Тепло- и массоперенос в двухфазных теплопередающих системах с капиллярными насосами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

^ # £ #

На правах рукописи

ПОГОРЕЛОВ Николай Павлович

ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОС В ДВУХФАЗНЫХ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩИХ СИСТЕМАХ С КАПИЛЛЯРНЫМИ

НАСОСАМИ

Специальность 01. 04. 14 - теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург 1997

Работа выполнена в НИИ физики и прикладной математики при Ураль ском государственном университете им. A.M. Горького.

Научный руководитель — кандидат физико-математических наук,

доцент В.М. КИСЕЕВ.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Г.П. ЯСНИКОВ. кандидат физико-математических наук, Б.А. КОРОБИЦЫН

Ведущая организация — Институт теплофизики УрО РАН.

Зашита состоится 1997 г. в час._мин. на засе

дании специализированного совета К 063.14.11 по присуждению учены: степеней кандидатов наук при Уральском государственном техническо; университете - У ПИ в ауд._

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, проси! направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, УГТУ - УПИ, фнош технический факультет, ученому секретарю совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке технического уш верситета

Автореферат разослан " 1997

г.

Ученый секретарь специализированного совета, '//(/'/" Е В КОНОНЕНК'

к.ф.-м.н, доцент '

ОВШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективным способом терморегулирования и ?редачи тепловой энергии является применение двухфазных теплопе-?дающих систем (ДФТС) с капиллярными насосами (КН) известных гкже, как тепловые трубы (ТТ). Сложились две конструктивные схемы Т: классическая и контурная. В классических ТТ капиллярная струк-ура (КС), выполняющая функцию КН, расположена по всей длине кор-уса ТТ, а в контурных ТТ (КТТ) КС локализована в зоне испарения, нтерес к таким теплопередающим устройствам вызван как возможно-сью их применения в новой технике, так и принципами интенсификации еплообмена при фазовых переходах, реализованными в КС.

Проблема интенсификации тепло- и массопереноса в ТТ неразрывно »яэана с широким спектром физических процессов, происходящих в сте-1енных условиях порового пространства КС, важнейшими из которых зляются капиллярный транспорт жидкости и интенсивное парообра-эвание. Существенно повысить интенсивность этих процессов и, тем шым, увеличить тепло транспортную способность (ТС) теплопереда-щих систем возможно применением анизотропных КС пли использо-шием новых КС. улучшающих гидравлическую и тепловую проводп-ость порового пространства. В этой связи, перспективными являются эристые материалы суспензионного формирования, в частности, вы-жопористые ячеистые материалы (ВПЯМ), разработанные в Респу-шканском инженерно-технологическом центре порошковой металлурга (РИТЦ ПМ) г. Перми. Однако, отсутствие экспериментальных дан-ых и обоснованных методик расчета комплекса свойств, оказывающих аределяющее влияние на интенсификацию тепломассопереноса в КС, также отсутствие критериев для анализа двух схем ТТ затрудняют еленаправленное применение пористых материалов в теплопередающих .тройствах.

Цель работы. Экспериментальное и теоретическое изучение процес-эв тепломассопереноса в КС, в том числе, применительно к ДФТС с Н. Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

- разработать модель для гидродинамического анализа ДФТС с КН, :тановить критерии эффективности двух схем ТТ;

- на основе гидродинамического анализа, разработать модель тепяо-ассопереноса в анизотропных КС контурных ТТ;

- экспериментально исследовать транспортные, теплофизические, проч-остные свойства, а также закономерности теплообмена при фазовых

>

превращениях в новых КС суспензионного формирования;

- разработать конструкции п провести исследования классических П с КС суспензионного формирования, а также применить их в конкретны: технических устройствах.

Научная новизна. Предложена новая модель для анализа ТС ТТ в за висимости от типа, свойств КС и условий внешних воздействий на ТТ Сформулирована физическая п математическая модели оптимизации по рового пространства КС КТТ. Впервые проведены экспериментальны исследования транспортных, прочностных и теплофнзических свойст: новых пористых материалов суспензионного формирования, а также ис следован теплообмен при фазовом переходе в них.

Практическая ценность. Результаты анализа ТС ТТ позволяют оце нить эффективность применения классической и контурной схем ТТ п величине капиллярного давления КС или внешнего, относительно КС гидравлического сопротивления. Впервые теоретически и эксперимеЕ тально показала возможность использования КТТ для инверсии тепле вого потока. Разработаны конструкции цилиндрических и плоских т дных ТТ с КС суспензионного формирования. Результаты исследовани использованы при разработке систем обеспечения тепловых режимо конкретных технических устройств и технологических режимов.

Автор защищает: 1) модель для анализа ТС ТТ. 2) Модель опта мизации порового пространства КС КТТ. 3) Результаты эксперимег тального исследования транспортных, прочностных и теплофизически свойств новых КС суспензионного формирования. 4) Конструкции и р< зультаты исследования цилиндрических и плоских медных классически ТТ с КС суспензионного формирования.

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследов< ний докладывались л обсуждались на межреспубликанских совещания "Тепловые трубы" (Саратов, 1988, Москва, 1989, Екатеринбург, 199: Минск, 1993), на 1 Российской национальной конференции по теплоо( мену (Москва, 1994), на Международных конференциях по тепловым тр] бам (Китай, 1992, США, 1995), на 4 Международном симпозиуме по т< готовым трубам (Япония, 1994), на Национальной конференции США г тепломассообмену (США, 1995), на 3 Международном форуме по теши массообмену (Минск, 1996).

Публикации. Основное содержание изложено в 14 статьях и доклада: при выполнении работы получено авторское свидетельство на изобрет ние.

-о-

Объем п структура работы. Работа состоит на введения, четырех гав, заключения и приложения. Работа содержит 156 страниц, в том и еле, в основном тексте - 149 страниц, включая 66 рисунков, 11 таблиц, приложении - 8 страниц, 21 рисунок. Список используемой литературы эстоит из 162 наименований.

В первой главе проведен аналио теплотранспортной способности клас-ической и контурных схем ТТ. Рассмотрен возможный путь повышена ТС КТТ оа счет оптимизации норового пространства КС. На основе нализа ТС аналитически п экспериментально показана возможность ис-ользования схемы КТТ с инверсией теплового потока.

Теплотранспортная способность обуславливается переносом массы ци-кулирующей в ТТ рабочей жидкости и напрямую связана с параме-рами КС. КС обеспечивает циркуляцию рабочей жидкости, выполняя оль капиллярного насоса. Основное условие работоспособности ТТ со-тоит в непрерывной циркуляция теплоносителя по всему замкнутому онтуру и лежит в основе гидродинамического анализа ТС ТТ.

де APinl - внутреннее гидравлическое сопротивление КН, обусловлен-;ое движением теплоносителя непосредственно в капиллярной структуре !Т, ДРеХ( - внешнее, относительно КН, гидравлическое сопротивление.

При дальнейшем анализе полагалось: ТТ работает в испарительном »ежиме; задача одномерная; в ТТ реализуется ламинарное движение жи-,кой и паровой фазы теплоносителя; жидкостная проницаемость КС свя-ана с эффективным размером пор как К\ — где К0 ~ некоторая

пункция, в первом приближении, не зависящая от ге].

В таком приближении, выражение для ТС ТТ с изотропной КС имеет ¡ид:

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

АРа>АРех1+АРш,

О)

2аге!-АРдг11 АгЬ + В '

(2)

Значения коэффициентов А и В в выражении (2) отражают конструк-щонные особенности классических и контурных ТТ. Для классических ГТ:

А = 128

pv(Tv)HevKdi'

в _ r¡t{T¡) PlHevK0Skc-

(3

Для контурных ТТ:

128

Vv(Tv)

+ 128-

m(Tt)

В = 2-

pv{Tv)HevndAv " Pl{T¡)HeMV ч№)6

—. г. - при приближенном условии:А^( = АР^/.4

Р[{1„)ПегХ{о1->Отп

Показано, что, согласно (2), максимальная ТС ТТ (<3£)тоаг достига ется при определенном значении эффективного радиуса пор КС г*у, чт соответствует случаю, когда АРМ = ДРех;.

QL.anu

QMO

Век

О 20 Í0 90 ВО 100 \20 140 Tef, икм

r„f .И»

Рис. 1. Зависимость QL = f(rc¡) при различных превышениях испарителя над конденсатором ТТ: порошковая КС; теплоноситель-вода; 5ох = 3.1 ■ 10-4м2; 1- h = 0.0; 2-0.1; 3-0.2; 4-0.3; 5-0.4; 6-0.5 (м)

Рис. 2. Зависимость (¡Ь = /( при различных превышениях ист теля над конденсатором КТТ: те носитель - аммиак; 5а1 = б.З ■ 10' Бтп = 7.5 • 10~3м2; 1 - Л = 0; 2 - 1; 2; 4-3; 5-4 (м)

На рис. 1 и рис. 2 приведены зависимости (¡>Ь = /(геу) классически: и контурных ТТ при различных превышениях испарителя над конденса тором ТТ /? (Л= рдк). Из представленных данных отчетливо вида

тенденция уменьшений ¡значений (QL)mai и r'j с увеличением /г, то же наблюдается и при уменьшении аксиальной площади теилопереноса Saz■ Однако, контурная схема ТТ позволяет значительно увеличить те-плотранспортную способность, по сравнению с классической. Исходя но анализа ТС определены условные границы эффективного использования классической и контурной схем ТТ по величине внешнего воздействия APeít или по ДРСТ, которым должен обладать КН ТТ для компенсации

Увеличить ТС КТТ возможно за счет уменьшения APmt КН. В КН КТТ реализуется встречное движение потоков тепла и массы. КС выполняет функции теплового и гидравлического затвора, поэтому нельзя снизить ДР,„( за счет уменьшения толщины 8 КС. Известные работы были направлены на оптимизацию толщины КС. Снизить ДPinl можно применением анизотропной (многослойной) КС с уменьшающимся размером пор от впитывающей поверхности (х = 0) до поверхности испарения КС (х = 8). Уменьшение размера пор должно носить такой характер, чтобы в каждом мпкросяое в х- направлении выполнялось условие фазового равновесия жидкость пар:

Г(х)" Ps(T(x))-P{xy {5)

где Ps(T(x)) - давление насыщения при температуре Т(х), Р(х) - давление в жидкости. При невыполнении условия (5) в КС произойдет вскипание жидкости, что приводит к нарушению подачи жидкости в слой с меньшим размером пор.

Для определения пограничной зависимости г (я) необходимо знать распределение температуры и давления в жидкости по толщине КС. Соответствующие распределения находились из решения задачи тепло- и массообмена в анизотропной КС КТТ. При постановке задачи были сделаны следующие предположения: задача одномерная; капиллярное давление КН обеспечивается мнкрослоем на границе раздела фаз (х — 6); размер пор КС уменьшается в направлении - х согласно условия равновесия фао (5); жидкостная проницаемость изменяется по толщине КС: ВД = А>2(;г) (рис. 3).

X

R To

У ..................

ШШ' УТЛТХ тЛ vß/f/Ш

mmWM 1 APL

Tm

2 .3

P T

AV 1 V

чАРы

др.

ext

Рис. 3. Схема КН КТТ с анизотропной (многослойной) КС: 1 - жидкостной канал, 2 - компенсационная полость, 3 - ани-оотропная КС, 4 - паровой канал, 5 - пароотводные каналы

Уравнения переноса энергии и массы в КН КТТ и граничные услови следующие:

<РТ(х) ndT(x)_Q dx2 dx '

(f

r.y. 1 = 6, T(.r) = 7V, * = 0, \(/£j^l=rhCpl(T(x)-T0), ( где ™ =

T(x) = Г0 + (Г, - Г0) ехр(к(х - 6)).

mCt и к = -т-^- (i

О

ГП - ,,,

,y. * = 0, Р(х)=ВД); , = rt/ - APJ:APM (i:

Совместное решение уравнении (5)-(ll) для эффективного радиуса пс дает:

r(£)=r ехрМ)-1 а,

Внутреннее сопротивление КН КТТ с анизотропной КС будет равн

ЛР -OTB [' Ы{«г)-1)Чх_ eQL B ~U ы ~ QLJ /о [exp(к6) - lj V, " (13)

где /* = /(««) =-d[exp(K6)-ip-* L (И)

Тогда ТС КТТ с анизотропным КН определяется следующим образом:

QL - 2ar<f - AP°rb {Ш

Анализ ТС показывает, что оптимизация порового пространства КН КТТ, согласно (5-14), приводит к увеличению ТС в 2-7-2.5 раза (рис. 4).

Одна из основных конструктивных особенностей КТТ, позволяющей существенно снизить внутреннее сопротивление КН и реализовать развиваемое им капиллярное давление, является локализация КС в зоне испарения. В силу этого, КТТ с КН обладают явно выраженными диодными свойствами, по отношению к передаваемому тепловому потоку. При этом, теряется возможность инверсии подводимого и отводимого тепловых потоков, которой обладают классические ТТ.

Было исследовано два варианта для реализации инверсии теплового потока с помощью КТТ. Первый - две автономные контурные ТТ. Второй - КТТ для инверсии теплового потока (ИКТТ), состоящая из двух последовательно соединенных КН и теплообменников. При работе ЙКТТ КН, который находится в зоне отвода тепла является дополнительным гидравлическим сопротивлением при циркуляции жидкости по контуру.

Результаты анализа ТС КТТ и ИКТТ с изотропной и анизотропной КС, а также экспериментальные данные для ЙКТТ в виде зависимости QL = f(ref, h) приведены на рис. 5. Расчетные значения QL для ИКТТ с изотропной КС превышают экспериментальные приблизительно на 10%, что позволяет с достаточной степенью точности предсказать максимальную ТС ИКТТ.

Во второй главе рассматриваютя новые перспективные материалы суспензионного формирования в качестве КС классических тепловых труб.

Приводятся результаты исследования транспортных, прочностных и теплофизических свойств новых КС. Проведены измерения коэффициента теплоотдачи при кипении воды на ВПЯМ, МКС суспензионного формирования и анизотропных КС на их основе.

В отличии от КТТ в классических ТТ КС расположена вдоль всей длины ТТ, поэтому в зоне парообразования потоки тепла и массы направлены, преимущественно, перпендикулярно друг другу. Гидродинамика и

3

0 I г 8 4 ® Ге1

Рис. 4. Сравнительный анализ изотропных и анизотропных КС в КН КТТ: £ = 6 м; = = 2 мм; £ = 6 мм; 5Тп = 7.5 • 10-3м2; Ае/ = 5 Вт(мК)"1

в ал ы о,« од 1 1Я и

Рис. 5. Зависимость (}Ь от прев] над испарителя над конденсатор™. КТТ и ИКТТ с изотропной и а! тройной КС: гс] — 1.См1;м; Ь = м; <¡1 = ¿„ = 2 мм; й — 6 мм; S^ 7.5 • 10"3мг; Аг/ = 5 Вт(мК)-1

з

<5ыо, вт

<31.10 в™

окмиак

1 - КТТ

\ 1 г - иктг

— аяжаогротш КС

_ жаотрмшв* КС

2

1

••

х - дата» дяж ИКТТ . 1 . 1 ... 1 . 1

тепловая проводимость порового пространства КС должны обеспеч! вать капиллярный транспорт, генерацию и отвод пара от поверхност нагрева.

Как было показано в предыдущей главе, теплотранспортная способ ность ТТ зависит от транспортных свойств КС. Транспортные свойсп КС обусловлены ее структурными характеристиками, важнейшей из к< торых является пористость. В настоящее время, предпочтение отдает» КС, которые обладают высокой пористостью и, как следствие, высокс проницаемостью. Наиболее перспективной, в этой связи, по мнению [] являются металловолокнистые капиллярные структуры (МВКС).

Проведенный в первой главе анализ ТС тепловых труб класснческс схемы также показал преимущество МВКС, по сравнению с некоторьа вставными КС ТТ. МВКС обладают объемной пористостью £ = (0.5 0.96) и эффективным размером пор геу = (20 — 400) мкм.

Из известных пористых проницаемых материалов есть лишь один м терпал. пористость которого лежит в том же диапазоне — высокопор

-и-

стый ячеистый проницаемый материал (ВПЯМ), разработанный в Региональном инженерно - технологическом центре порошковой металлургии (РИТЦ ПМ). Методом суспензионного формирования, основанном аа воспроизведении матрицы высокопористой структуры полимера, поручают ВПЯМы на основе практически всех известных материалов с гористостью £ ~ (0.6 -г 0.98). В РНТЦ ПМ специально для ТТ разра-5отана технология изготовления мелкопористых КС (МКС) суспензион-шго формирования и соединения их с металлической подложкой. Данная технология позволяет изготовить МКС непосредственно на подложке (в :орпусе ТТ).

Для практических целей представляет интерес сравнительное о боб теше свойств пористых проницаемых материалов в координатах "интере-ующее свойство — пористость". На рис. 6, рис. 7, рис. 8 представлены >еоультаты экспериментального исследования приведенной проницаемо-ти (А",/^/)> каркасной теплопроводности (АД временного сопротивле-ия на разрыв (ов) от пористости ВПЯМ (е) и сравнение с аналогичными войствамп МВКС. Результаты сравнения показывают: проницаемость ¡ПЯМ, при одинаковых средних размерах пор, ниже, чем у МВКС, но увеличением пористости видна тенденция сближения значений Л'//0?/ пя ВПЯМ и МВКС; при высокой пористости ВПЯМ выше, чем у 1ВКС; известные данные по прочностным свойствам МВКС относятся е < 0.8, поэтому прямое сравнение прочностных свойств ВПЯМ и [ВКС затруднительно. ВПЯМ имеет высокие прочностные свойства: эи г — 0.82 предел прочности медного ВПЯМ составляет около 6.3 МПа, при £ = 0.95 - 0.4 МПа.

В КТТ была рассмотрена возможность оптимизации порового про-•ранства КС для движения жидкой фазы теплоносителя. Для класси->ских ТТ была исследована анизотропия порового пространства для [учшения отвода паровой фазы. С этой целью изучена возможность здания анизотропных медных КС суспензионного формирования, со-оящихиз МКС и ВПЯМ. Кроме того, предлагаемые анизотропные КС ¡еспечивают решение важной технологической задачи для ТТ: соедине-:е КС с корпусом ТТ. Были проведены экспериментальные исследова-1я, в основу хоторых легло определение прочности соединения ВПЯМ, КС и металлической подложки. В ходе проведенных исследований уставлены соотношения между толщиной (<5), диаметром частиц исходного терцала МКС ((¡ч) п диаметром ячейки ВПЯМ ((1Я), при которых очность соединения обуславливается прочностными свойствами ВПЯМ:

d%ax < O.Ms 0.3 < 6/dz < 0.5. (Il

Прочностные характеристики КС зависят от количества и качест] контактов между дискретными элементами, образующими каркас КС косвенно характеризуют тепловую проводимость КС.

С целью исследования процессов теплообмена при фазовом иерехо; были проведены измерения коэффициента теплоотдачи при кипении вод на КС суспензионного формирования в широком интервале тепловых п токов и давлениях насыщения.

Результаты проведенных исследований (рис.9) показывают, что ма симаяьное значение коэффициента теплоотдачи (а « 60 • 103Вт/м2К щ Зкр « 110 • 104Вт/м2) достигается при кипении воды на медных МК суспензионного формирования (6ic = Û.5 мм, d,.j = 10 мкм). Для ВПЯ! наблюдается интенсификация теплообмена в области плотностей тепл вого потока, соответствующих развитому пузырьковому кипению. ïïf возрастании тепловой нагрузки с q > 60 • 104Вт/м2 происходит вырожд ние интенсификации теплообмена и значения коэффициента тешгаотда* близки к соответствующим значениям а для кипения в большом объе! на гладкой поверхности. Установлено, что для анизотропных КС онач ние коэффициента теплоотдачи определяется соответствующим а МЮ Полученные данные по а попадают в диапазон данных по кипению вод на различных КС (заштрихованная область на рис. 9), полученных в [Î

Таблица

Геометрические характеристики медных капиллярных структур суспензионного формирования

¿МКС, мм

•Nim ss 10, мкм ¿ч = 100, мкм ¿впя;,ь мм ¿KCl

1 0.5 - - 0.5

2 - 0.5 - 0.5

3 0.5 - 2.0 2.0

4 - 0.5 2.0 2.0

5 - - 2.0 2.0

В третьей главе рассмотрены конструкции и рабочие характеристи] цилиндрических и плоских медных ТТ с КС суспензионного формиров нпя. Проведены экспериментальные исследования газовыдсления из об ема КС суспензионного формирования.

о —1

• -2

0.0? • . с

о

/ о

•о о

о

о

о

0,001 ■ .« -* 1-

0.5 0.8 0.7 0.8 0.9 с

Рис. 6. Зависимость приведенной проницаемости от пористости: 1 -ВПЯМ; 2 - МВКС данные [1}

06. мПа

с. 8. Зависимость временного сопро-зления ВПЯМ от пористости: ВПЯМ ко меди; 2 - ВПЯМ из никеля

Х,.ап/(И к)

Рис. 7. Зависимость коэффициента каркасной теплопроводности от пористости: 1 - ВПЯМ яи никеля; 2 - ВПЯМ из меди; 3 - МВКС из меди [1]

) 1 а. ю втпДм к)

Рис. 9. Зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока при кипении воды на исследуемых образцах: нумерация согласно табл. 1; гп - кипение в большом объеме на гладкой поверхности; 1- данные [2]

Проведенные в предыдущей главе исследования транспортных, про1 ностных и т с п лофиз ич е с к их свойств КС суспензионного формированы а также технологичность изготовления ТТ, возможность создания ан] зотропных КС на основе мелкопористой КС и ВПЯМ, обеспечение х рошего механического и термического контакта между корпусом ТТ КС позволяют выдвинуть такие КС в качестве перспективных капи лярных структур тепловых труб, которые по комплексу своих свойсо приближаются к лучшим КС, применяемым в классических ТТ.

На основании высоких прочностных свойств ВПЯМ разработана ко] струкция плоской тепловой трубы - панели (ТТП) с анизотропной К суспензионного формирования на основе ВПЯМ п МКС. Проведены вс сторонние исследования тепломассобменных характеристик медных щ линдрических ТТ и ТТП с разными теплоносителями и ориентацией поле силы тяжести. Исследования ТТ с изотропными и анизотропные КС суспензионного формирования на основе МКС и ВПЯМ показал: что максимальная теплопередающая способность ((¿таг) определяет« ВПЯМ. Применение анизотропной КС приводит к снижению термич ского сопротивления ТТ (#тт) в 2 раза, что обусловлено хорошим те; мическим контактом анизотропной КС с корпусом ТТ и высоким зн. чением коэффициента теплоотдачи, который определяется МКС. Уст. новлено, что тепломассообменные характеристики ТТ с КС суспензио: ного формирования, при благоприятных ориентациях (<р = (-90° ~ 0°) не уступают характеристикам ТТ классической схемы с другими К< например, с МВКС, технология изготовления которых сложнее. Раб тоспособность ТТ при неблагоприятных ориентациях ( (р — (0° -г +90° обусловлена наличием тонкого слоя МКС на стыке корпуса и ВПЯМ.

Геометрические параметры и основные характеристики исследова: ных ТТ приведены в таблицах 2 и 3.

В ходе экспериментов с ТТ было отмечено снижение их теплоперед ющей способности, что было связано с десорбцией неконденсирующих газов из объема КС. Были проведены экспериментальные исследован) кинетики газовыделения из КС суспензионного формирования методе термодесорбции, с целью определения химического состава и количест] газа, адсорбируемого КС. Установлено, что основной вклад в газов] деления таких КС вносят газовые компоненты, являющиеся остаткаг, органических наполнителей, которые используются в технологическ( цикле изготовления КС. Для цилиндрической ТТ2 (табл. 2, табл.3), п] условии десорбции всего газа из КС, расчеты показывают, что прибл

гелыго 35% зоны конденсации ТТ будет блокировано газом. Поэтому едложено дополнить технологию изготовления КС ТТ суспензионного рмпрования термообработкой в вакууме. Результаты ресурсных ис-[таний ТТ и ТТП показали целесообразность термической обработки ] суспензионного формирования.

Таблица 2

[араметры медных тепловых труб с капиллярными структурами суспензионного

формирования

Г Количество, Размеры ТТ Характеристика КС Теплоноситель

г шт <4, ь, А, «5, «5«:с1 £

мм мм мм мм мм мм

1 28 300 - - 1.0 2.0 0.92 вода

! 7 16 330 - - 1.0 1.0 0.88 вода

1 3 10 325 - - 1.0 1.0 0.83 вода, ацетон, этанол

3 6 300 - - 1.0 1.0 0.85 вода

1 12 - 200 100 4 0.5 3.0 0.83 вода, ацетон, этанол

Таблица 3

Основные характеристики тепловых труб с капиллярными структурами суспензионного формирования

Г Размеры Длина зон Я пол, Вт Т "С с.таху ^ Лгт, К/Вт

т корпуса, мм Ьс,ми 9=0 <р — 90" = 0 уэ = 90° 0 1р = 90°

028 х 300 65 100 1600 - 130 - 0.05 -

1 016 х 330 65 100 500 - 130 - 0.1 -

1 010 х 325 65 100 200 50 150 125 0.5 2

: 06 х 300 65 100 75 20 70 125 0.7 3

( 200 х 100 х 4 20 60 600 120 130 125 0.1 0.6

В четвертой главе рассматриваются примеры решения конкретных хнических задач, связанных с обеспечением температурных режимов которых устройств и технологических процессов, с помощью тепло-[X труб п термосифонов. Разработаны системы обеспечения тепловых жимов мощных высокочастотных транзисторов, газового лазера на зе исследованных ТТ.

Разработана система обеспечения теплового режима твэла ядерного актора на базе водяного термосифона, позволяющая за счет изменения

условий теплообмена между теплоносителем реактора п термосифон проводить испытания твзлои отличных по типу от твэлов исследователь ского реактора.

На основе контурных термосифонов разработаны: система, обеспечг вакнцая температурных! режим отжига постоянных магнитов, и уст рог сгво Т - излучателя для настройки термовизионной системы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Разработана модель для гидродинамического анализа ДФТС с К] в зависимости от типа и свойств КС, а также условий внешних вое действий. Установлены критерии эффективности ДФТС с КН по вел! чине внешнего гидравлического сопротивления. Для классической схем; — кРеп^о.т^о'с) £ 7 кПа> для контурной — ДРе1((„207.=200с) < 120 к11а.

2. Сформулирована физическая и математическая модель оптим! зации порового пространства КС контурной ТТ . На основании пре; ложенной модели показано, что применение анизотропной капиллярно структуры с определенным законом изменения пор между впитыван щей и испаряющей поверхностями КС приводит к увеличению теши транспортной способности КТТ в 2 - 2.5 раза.

3. На основе анализа ДФТС с КН теоретически и экспериментальЕ впервые показана возможность использования КТТ для инверсии теши вого потока.

4. На базе проведенного анализа теплотранспортной способности Т впервые предложены перспективные материалы суспензионного форм: рования в качестве КС классических тепловых труб.

4.1. Проведены экспериментальные исследования транспортных, про ностных и теплофизических свойств новых КС. Показано, что в ко орд: натах "интересующее свойство — пористость" данные КС имеют пр имущества по сравнению с известными. Наиболее близкие к ВПЯМ I свойствам являются МВКС.

4.2. Показана возможность изготовления анизотропных КС на осно: ВПЯМ и мелкопористых КС суспензионного формирования непосре ственно в корпусе ТТ. Исследованы прочностные свойства соединен) "ВПЯМ - МКС суспензионного формирования - металлическая подлож! Установлены соотношения между толщиной, диаметром частиц исх дного материала МКС и диаметром ячейки ВПЯМ при которых про ность соединения определяется прочностными свойствами ВПЯМ.

4.3. Исследованы процессы теплообмена при фазовом переходе ) ВПЯМ, МКС суспензионного формирования и анизотропных структ;

на пх основе. Покапано, что максимальное значение коэффициента теплоотдачи (а к 60- 10:,Вт/м2Л* при ijKp «110- 104Вт/м2) достигается при кипении воды на медных МКС суспензионного формирования (<5j.c = 0.5 мм, def = 10 мкм). Для ВПЯМ наблюдается интенсификация теплообмена в области плотностей теплового потока, соответствующих развитому пузырьковому кипению. При возрастании тепловой нагрузки с q > 60- 104Вт/м2 происходит вырождение интенсификации теплообмена и значения коэффициента теплоотдачи близки к соответствующим значениям а для кипения в большом объеме на гладкой поверхности. Установлено, что для анизотропных КС значение коэффициента теплоотдачи определяется соответствующим а МКС.

5. На основании высоких прочностных свойств ВПЯМ разработана конструкция плоской тепловой трубы - панели (ТТП) с анизотропной КС суспензионного формирования на основе ВПЯМ и МКС с размерами корпуса (100 х 200 х 4) мм. Проведены исследования медных цилиндрических ТТ различного диаметра п ТТП с разными теплоносителям и ориентацией в поле силы тяжести. Показано преимущество анизотропной КС над изотропной. Установлено, что тепломассообменные характеристики ТТ с КС суспензионного формирования, при благоприятных ориента-циях, не уступают характеристиками ТТ классической схемы с другими КС, например, с МВКС, технология изготовления которых сложнее.

6. Впервые проведены экспериментальные исследования газовыделения из КС суспензионного формирования. Установлено, что основной вклад в гаоовыделеяпя таких КС вносят газовые компоненты, являющиеся остатками органических наполнителей, которые используются в технологическом цикле изготовления КС. По результатам исследования предложено дополнить технологию изготовления КС ТТ суспензионного формирования термообработкой в вакууме.

7. Результаты исследований использованы при разработке систем обеспечения тепловых режимов мощных высокочастотных транзисторов, газового лазера, макета топливного элемента ядерной энергетической установки, печей спекания и отжига постоянных магнитов, Т - излучателя термовизионной системы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Семена М.Г., Гершуни A.M., Зарипов В.К. Тепловые трубы с ме-галловолокнистыми капиллярными структурами. - Киев: Вища школа, 1984. - 215 с.

2. Васильев Л.Л., Конев С.В., Хроленок В.В. Интенсификация теплообмена в тепловых трубах. - Мн.: Наука и техника, 1983. - 152 с.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публика пиях:

1. Герасимов Ю.Ф., Долгирев Ю.Е., Непомнящий A.C., Атанов В.Е. Погорелов Н.П. Тепловая труба переменной проводимости // Теплофи зпка высоких температур. - 1987. - Т.25, N6. - С.1239-1241.

2. Бедоногов А.Г., Нурутдинов В.А., Кисеев В.М., Погорелов Н.П Исследование теплоотдачи при парообразовании в капиллярно-пористы: структурах // Инж.-фпа. ж. - 1989, Т.56, N1. - С. 133.

3. Кисеев В.М., Погорелов Н.П. Анализ теплотранспортной способ ности капиллярных насосов для двухфазных систем терморегулировани. и передачи тепловой энергии // Тепломассообмен в двухфазных спсте мах: Труды III Минского международног форума по тепломассобмену Минск, 20 - 24 мая 1996 г. - Минск: ЙТМО АНБ, 1996. - С. 192-197.

4. Кисеев В.М., Погорелов Н.П., Белоногов А.Г., Нурутдинов В.А Моделирование двухфазных контуров теплопереноса с высоконапорным] капиллярными насосами // Испарение, конденсация: Труды Первой рос сийской национальной конференции по теплообмену. Москва, 21 - 25 но ября 1994 г. - Москва, 1994. - С. 69 - 74.

5. A.c. 1491613 СССР, МКИ В22 3/10, 7/02. Способ изготовления спе ченных многослойных изделий / В.М.Кисеев, А.А.Беляев, А.Ю.Зубарег Н.П.Погорелов. - Опубл. 07.07.89, Бюл. N25. - С.52.

6. Беляев A.A., Зубарев А.Ю., Кисеев В.М., Погорелов Н.П. О филь трации жидкости в мелкопористых капиллярных структурах// Инж. фпз. ж. -1992. - Т.62, N1. - С. 66-69.

7. Кисеев В.М., Рабинович А.И., Погорелов Н.П., и др. Перспектив] применения высокопорпетых ячеистых материалов (ВПЯМ) в тешювы трубах // Инж. -фго. ж. -1990. -Т.58, N1. -С. 68-72.

8. Беляев A.A., Погорелов Н.П. Сравнительное исследование терм( динамической эффективности различных схем организации парообразс вания в капиллярных структурах // Материалы IV Всесоюзной коне] молодых ученых. - Новосибирск: ИТФ СО АН СССР. - 1991. - С.13( 131.

9. Погорелов Н.П., Кисеев В.М. Исследование теплоотдачи при кип нии воды на пористых композиционных материалах // Кипение, кризис кипения, закризисный теплообмен: Труды Первой российской национал!

ной конференции по теплообмену. Москва, 21 - 25 ноября 1994 г. - Москва, 1994. -Т.4, - С. 201 - 20G.

10. Погорелов Н.П., Кисеев В.М., Тарасов А.В. Особенности тепло-массопереноса в шликерных капиллярных структурах тепловых труб// В сб.: Новые порошковые материалы и технологии. - Барнаул, 1993. - С. 146-151.

11. Iviseev V.M., Pogorelov N.P., Nouroutdinov V.A. Design of highperformance loop heat pipes //4 IHPS-TSUKUBA, Preprints, 16-18 may 1994, Tsukuba, Japan. - P. 147-153.

12. Kiseev V.M., Nouroutdinov V.A., Pogorelov N.P. Analysis of maximal heat transfer capacity of capillary loops // In:Prec. of the 9-th International Heat Pipe Conference, Albuquerque, New Mexico, USA, 1995. - 7p.

13. Kiseev V.M., Pogorelov N.P., Nurutdinov V.A. Modeling and experimental investigating loop heat pipes // AIChE Symposium Series #306, Heat Transfer, Vol.91, 1995, pp. 333-336.

14. Pogorelov N.P., Nouroutdinov V.A., Kiseev V.M. Applying suspension moulding capillary structure in heat pipes // In: Prec. of the 9-th International Heat Pipe Conference, Albuquerque, New Mexico, USA, 1995. 5p.

15. Kiseev V.M., Pogorelov N.P., Menkin L.I. The study in two phase thermosyphon application for mock-up fuel elements temperature regimes modelling // Prep. 8th Int. Heat pipe Conf. - Beijing, China. 1992. Pap. E-P72. 4p.

Условные обозначения: P- давление, Q - тепловой поток, L - длина те-плопереноса, Ср - теплоемкость, К - проницаемость, а - поверхностное натяжение, tj - динамическая вязкость, р - плотность, Hev - скрытая теплота парообразования, d - диаметр, г - радиус пор, S - площадь, m -плотность массового расхода, Т - температура, Rtt - термическое сопротивление, е - пористость, 6 - толщина, h - высота, а - коэффициент теплоотдачи, q - плотность теплового потока, А - теплопроводность.

Индексы: ext - внешний, int - внутренний, s - насыщение, v - пар, I -жидкость, е/ - эффективный, ах - аксиальный, я - ячейка, ч - частица, кс - капиллярная структура, тп - теплоподвод, к - каркас