополнительного к капиллярному механического насоса, путем преобразования кинетической энергии пара в кинетическую энергию жидкости на открытых межфазных поверхностях капиллярных структур при спутном течении пара и жидкости. Целесообразно использовать электрогидродинамический насос для повышения энергетической эффективности ИКТ.

10. Разработаны принципиальные схемы ИКТ для утилизации низкопотенциальных тепловых ресурсов естественной среды и ноосферы.

Основные публикации по теме диссертации

1. Шульц А.Н. Конвективные движения в парогазовом фронте при пуске низкотемпературных тепловых труб //Научные труды/ -М: МЛТИ. -1981. - Вып. 138. -С.62-65.

2. Шульц А.Н. Восстановление работоспособности тепловой трубы//Электроника и счетно-решающая техника в лесной и деревообрабатывающей промышленности. Научные труды МЛТИ./-М: МЛТИ. - 1980. Вып. №129. - С.173-176.

3. Шульц А.Н. Работа тепловых труб в режимах ступенчатого и циклического на-гружений / А.Н. Шульц, Н.В.Некрасова // Электроника и счетно-решающая техника в лесной и деревообрабатывающей промышленности. Научные труды МЛТИ/ -М: МЛТИ. Вып. №136. -1981. - С. 103-107.

4. Шульц А.Н. Исследование нестационарного тепло- и массообмена в жидкоме-таллических тепловых трубах /П.И. Быстров, В.Ф. Гончаров, В.Н., Харченко, А.Н.Шульц //Тепломассообмен -YI: Материалы YI всесоюзной конференции по тепломасообмену/ Минск, 1980/ - Минск: ИТМО АН БССР. - 1980. - T.IY. - С94-99.

5. Shults A.N. Research a stationari heat and mass-transfer in Heat Pipes / P.I. Bystrov, V.N. Kharchenko, A.N. Shults // Heat - Transfer. №3/18. 1982, /Soviet Research (USA). 4/2. - 1982. P. 94-99.

6. Шульц A.H. Определение скоростей испарения и конденсации по длине тепловой трубы в нестационарных условиях/ Б.П. Захаров Б.П., А.Н.Шульц //Научные труды МЛТИ/-М: МЛТИ. -1981. - Вып. 138. - С.57-62.

7. Шульц А.Н. Поверхностная пористость и гидравлический диаметр пористых структур при известной объемной пористости / Б.П. Захаров, В.Н. Харченко, А.Н.Шульц //Научные труды МЛТИ/ -М: МЛТИ. - 1986. -Вып. №182. -С. 117124.

8 Шульц А Н Влияние объемной конденсации на тепломасообмен в низкотемпературной тепловой трубе при наличии неконденсируемого газа / С А Данилов, А И Ивлютин, А.Н. Шульц //Труды второй всесоюзной конференции «Теплофизика и гидрогазодипамика процессов испарения и конденсации» -Рига -1988 -Т II - С 10-11

9 Шульц А Н. Численное исследование процессов кипения и конденсации в пористых теплообменниках / С А. Данилов, А И Ивлютин, А Н. Шульц //Груды второй всесоюзной конференции «Теплофизика и гидрогазодинамика процессов испарения и конденсации»-Рига -1988 -Т. И -С 10-11

10 Авт свид 956937 СССР МКИ3 F25B 45/00. Способ заполнения тепловой трубы/ А Н Шульц и др/СССР/-№3259280/24 Заявлено 06 03 81, опубл 07 09 82 Бюл. №33 -4с

11. Авт свид 877306 СССР МКИ3 F28D 15/00 Регулируемая тепловая труба/ А Н Шульц и др/СССР/ -№2885319/24-06 Заявлено 22.02 80, Опубл 30 10 81 Бюл №40 -4 с

12. Авт. свид. 1663376 А1. СССР МКИ1 F28D 15/02 Тепловая труба/ А Н Шульц и др/СССР/-№4682458 Заявлено 20 04 89 Опубл 15 07 91 Бюл №26 -Зс*

13 Шульц АН "Экспериментальное исследование физических механизмов тепло-массопереноса в паровом канале короткой низкотемпературной тепловой трубы /ПИ Быстров, А Н Шульц, В Н Харченко // Материалы международной школы-семинара «Тепловые трубы- теория и практика (май, 1990 г ) - Минск ИТ-МО им. Лыкова А.Н.БССР 1990 -Ч I -С 63-70

14 Шульц А Н. О физических механизмах переноса тепла, массы и импульса в короткой низкотемпературной тепловой трубе I Гидродинамика парового потока / ПИ Быстров, А И Ивлютин, АН Шульц, В Н. Харченко//ИФЖ 1491 Т60 №1 С 5-12

15 Шульц А.Н. О физических механизмах переноса тепла, массы и импульса в короткой низкотемпературной тепловой трубе. II Структура парового потока / ПИ Быстров, А И Ивлютин, АН Шульц//ИФЖ. 1991.-Т 60 №2 -С 258-266

16 Авт свид 1667546 А1 СССР кл Н 01 В 12/00 Зарегистрировано 01 03 1991 Сверхпроводящий кабель/ АН Шульц, А II Саврухин /СССР/ -№4684449, Заявлено 28.02 89. Зарегистрировано 01 04 91 -4 с

17. Shults А N.. Energetic approach to the problem of heat transfer intensification in heat pipes / A N Shults, V N Kharchenko //8m International Conference Heat Pipe (14-18 September 1992. Beijing) China -4c

18. Shults AN On physical mechanisms of heat, mass and momentum transfer in short low-temperature heat pipe I Hydrodinamic of llov vapour / AN. Shults, P I Bystrov, VN Kharchenko//Heat-Transfer/Soviet Research (USA) 1993 P 5-12

19. Shults A N On physical mechanisms of heat, mass and momentum transfer in short low-temperature heat pipe II Vapour flow structure /AN Shults, P t Bystrov, V.N Kharchenko//Heat - Transfer'Soviet Research (USA) 1993 P 258-266

20. Шульц A H. Интенсификация тегагопереноса в элементах силовой оптики на основе тепловых труб /АН Шульц, В Н, Харченко //Вопросы гидродинамики и теплопередачи в технологических процессах Научные труды МЛТИ/ -М МЛТИ Вып №259 -1993 -С 36-48

21. Шульц А.Н. Интенсификация теплообмена в тепловых трубах для зеркал технологических лазеров / А.Н Шульц, В Н, Харченко // Интенсификация теплообмена Труды первой Российской национальной конф по теплообмену / -М Изд-во МЭИ. -1994. -Т.8. -С. 207-212.

зх

22. Патент №2031347 РФ, 6Р 28 О 15/02. «Тепловая труба»/ А.Н. Шульц и др. /РФ/ №4949383/06. Опубл. 20.03.95. Бюл. №8. -5с.

23. Шульц А.Н. Методы стабилизации вечномерзлых оснований дорог, фундаментных устоев мостов и зданий / А.Н.Шульц, И.Г. Рябинина // Материалы межд. конф. ГСАТ 98 «Передовые технологии на пороге XXI века» (5-9 октября 1998). -М: НИЦ «Инженер», -1998. -Т. 4.1. -С. 351-354.

24. Шульц А.Н. Мониторинг низкопотенциальных тепловых ресурсов и решение проблем их утилизации /А.Н. Шульц // Труды РНКТ-3; 21-25 октября 2002/ -М., Т.1.С. 130-133.

25. Шульц А.Н. Механизмы переноса тепла, массы и импульса в испарительно-конденсационных теплообменниках / А.Н. Шульц // Вестн. Моск. гос. ун-та леса -Лесной вестник.-2000. №2 (И). МГУА. 2е«ФО. С.32-3& ,

26. Шульц А.Н. Новые перспективы использования тепловых труб в народном хозяйстве / А.Н. Шульц // Вестн. Моск. гос. ун-та леса - Лесной вестник.- 2002. №1 (21). - С. 47-50.

27. Шульц А.Н. Исследование теплофизических процессов в устройствах для утилизации низкотемпературного тепла/ А.Н.Шульц, В.Н. Харченко // Вторая межд. научно-практическая конф. (сушка и тепловые процессы) СЭТТ 2005: тр. конф. -Т. 2. -М.: Изд-во ВИМ. -С. 87-90.

28. Шульц А.Н. Выбор оптических методов исследования течений неравновесного парового потока / А.Н. Шульц // Вестн. Моск. гос. ун-та леса - Лесной вестник.- 2006. №6 (48). - С. 135-140.

29. Шульц А.Н. Экспериментальный стенд для исследования оптических неодно-родностей в неравновесном паровом потоке тепловых труб / А.Н. Шульц // Вестн. Моск. гос. ун-та леса - Лесной вестник.- 2006. №3 (45). - С. 203-206.

30. Шульц А.Н. Оптические неоднородности в неравновесном потоке тепловых труб/ А.Н. Шульц // Вестн. Моск. гос. ун-та леса - Лесной вестник.- 2006. № 6 (48).-С. 140-149.

31. Шульц А.Н. Исследование теплофизических процессов в устройствах для утилизации низкопотенциального тепла / А.Н. Шульц // Вестн. Моск. гос. ун-та леса - Лесной вестник,- 2006. №3 (45). - С. 195-203.

32. Шульц А.Н. Модифицированная тепловая труба для утилизации низкопотенциальных тепловых ресурсов / А.Н. Шульц // Сб. науч. тр. докторантов и аспирантов МГУЛ. Вып. 334(7). -2006.-С. 10-12.

33. Шульц А.Н. Потери энергии в паровом потоке тепловых труб / А.Н. Шульц // Сб. науч. тр. докторантов и аспирантов МГУЛ. Вып. 334(7). - 2006. -С. 24-26.

34. Шульц А.Н. Определение энтальпии неравновесного парового потока / А.Н. Шульц // Труды РНКТ-4; 23-27 октября - 2006. -М.: 2006. Т.5. -С. 329-332.

35. Шульц А.Н., Харченко В.Н. Устройства для утилизации низкопотенциальных тепловых ресурсов / А.Н. Шульц, В.Н. Харченко // Труды РНКТ-4; 23-27 октября 2006/ -М.: -2006. Т. 1. -С. 270-273.

Отпечатано в полном соответствии с качеством представленного оригинал-макета Подписано в печать 15.11. 2006. Формат 60x90 1/16 Бумага 80 г/м2 Ризо1рафия. Усл. печ. л. 2,0 Тираж 100 экз. Заказ № 893.

Издательство Московского государственного университета леса 141005, Мытищи-5, Московская обл., 1-ая Институтская, 1, МГУЛ E-mail: izdat@mgul.ac.ru

Условные обозначения.

Индексы.

Введение.

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ТТ.

1.1. Гидродинамика парового потока.

1.2. Тепломассообмен в парогазовой области тепловой трубы при наличии неконденсирующегося газа.

1.3. Устойчивость течения в зоне испарения.

1.4. Устойчивость течения в зоне конденсации.

1.5. Объемная конденсация и структура парового потока.

1.6. Влияние радиации на структуру парового потока.

1.7. Динамика переходных процессов в ИКТ.

1.8. Методы расчета физических ограничений теплопереноса

1.9. Практика расчетов жидкометаллических ТТ.

1.10. Кипение и конденсация в электрическом поле.

1.10.1 Механизмы интенсификации теплообмена электрическим полем при конденсации.

1.11. Повышение эффективности функционирования ИКТ.

1.12. Теоретические основы ЭГД ИКС.

1.13. Методика построения электрогидродинамических испарительно - конденсационных систем (ЭГД - ИКС).

1.14. Сбор конденсата на теплообменной поверхности и его возврат в зону испарения.

1.15. Применение неоднородного электрического поля для прокачки теплоносителя в зону испарения.

1.16. Изменение переносных свойств фитилей электрическим полем.

1.17. Исследование теплообмена в поле центробежных сил.

1.18. Исследование тепло- и массопереноса во вращающейся ТТ

1.19. Выводы к главе

1.20. Постановка задачи исследования механизмов переноса тепла, массы и импульса в ИКТ.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБАХ.

2.1. Оборудование и аппаратура.

2.2. Система измерений.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБАХ.

3.1. Решение обратной задачи нестационарной теплопроводности

3.2. Анализ результатов расчета.

3.3. Выводы к главе 3.

Глава 4. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ И СТРУКТУРЫ ПАРОВОГО ПОТОКА В ИКТ.

4.1. Влияние гетерофазных флуктуаций на показатель преломления рабочей среды.

4.2. Флуктуации энтальпии.

4.3. Рассеяние света в рабочей среде.

4.4 Разработка методики расшифровки интерферограмм

4.5. Разработка методики определения энтальпии неравновесного парового потока в ИКТ.

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЯ НЕРАВНОВЕСНОГО ПАРОВОГО ПОТОКА.

5.1. Приборы и оборудование экспериментального стенда.

5.2. Рабочий участок (модель ТТ).

5.3. Минимизация дифракционных искажений в рабочем участке.

5.4. Настройка интерферометра.

Глава 6. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ОПТИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В НЕРАВНОВЕСНОМ ПАРОВОМ ПОТОКЕ ИКТ.

6.1. Результаты визуализации неравновесного парового потока.

6.2. Обработка результатов эксперимента по визуализации течения.

6.3. Определение энтальпии неравновесного парового потока.

6.4. Определение содержания НКГ в ТТ.

6.5. Гидродинамика парового потока.

6.6. Устойчивость парового потока в ИКТ.

6.7. Гидродинамика парового потока при наличии НКГ.

6.8. Структура парового потока.

6.9. Обсуждение результатов эксперимента по структуре неравновесного парового потока.

6.10. Оценка степени метастабильности неравновесного парового потока.

6.11. Скачок конденсации при запуске ТТ.

6.11.1. Результаты визуализации теневым методом.

6.11.2. Влияние скачка конденсации на переходные процессы в ИКТ.

6.11.3. Динамика переходных процессов в ИКТ.

6.12. Параметрическая оценка кинетики образования зародышей жидкой фазы в неравновесном паровом потоке ИКТ.

6.13. Оценка погрешности интеференционных измерений.

6.14. Выводы к главе 6.

Глава 7. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ СОЗДАНИЯ ИКТ.

7.1. Термодинамический цикл ИКТ.

7.2. Физические механизмы интенсификации теплопереноса.

7.2.1. Взаимодействие струй на межфазной границе.

7.3. Термодинамический подход к проблеме интенсификации теплопереноса.

7.4. Влияние полей сил инерции.

7.6. Выводы к главе 7.

Глава 8. МОНИТОРИНГ ТЕПЛОВЫХ РЕСУРСОВ

ЕСТЕСТВЕННОЙ СРЕДЫ И НООСФЕРЫ.

8.1. Мониторинг тепловых ресурсов естественной среды.

8.2. Динамика глобальных климатических процессов и их влияние на распределение охлаждающего импульса атмосферы.

8.3. Мониторинг тепловых ресурсов ноосферы.

8.4. Выводы к главе 8.

Глава 9. КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ

ИКТ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ РЕСУРСОВ

ЕСТЕСТВЕННОЙ СРЕДЫ И НООСФЕРЫ.

9.1. Анализ энергетической эффективности ИКТ.

9.2. Оценка энергетической эффективности предлагаемых схем ИКТ.

9.3. Роль бинарных смесей для получения новых теплофизических свойств ИКТ.

9.4. Расчетная схема ИКТ.

9.5. Пример расчета однокомпонентной пароэжекторной холодильной машины на основе ИКТ.

Выводы к главе 9.

Стремительное развитие ноосферы сопровождается ростом энергопотребления и, как следствие этого, деградацией естественных энергетических ресурсов, прежде всего, запасов нефти и газа. В современных условиях мировое сообщество считает одной из своих приоритетных задач создание глобальной системы энергетической безопасности. Это вынуждает многие государства создавать свои собственные национальные проекты по развитию технологий утилизации вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) и естественных низкопотенциальных источников энергии. е, т у.т./год • чел

Е, Гт у.т./год

1850

1900

1950

2000

Рис.1. Полное (Е) и приходящееся на душу населения (е) потребление энергии 25 в мире за последние 150 лет и прогнозы энергопотребления с указанием года публикации. 15 Института атомной энергии, 1987 г.

• - Международного института 1Q прикладного системного анализа, 1981 г.

- Межправительственной комиссии по 5 изменению климата (РСС), 1984 г. и- Лаборатории глобальных проблем 0 энергетики МЭИ, 1991 г.

Мониторинг естественных низкопотенциальных источников энергии, таких как солнце, тепло грунта, грунтовых вод, биомассы, охлаждающего импульса атмосферного воздуха, показывает, что их энергии оказывается достаточно для решения большинства народнохозяйственных задач. Например: обогрев почвы и воздуха животноводческих комплексов в холодное время года, размораживание фунта при строительстве, погрузке и разгрузке на железнодорожном транспорте и морских судах. Обогрев почвы в теплицах позволяет получать урожаи клубники до 50 т/га (на 400% больше, чем в необогреваемом грунте), картофеля - до 30 т/га, при высоком качестве клубней и на месяц раньше контрольного срока [1,2].

Известна проблема потери прочности оснований дорог, фундаментных устоев мостов и зданий в районах вечной мерзлоты. Она может быть успешно решена замораживанием грунта за счет естественного охлаждающего импульса атмосферного воздуха [3]. Замораживание и охлаждение грунта также целесообразно для создания подземных аккумуляторов холода, используемых в летнее время для продуктовых складов - холодильников или в системах кондиционирования помещений, промышленных зон, горнорудных шахт, [4].

Актуальна также проблема загрязнения атмосферы продуктами антропогенного происхождения, в их числе, например, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Утилизация тепла выхлопных газов ДВС транспорта могла бы частично снять остроту данной проблемы [6].

Термостабилизация таких теплонапряженных объектов как зеркала технологических лазеров или СВЧ - устройств, рис. 1, требует утилизации высоких удельных тепловых потоков q ~ 100 1000 Вт/см .

Многие из вышеперечисленных проблем могут быть решены с помощью испарительно-конденсационных устройств (ИКТ). Классическими представителями устройств данного типа являются тепловые трубы (ТТ). Они являются эффективными проводниками тепла, внутреннее термическое сопротивление которых составляет ~ 0,01 К/Вт. С их помощью можно не только передавать тепловой поток на значительные расстояния, но и собирать вместе рассеянные источники энергии малой плотности, трансформировать их в локальный источник повышенной плотности и наоборот [1,2].

Круг задач, решаемых с помощью ТТ традиционного исполнения, достаточно широк, но ограничен в силу теплофизической природы ТТ. Так, например, их нельзя использовать в качестве теплового насоса.

Мощным стимулом для развития исследований и применения их результатов на практике были работы, посвященные интенсификации тепло- и массопереноса воздействием на паровой поток и жидкость полями различной природы, ультразвуковыми волнами [121], электрическими полями [85]. Особое значение имеют работы, посвященные исследованию процессов кипения и конденсации в пористых теплообменниках [109,110, 122-124], и новые подходы к проектированию капиллярно-пористых структур [78].

Новые теплофизические свойства можно придать ТТ путем обоснованного изменения термодинамического цикла работы этих устройств. Следствием этого является возникновение потребительских качеств, ранее им недоступных [6-9].

Рис.2. Теплообменное устройство

По определению создателей тепловых труб - это теплообменные устройства, в которых замкнутая циркуляция теплоносителя обеспечивается капиллярными силами фитиля или массовыми силами.

Но замкнутая циркуляция теплоносителя может обеспечиваться физическими факторами другой природы. Например, неоднородным электрическим полем. Тогда такие устройства называются электрогидродинамическими испарительно-конденсационными системами (ЭГД-ИКС). В данной работе будут рассматриваться все известные воздействия для обеспечения эффективной работы предлагаемых устройств, например - эксергетические ресурсы парового потока. Поэтому им следует дать и более общее определение. В дальнейшем, при изложении материала, необходимого для обоснования таких устройств, они будут называться испарительно-конденсационными теплообменниками (ИКТ).

В этой связи возникает необходимость выявить факторы, ограничивающие максимально достижимый теплоперенос, наметить пути обоснованного изменения принципиальной схемы парожидкостного тракта, определить целесообразность использования физических факторов, интенсифицирующих теплоперенос: электрических полей, электромагнитных волн, естественной радиоактивности в пределах допустимых доз, рассмотреть целесообразность использования бинарных смесей, реакций абсорбции - десорбции, и так далее [6].

Целью работы является исследование механизмов переноса массы, тепла и импульса в испарителъно-конденсационных теплообменниках для объективного обоснования концепции построения новых теплотехнических устройств, предназначенных для утилизации тепловых ресурсов естественной среды и ноосферы.

Поставленная цель достигается путем

1. исследования механизмов переноса тепла, массы и импульса в ТТ и получения необходимых для построения новых теплотехнических устройств (ИКТ) следующих данных:

- факторов, ограничивающих максимально достижимый теплоперенос;

- путей и рациональных методов интенсификации теплопереноса в ИКТ;

- принципиальных схем ИКТ, расширяющих их теплофизические свойства и потребительские качества;

2. мониторинга тепловых ресурсов:

2.1. - естественной среды;

2.2. - ноосферы;

3. обоснования концепции построения новых принципиальных схем ИКТ для утилизации тепловых ресурсов естественной среды и ноосферы и рассмотрения в качестве примеров конкретные принципиальные схемы теплотехнических аппаратов.

Решение поставленной цели позволяет:

1. расширить область применения ИКТ в народном хозяйстве,

2. снизить капитальные затраты на производство энергетического оборудования,

3. увеличить энергетическую эффективность существующих теплообменных устройств,

4. получить новые потребительские качества теплообменных устройств (холодильных машин, тепловых насосов),

5. утилизировать тепловые ресурсы естественной среды,

6. утилизировать тепловые ресурсы ноосферы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые создана установка для комплексного экспериментального исследования гидродинамики и структуры парового потока на основе термопарных и оптических средств контроля: интерферометрии, теневого метода, метода светового «ножа», кинофоторегистрации в плоской низкотемпературной ТТ без адиабатического участка. Выполнен комплекс исследований механизмов теплопереноса на различных теплоносителях в диапазоне изменения радиальных чисел Рейнольдса 0,5 < Rer < 30 (за характерный размер принята 5 - высота канала ТТ).

2. Методами визуализации течения выявлены следующие процессы: выброс капель из фитиля испарителя; гетерогенная объемная конденсация в паровом потоке; обширная зона возвратно-вихревого течения в конденсаторе; скачок конденсации на выходе из испарителя при пуске низкотемпературной ТТ; при вдуве Rer = 30 (теплоноситель - ацетон) реализация в испарителе ламинарного вихревого режима течения пара, состоящего из системы попреречных вихрей (Z - валов) с размерами Уз 5, которые в области изменения знака расходного воздействия разрушались и трансформировались в мелкомасштабные продольные вихри (X - валы) с размерами ~ 5/20; образование на границе зон испарения и конденсации двух поперечных вихрей, вращающихся по направлению вдув - отсос и создающих гидродинамические границы, в пределах которых развивается течение пара; возникновение обширной области возвратно-вихревого течения в конденсаторе за счет инерционного эффекта в паре (Rer > 10), который приводил к положительному градиенту давления в конденсаторе и к отрыву пограничного слоя.

3. Расшифрованы интерферограммы течения неравновесного парового потока, получены распределения плотности пара поперек канала, энтальпии неравновесного парового потока по ходу течения в испарителе и конденсаторе, оценена влажность пара; выявлен скачок энтальпии на выходе из испарителя, определены потери энергии в этом скачке.

4. Изучены градиенты энтальпии и результаты сопоставлены с визуализированными областями неравновесного парового потока.

5. Расчетно-экспериментальными методами установлены факторы, снижающие термодинамическую эффективность теплопереноса в ТТ:

5.1 процесс гетерогенной объемной конденсации, обеспечиваемый: накоплением ядер конденсации за счет выброса капель из фитиля испарителя, пересыщением пара при вдуве в испарителе, переохлаждением пара за счет теплоотвода в конденсаторе;

5.2 - процессы роста и коагуляции капель, происходящие в поле аэродинамических и гравитационных сил, приводящие к несимметричному, относительно оси ТТ, расходу конденсированной фазы на поверхности фитиля конденсатора;

5.3 - паразитная рециркуляция теплоносителя;

5.4 - потери энергии на вращение вихревых структур и перенос капель;

5.5 - увеличение удельных тепловых нагрузок, способствующее более глубокому проникновению пара внутрь метастабильной области;

5.6 - неравновесное расширение пара с образованием жидкой фазы, снижающее эксергетические ресурсы парового потока.

Из п.5 следует, что равновесное расширение пара энергетически более выгодно, чем неравновесное.

6. Методы, повышающие термодинамическую эффективность теплопереноса, связаны, прежде всего, с исключением условий для зарождения процесса гетерогенной объемной конденсации. Из них особо важны:

• очистка теплоносителя от посторонних примесей;

• исключение неконденсируемых газов в паровом тракте;

• снижение гидростатического перегрева теплоносителя;

• снижение удельных тепловых нагрузок;

• организация равномерного вдува (теплоподвода, близкого к изотермичному);

• применение конструкции фитиля, построенной по принципу обратно-менискового испарения.

7. Мониторинг низкопотенциальных тепловых ресурсов естественной среды выявил достаточно высокий охлаждающий импульс атмосферы для большинства регионов России. Разработаны предложения для утилизации охлаждающего импульса атмосферного воздуха в народном хозяйстве страны.

8. Мониторинг тепловых ресурсов ноосферы позволил выделить наиболее существенный тепловой ресурс - тепло выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Разработаны предложения по утилизации этих ресурсов.

9. Разработана концепция построения принципиальных схем испарительно - конденсационных устройств (ИКТ) с новыми теплофизическими и потребительскими качествами. Суть концепции заключается в использовании эксергетических ресурсов парового потока для создания дополнительного к капиллярному механического насоса путем преобразования кинетической энергии пара в кинетическую энергию жидкости на открытых межфазных поверхностях капиллярных структур при спутном течении пара и жидкости.

10. Разработаны принципиальные схемы ИКТ для утилизации низкопотенциальных тепловых ресурсов естественной среды и ноосферы. Предложенные схемы допускают применение электрогидродинамических насосов и электрических полей . 11. Эксергетические ИКТ предпочтительнее электрогидродинамических испарительно - конденсационных систем (ЭГД-ИКС) по следующим причинам: электрические поля и разряды в парожидкостном потоке ускоряют термохимическое разложение теплоносителя, коррозию конструкционных элементов тракта, способствуют неконтролируемому накоплению в парожидкостном тракте неконденсируемых газов.

1. Case. Histories. Heat Recovery Systems. 1985. №P. 265-271.

2. Васильев JI. Jl. Тепловые трубы для нагрева и охлаждения грунта // ИФЖ. т. 52. № 4. с 676-687.

3. Fukuda М., Tsuchiya F. Ryokai К., Mochizuki М., Mashiko К. Development of artificial permafrost storage using Heat Pipes // The 3 rd International Heat Pipe Symposium. Tsukuda. Sept. 1988. pp. 285-289.

4. Клименко B.B. Мониторинг глобальных климатических процессов // Тр. межд. конф. "Математические и физические методы в экологии имониторинг природной среды". (23-25 октября 2001). М., МГУЛ. 2001. С. 43-52.

5. Шульц А.Н. Мониторинг низкопотенциальных тепловых ресурсов и решение проблем их утилизации// Труды РНКТ-3; 21-25 октября 2002/ М.: Т.1. С. 130-133.

6. Патент № 2031347 РФ, 6 F 28 D 15/02 «Тепловая труба»/ А.Н. Шульц и др./РФ/№4949383. Опубл. 20.03.95. Бюл. №8 -5с.

7. Авт. свид. 877306 СССР МКИ3 F28D 15/00. Регулируемая тепловая труба/ А.Н.Шульц и др./СССР/. -№2885319/24-06. Заявлено 22.02.80; Опубл. 30.10.81. Бюл. № 40. -4 с.

8. Авт. свид. 1663376 А1. СССР МКИ1 F28D 15/02. Тепловая труба/ А.Н.Шульц и др./СССР/.-№4682458. Заявлено 20.04.89. Опубл. 15.07.91. Бюл. № 26. -3 с

9. Cotter Т.Р. Theory of heat pipe/LA-MS-32466, 1955.

10. Terrill R. M. and Thomas P.W. On laminar Flow Through a Uniformly Porous Pipe/ Applied Scince Research, vol.21, 1969, pp. 37-67.

11. Berman A.S. Effect of Porous Boundaries on the Flow of Fluids in Systems with Various Geometries// Proceedings of the .International Conference of Peaceful Use of Atomic Energy, vol/ 4/ 1958. pp. 351-358.

12. Quaile J.P. and Levi E.K. Laminar Flow in ASME Journal of Heat Transfer, vol. 97. pp. 66-71.

13. Bankston C.A., Smith H.D. Incompressible laminar vapor flow in cylindricfl Yeat Pipes// ASME Paper. №710WA/HT-15.1971.

14. Lomax H. and Steger J.L. Relaxation Method of Fluid Mechanics, vol.7. 1975. pp.63-88.

15. Tien G.L. and Rohani A.R. Analysis of the Effects of vapor Pressure Drop on Heat Pipe Perfomance//Jnternational Journal of Heat Mass Transfer, vol. 17. 1974. hh. 61-77.

16. Tien G.L. Fluid Mechanics of Heat Pipes//Annual Review of Fluid Mechanics, vol. 7. 1975. pp. 167-185.

17. Ван Ойен X., Хогендорн К.Дж. Расчеты течения пара в плоской тепловой трубе//Ракетныя техника и космонавтика. 1979. Т. 17. №11. С. 122-132.

18. Knight B.W. and Mclnter В.В. Laminar .Incompressible Flow in Chnnells with Porous Walls. LADC-5309.

19. Быстров П.И. Газодинамика парового потока в тепловых трубах//Тепловые трубы: Теплообмен, гидродинамика, технология. Обнинск. ФЭИ. 1980.4.1. С. 41-59.

20. Покандюк Г.И. Методы расчета и исследование характеристик потоков в проницаемых каналах и тепловых трубах: Автореферат дисс. канд техн. наук М.: МЭИ. 1989. С. 8-15.

21. Михайлов B.C., Крапивин A.M., Быстров П.И. и др. К вопросу гидродинамики каналов с пористыми стенками // ИФЖ.1972. Т. 23, №4. с. 589-596.

22. Галактионов В.В., Парфентьева А.А., Портнов В.Д., Сасин В.Я. Исследование границы парогазового фронта в конденсаторе плоской газорегулируемой тепловой трубы. // ИФЖ. 1982. Т.З.

23. Быстров П.И., Михайлов B.C., Покандюк Г.И. К расчету газодинамических характеристик турбулентного потока в зоне конденсации тепловых труб//ТВТ. 1987. Т.25. №4. С. 803-805.

24. Быстров П.И., Попов А.И. Исследование характеристик тепловых труб с жидкометаллическими теплоносителями в низкотемпературных режимах//ТВТ. 1976. Т. 14. №3. с. 629.

25. Каданер Я.С., Рассадкин Ю.Ф. Ламинарное течение пара в тепловой трубе//ИФЖ. 1975. Т.28. С.208-216.

26. Конев С.В. Теплообмен в газорегулируемых тепловых трубах//Сб. научных трудов «Интенсификация процессов переноса энергии и вещества в пористых средах при низких температурах»/Минск. 1985. ИТМО АН БССР.

27. ЗО.Эдвардс Д.К., Маркус Б.Д. Теплообмен в окрестности парогазового фронта в тепловых трубах//Тр. американского об-ва инженеров-механиков. Серия С. Теплопередача. 1972. Т.94. №2. С. 31-40.

28. ЗЬРохани А.Р. Дянь К.Л. Стационарный тепло- и массообмен в парогазовой области тепловой трубы, заполненной неконденсирующимся газом, двумерное приближение// Тр. американского об-ва инженеров-механиков. Серия С.//Теплопередача. 1973. Т.95. №3 С. 92-98.

29. Воропаев В.Н., Ягодкин В.И. Об устойчивости некоторых непараллельных течений вязкой несжимаемой жидкости в канале.//МЖГ. 1970. Вып. №4. С. 125-129.

30. Варапаев В.Н., Ягодкин В.И. Об устойчивости течения в каналах с проницаемыми стенками//МЖГ. 1969. №5. С. 91-95.

31. Варапаев В.Н. Течение вязкой жидкости в начальном участке плоского канала с пористыми стенками//МЖГ. 1969. №4. С. 179-181.

32. Ермаков A.J1., Ерошенко В.Н., Мотулевич В.П. и др. Экспериментальное исследование устойчивости течения при интенсивном вдуве//МЖГ. 1972. №6. С. 114-123.

33. Ерошенко В.М. и др. Устойчивость ламинарного пограничного слоя на проницаемой пластине при равномерном вдуве//ТВТ. Т.22. №1. С. 8586.

34. Ерошенко В.М., Зайчик Л.И., и др. Об устойчивости течения жидкости в плоском канале с равномерным вдувом или отсосом через проницаемые стенки.//ИФЖ. 1981. Т. №3. С. 436-440.

35. Ерошенко В.М., Зайчик Л.И., и др. Расчет характеристик устойчивости пограничного слоя со вдувом при наличии отрицательного градиента давления.//МЖГ. 1984. №2. С. 60-64.

36. Berman A. Laminar flow in channels with porous walls//J/ Appl. Phys., 1953. vol. 24. p. 1232.

37. Браиловская И.Ю. Расчет обтекания угла потоком вязкого сжимаемого газа// Изв. ФН СССР. МЖГ. 1967. №3.

38. Chen T.S. Huang L.M. Hydrodinamic Stability of Boudary Layers with Surface Suction//AJAA Journal. 1972. vol. №10. pp. 1366-1367.

39. Byron Drown. A stability criterion for three dimensional laminar boundary layers//boundary laers and flow control. 1962. vol.2.

40. Ивановский M.H., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Физические основы тепловых труб. М., 1978.

41. Levy Е.К. Theoretical investigation of heat pipes operating at low vpor pressures// J. Engng Jndustry. 1968. vol. 90.

42. Levi E.K., Choy S.F. The sonic limits in sodium heat pipes//FSME Paper 71-WA/HT-11. 1971.

43. Петрова И.В. Разработка методов расчета нестационарных процессов размораживания теплоносителя при запуске тепловых труб. Дисс. канд. техн. наук. М.: 1983. с. 185.

44. Shults A.N. On physical mechanisms of heat, mass and momentum transfer in short low-temperature heal pipe. 11. Vapour flow structure / A.N. Shults, P.I. Bystrov, V.N. Kharchenko //Heat Transfer/ Soviet Research (USA). 1993. P. 258-266.

45. Конев С.В., Хроленок В.В. Анализ влажности пара в тепловой трубе. Тепломассообмеп YI. Материалы YI всесоюзной конференции по теплообмену. Минск. 1980. T.IY. 4.2. С. 87-93.

46. Селезнев JI.H. Паровые и газовые турбины/М.: Учебное пособие МЭИ.1985. С. 32-42.

47. Шнейдман В.А. Нестационарное зародышеобразование при фазовых переходах 1-го рода. Автореферат дисс. канд. физ. мат. наук. Харьков.1986. 15с.

48. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. М.: Наука. 1976. 296с.

49. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред/М.: Энергия. 1968.423с.

50. Павлов П.А. Динамика вскипания сильно перегретых жидкостей/Под ред. Скрипова В.П. Свердловск. АН СССР. 1988. 243с.

51. Kantrowitz J.K. Thermodinamics. New Jork. 1947.

52. Шульц А.Н. Конвективные движения в парогазовом фронте при пуске ; низкотемпературных тепловых труб //Научные труды/ -М: МЛТИ.1981. Вып. 138.-С.62-65.

53. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкости/Изд-во АН СССР. 1945.

54. Thomson W. Proc. Roy. Soc. Edinburgh. 1870. №4.

55. Шульц А.Н. Восстановление работоспособности тепловой трубы//Электроника и счетно-решающая техника в лесной и деревообрабатывающей промышленности. Научные труды МЛТИ./-М: МЛТИ. 1980. Вып. №129. - С. 173-176.

56. Шульц А.Н. Исследование нестационарного тепло- и массообмена в жидкометаллических тепловых трубах /П.И. Быстров В.Ф. Гончаров

57. B.Н. Харченко А.Н.Шульц //Тепломассообмен -YI: Материалы YI всесоюзной конференции по тепломасообмену/ Минск, 1980/ Минск: ИТМО АН БССР. - 1980. - T.IY. - С94-99.

58. Shults A.N. Research a stationari heat and mass-transfer in Heat Pipes / P.I. Bystrov, V.N. Kharchenko, A.N. Shults // Heat Transfer. №3/18. 1982. /Soviet Research (USA). 4/2. - 1982. P. 94-99.

59. Шульц А.Н. Определение скоростей испарения и конденсации по длине тепловой трубы в нестационарных условиях / Б.П. Захаров Б.П., А.Н.Шульц //Научные труды МЛТИ/-М: МЛТИ. -1981. Вып. 138.1. C.57-62.

60. Zimmerman Р/ Dynamic behavior of heat pipes//JEEE/ Thermionic Conversion Specialist Conference. 1970. pp. 567-570.

61. Барсуков В.В., Демидюк В.И., Смирнов Г.Ф. Математическая модель и экспериментальные исследования режимов пуска низкотемпературных нерегулируемых тепловых труб//ИФЖ. 1978. T.XXY. №3. С. 433-440.

62. Shults A.N. On physical mechanisms of heat, mass and momentum transfer in short low-temperature heat pipe. I. Hydrodinamic of flov vapour / A.N. Shults, P.I. Bystrov, V.N. Kharchenko //Heat Transfer/ Soviet Research (USA). 1993. P. 5-12.

63. Жидкометаллические теплоносители тепловых труб и энергетических установок/ Быстров П.И., Каган Д.Н., Кречетова Г.А., Шпильрайн Э.Э. М.: Наука, 1988. 263 с. ISBN 5-02- 0065888-9.

64. Велкофф, Миллер. Конденсация пара на вертикальной пластине при поперечном электростатическом поле//Теплопередача. 1965. №2. С. 4449.

65. Dyakowski Т., Trommelmans J., Bergherams J. Theoretical investigation of the effect of an electric field upon vertical plate condensation heat transfer//Heat transfer/ 1982. Proc. 7th Int. Conf. 1982. Vol. 1-5. pp/ 65-70.

66. Didkowsky A.B., Bologa M.K., Film Condensation Heat Transfer and Hydrodynamic under the Influence of an electric Field//Int.J. Heat Mass Transfer. 1981. 16c.

67. Дидковский А.Б. Теплообмен при пленочной конденсации чистого пара в электрическом поле: Дис. .канд. техн. наук. Одесса. 1978. 137 с.

68. Гогомин И.И., Сосунов В.И., Лазарев С.И., Кабов О.А. Исследование теплообмена при конденсации неподвижного пара на пакетахгоризонтальных труб различного диаметра//Теплоэнергетика. 1983. №3. С. 17-19.

69. Болога М.К., Смирнов Г.Ф., Дидковский А.Б., Климов С.М. /Теплообмен при кипении и конденсации в электрическом поле. Кишинев: Штиинца. 1987. 239с.

70. Аполлонов В.В. Перспективы использования пористых структур для охлаждения элементов силовой оптики//Квантовая электроника. 1979. Т.6. №12. С.2533-2543.79.3аявка 55-44320 Японии, МКИ4 F28 F 13/16.

71. Дан П., Рей Д. Тепловые трубы/М.: Энергия. 1979. 272с.

72. Русаков Ф.И. О связи между теплотой испарения и поверхностной энергией// Докл. АН СССР. 1981. С. 700-703.

73. Савиных Б.В. Влияние высокочастотных электрических полей на теплопроводность жидкостей: Автореф. дис. .канд. техн. наук. Казань. 1975. 16с.

74. Остроумов Г.А. Взаимодействие электрических и гидромеханических полей./Физические основы электродинамики. М.: Наука. 1979. 320.

75. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред./Серия: Теоретическая физика. Т. YIII. М.: Наука. 1982. 620с.

76. Болога М.К., Савин И.К. Электрогидродинамические испарительно-конденсационные системы/Кишинев, Штиинца. ИПФ АН МССР. 1991. /ISBN 5-376-00980-7. 270с.

77. Левченко Н.М. Исследование теплообмена криогенных жидкостей в поле центробежных сил // ИФЖ.Т.2. №3. 1986. С. 367 374.

78. Левченко Н.М. Интенсивность теплоотдачи и режимы теплообмена при кипении криогенных жидкостей//Харьков. Препринт АН УССР. ФТИНТ№13. С.107-109.

79. Кириченко Ю.А., Козлов С.А., Левченко Н.М.//ИФЖ. 1982. Т. 42. №2. С.207-213.

80. Ponapan R., Lcland J.E. Rotating heat pipe for cooling of rotor in advanced generators/УПИК ВИНИТИ ЦИОНТ№б. С. 1-10.

81. Van Andel E. Heat pipe design theory//Jn. Proc. Jntern. Conf. on Thermionic Electrical Power Generation. Strea. Jtaly. 1968.

82. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. Учебное пособие. -2-е изд., испр. М.: Наука. 1985. 752 с.

83. Hannes И,. Inerferometrische Messung der thermishen Energie von elektrischen Funken, Forsch. Geb. Wes., №29, (1963). 169-175 p.

84. Хауф В., Григуль У. Оптические методы в теплопередаче/ «М.: МИР». 1973.223с.

85. Шульц А.Н. О физических механизмах переноса тепла, массы и импульса в короткой низкотемпературной тепловой трубе. I. Гидродинамика парового потока //П.И. Быстрой, А.И. Ивлютин, А.Н. Шульц, В.Н. Харченко //ИФЖ. 1991. Т.60. №1. С. 5-12.

86. Шульц А.Н. Механизмы переноса тепла, массы и импульса в испарительно-конденсационных теплообменниках// Лесной вестник. 2000 №2(11)/ -М.: МГУЛ, 2000. С. 32-38.

87. Шульц А.Н. Экспериментальный стенд для исследования оптических неоднородностей в неравновесном паровом потоке тепловых труб / А.Н. Шульц // Вестн. Моск. гос. ун-та леса Лесной вестник.- 2006. №3 (45). - С. 203-206.

88. Шульц А.Н. Оптические неоднородности в неравновесном потоке тепловых труб/ А.Н. Шульц // Вестн. Моск. гос. ун-та леса Лесной вестник.- 2006. № 6 (48). - С. 140-149.

89. Шульц А.Н. О физических механизмах переноса тепла, массы и импульса в короткой низкотемпературной тепловой трубе. II. Структура парового потока / П.И. Быстрой, А.И. Ивлютин, А.Н. Шульц // ИФЖ. 1991.-Т.60. №2.-С. 258-266.

90. Шульц А.Н. Потери энергии в паровом потоке тепловых труб / А.Н. Шульц // сб. науч. тр. аспирантов и докторантов Моск. гос. ун-та леса. 2006. -Зс.

91. Шульц А.Н. Определение энтальпии неравновесного парового потока / А.Н. Шульц // Труды РНКТ-4; 21-25 октября 2006. -М.,2006. Т.5.-С. 329-332.

92. Laufer J., Investigation of turbulent flow in a two dimensional chanel, NASA TN №2123, also TR 1053, 1951.

93. Шифрин К.С., Голиков В.И. Определение спектра капель методом малых углов.//Тр. Межв. конф. по исследованию облачности. АН СССР. 1960.

94. Oswatitsch К. Die Nebelbildung in windkanalen und Einfluss auf Modellversuche//Jahrbuch der Deutschen Luftfahrtforschung.1941. T.l. №1.

95. Синайский Э.Г., Меньшов В.Н. Конденсация и коагуляция капель в процессе дросселирования газа.//ИФЖ. 1987. Т.52. №1. С. 19-24.

96. Бай Ши-И. Турбулентное течение жидкостей и газов / Бай Ши-И. -М.: Изд-во иностр. литер. 1962. 344 с.

97. Шульц А.Н. Интенсификация теплопереноса в элементах силовой оптики на основе тепловых труб / А.Н. Шульц, В.Н., Харченко //Вопросы гидродинамики и теплопередачи в технологических процессах. Научные труды МЛТИ/ -М: МЛТИ. Вып. №259. -1993. -С. 36-48.

98. Шульц А.Н. Интенсификация теплообмена в тепловых трубах для зеркал технологических лазеров / А.Н. Шульц, В.Н., Харченко // Интенсификация теплообмена: Труды первой Российской национальной конф. по теплообмену./-М: Изд-во МЭИ. -1994. -Т.8. -С. 207-212.

99. Шульц А.Н. Поверхностная пористость и гидравлический диаметр пористых структур при известной объемной пористости / Б.П. Захаров Б.П., В.Н. Харченко, А.Н.Шульц //Научные труды МЛТИ/ -М: МЛТИ. -1986.-Вып. №182. -С. 117-124.

100. Авт. свид. 956937 СССР МКИ3 F25B 45/00. Способ заполнения тепловой трубы/А.Н.Шульц и др./СССР/ -№3259280/24. Заявлено 06.03.81; опубл. 07.09.82. Бюл. № 33. -4с.

101. Хуфшмидт В., Бурк Е., Кола Г., Хофман Г. Влияние касательных напряжений, возникающих при движении пара, на ламинарный поток жидкости в капиллярах тепловых труб.//Сб. Тепловые трубы. М.: «МИР». 1972. 203с.

102. Shults A.N., Exergetic approach to the problem of heat transferthintensification in heat pipes / A.N. Shults, V.N. Kharchenko //8 International Conference Heat Pipe.(14-18 September 1992. Beijing) China. Preprint A-P3

103. Авт. свид. 1667546 Al. СССР МКИ1 H 01 В 12/00. Сверхпроводящий кабель/ А.Н.Шульц и др./СССР/.-№4684449. Заявлено 28.02.89. 4с.

104. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика/М.: «Наука». 1969. С.31-32.

105. Шульц А.Н. Новые перспективы использования тепловых труб в народном хозяйстве / А.Н. Шульц // Вестн. Моск. гос. ун-та леса -Лесной вестник.- 2002. №1 (21). С. 47-50.

106. Шульц А.Н. Исследование теплофизических процессов в устройствах для утилизации низкопотенциального тепла / А.Н. Шульц // Вестн. Моск. гос. ун-та леса Лесной вестник.- 2006. №3 (45). - С. 195203.

107. Шульц А.Н. Модифицированная тепловая труба для утилизации низкопотенциальных тепловых ресурсов / А.Н. Шульц // сб. науч. тр. аспирантов и докторантов Моск. гос. ун-та леса. 2006. -Зс.

108. Шульц А.Н., Харченко В.Н. Устройства для утилизации низкопотенциальных тепловых ресурсов / А.Н. Шульц, В.Н. Харченко // Труды РНКТ-4; 23-27 октября 2006/ -М. 2006. Т.1.-С. 270-273.

109. Аполлонов В.В., Прохоров A.M. и др. Ультразвуковая интенсификация тепломассопереноса в тепловых трубах для охлаждения лазерных зеркал (англ)//Научн. тр. МЛТИ. Вып. 205. 1988.

110. Аполлонов В.В., Прохоров A.M. и др. Разработка и исследование тепловых труб для охлаждения и термостабилизации зеркал технологических лазеров//Тезисы доклада Минского межд. форума по теплообмену. Минск. 1988.

111. Аполлонов В.В. и др. Теплофизика охлаждаемой оптики на основе новых типов проницаемых структур//Сб. «Тепломассообмен ММФ» Минск. Проблемные докл. Секция 10-11. 1988.

112. Шульц А.Н. Выбор оптических методов исследования течений неравновесного парового потока / А.Н. Шульц // Вестн. Моск. гос. ун-та леса-Лесной вестник,-2006. №6 (48). С. 135-140.

113. М. Fukuda, F. Tsuchiya, К. Ryokai, М. Mochizuki, К. Mashiko «Development of artificial permafrost storage using heat pipes»//The 3rd International Heat Pipe Symposium. Tsukuba. Sept. 1988. pp. 285-289.