Теплообмен при испарении в открытых капиллярных каналах низкотемпературных тепловых труб и оптимизация их параметров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Перечень условных обозначений и символов

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА ПЕРВАЯ. Анализ состояния вопроса. Обоснование задач исследования.

1.1. Исходные положения.

1.2. Анализ литературных данных по процессам гидродинамики в канальных тепловых трубах.

1.3. Анализ литературных данных по процессам тепло- и массообмена в канавчатых структурах тепловых труб.

1.4. Анализ литературных данных по оптимизации тепловых труб и систем обеспечения теплового режима на их основе.

Выводы.

ГЛАВА ВТОРАЯ, Исследование термических сопротивлений канавчатых капиллярных структур методом электротепловой аналогии.

2.1. Исходные положения.

2.2. Установка и методика исследования термических сопротивлений смоченных канавок методом электротепловой аналогии.

2.3. Результаты исследований термических сопротивлений канавок методом электротепловой аналогии.

2.4. Тепловые модели теплопереноса при испарении с поверхности смоченных канавчатых структур. Обработка данных электромоделирования. 79 Выводы.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Экспериментальные исследования термических сопротивлений канав-чатых капиллярных структур.

3.1. Экспериментальный стенд и методика опытного изучения характеристик тепловых труб с канавчатыми структурами.

3.2. Экспериментальная установка и методика исследования теплообмена при испарении в канавках в условиях капиллярной подачи жидкости

3.3. Анализ погрешностей измерений . ИЗ

3.4. Результаты экспериментальных исследований теплообмена при испарении в канавках тепловых труб

3.5. Экспериментальные исследования на канавчатой поверхности

Выводы.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Оптимизация параметров канавчатых структур тепловых труб и систем охлаждения на их основе. Инженерная методика расчета

4.1. Исходные положения.

4.2. Теплогидродинамическая модель оптимальной канавчатой капиллярной структуры ТТ по минимуму термического сопротивления

4.3. Оптимизация системы охлаждения с применением тепловых труб

4.4. Инженерная методика выбора параметров системы охлаждения с тепловыми трубами

Выводы.

Планами развития народного хозяйства, Директивами ХХУ1 съезда КПСС предусмотрено интенсивное развитие радиоэлектро -ники, автоматики, вычислительной техники и других областей техники, связанных с использованием, передачей и преобразованием электрической энергии.

Общие тенденции развития определяются стремлением к микроминиатюризации, повышением компактности при одновременном улучшении таких функциональных характеристик, как надежность, помехоустойчивость, быстродействие и др. Вместе с тем растут плотности тепловыделения, что осложняет обеспечение теплового режима и требует изыскания новых прогрессивных принципов конструирования. Значительное число задач по обеспечению теплового режима РЭА можно решить на основе применения низкотемпературных тепловых труб (НТТ) при заметном снижении массы и габаритов системы охлаждения.

Многочисленные исследования процессов и характеристик НТТ, выполненные в нашей стране и за рубежом, показали перспективность применения НТТ с различными вариантами капиллярно-пористых структур: сетчатыми, металловолокнистыми, гофрированными, канавчатыми и др. Для подавляющего большинства капиллярно-пористых структур (фитилей) НТТ существует проблема обеспече -ния стабильного контакта между фитилем и корпусом ТТ. Эта проблема отсутствует в ТТ с канавчатыми фитилями, поэтому для тепловых труб с такими структурами можно рассчитывать на стабильность основных характеристик, что благоприятно сказывается на надежности системы охлаждения. Это преимущество в ряде случаев применения ТТ может оказаться решающим.

Подавляющее большинство исследований ТТ с канавчатыми структурами, в том числе с применением комбинированных конструкционных фитилей (с канавками и сетчатыми артериями, с канавками, покрытыми сетчатыми и спеченными структурами,и т.п.), в основном посвящены изучению гидродинамических характеристик при течении жидкости в канавках: условиям максимального массо-переноса, особенностям взаимодействия потоков пара и жидкости на границе раздела, зависимости коэффициента трения от формы канавки и места расположения мениска и т.д. и т.п.

Практически отсутствуют систематические исследования термических сопротивлений канавчатых поверхностей ТТ,в частности, на участках подвода тепла в достаточно характерном испарительном режиме. Имеющиеся отдельные данные разрозненны и не позволяют получить зависимостей коэффициентов теплоотдачи от основных факторов. Поэтому для произвольной формы канавки,различных сочетаний геометрических и режимных параметров оказывается невозможным расчет термического сопротивления ТТ с канавчатыми фитилями также, как расчет и оптимизация систем охлаж -дения, использующих указанные устройства.

Известные работы по определению оптимальных размеров канавчатых структур основываются на выборе в качестве критерия оптимальности максимальной тепловой мощности, что позволяет ограничиться анализом только основного гидродинамического уравнения ТТ. Между тем на практике обычно тепловая мощность для ТТ является величиной заданной, и критерием опти -мальности является полное термическое сопротивление ТТ - & • . Выбор в качестве условия оптимальности условия жнимуж /?тт требует разработки теплогидродинамической модели оптимизации канавчатой структуры. Постановка и решение подобной задачи не известны. Этими обстоятельствами определяется актуальность теш настоящей диссертационной работы.

Основная цель выполненных исследований со -стояла в получении зависимостей по расчету теплоотдачи на участке подвода тепла ТТ с канавками; по оптимальным парамет -рам канавчатых поверхностей и систем охлаждения с НТТ на основе экспериментальных, аналитических исследований и данных, полученных методом электротепловой аналогии.

В настоящей работе методом моделирования на электропро -водной бумаге процессов теплопроводности, происходящих при испарении в смоченных канавчатых структурах, получены в широком диапазоне изменения геометрических, физических и режимных па -раметров, данные по относительной эффективной теплопроводности Хэ / Эти данные обработаны с использованием условных теп -ловых моделей, качественно характеризующих механизм переноса тепла при испарении в смоченных канавках.

Таким образом, в широком диапазоне изменения геометрических, физических и режимных параметров получены данные по относительной эффективной теплопроводности Некоторые из полученных зависимостей могут быть использованы для расчета теплоотдачи на участках конденсации (треугольные и трапецеи -дальние канавки с плоским мениском). Полученные зависимости являются новыми.

В работе проведены экспериментальные исследования характеристик тепловых труб с канавчатыми поверхностями теплообмена на участке подвода тепла, показана перспективность приме -нения ТТ с канавками в качестве элемента конструкции прибор -ного шкафа, получены положительные результаты по работоспособности таких ТТ и рекомендации по совершенствованию технологии их изготовления. Данные по теплоотдаче на участках подвода тепла сопоставлены с расчетом.

Выполнены эксперименты по изучению теплоотдачи при испарении с канавчатой поверхности при независимом моделировании процесса теплоотвода и капиллярной подачи жидкости в условиях надежной визуализации контроля смачиваемости поверхности и т.п. Полученные опытные данные приемлемо согласуются с расчетами, основанными на использовании данных электромоделирова -ния и соотношений, полученных из основного гидродинамического уравнения ТТ с канавками. Предложенная методика и полученные результаты являются новыми .

При использовании известных допущений и ограничений впервые предложена теплогидродинамическая модель определения оптимальных параметров канавчатых структур по минимуму термического сопротивления ТТ. На основе этой модели получены соотноше -ния для расчета оптимальных геометрических параметров канавок.

Впервые поставлена и численным методом на ЭВМ решена задача оптимизации параметров системы с тепловыми трубами для условий жидкостного охлаждения при использовании ТТ в качестве элементов конструкции приборного шкафа и при применении в ТТ канавчатой структуры, испытанной в опытах автора.

Результаты численной оптимизации, обработанные с применением известного коэффициентного метода, позволили предложить инженерную методику выбора параметров подобных систем охлаждения. Эти результаты и рекомендации по расчету термических сопротивлений ТТ с канавками, а также методики выбора параметров систем охлаждения с применением ТТ переданы промышленности и внедрены в практику проектирования, что подтверждается актом, представленным в приложении. Этим определяется практическая значимость данной диссертационной работы.

Результаты исследований позволяют сформировать следующие научные положения:

1. Теплоотдача при испарении с канавчатых поверхностей тепловых труб характеризуется относительной эквивалентной теплопроводностью определяемой соотношением вида г! = I Ш^Р^ для канавок прямоугольной формы и (¿2: - ехр4-1/т-)

Л* К V А' для треугольных канавок. Постоянные и /71 зависят от соотношения Х„ •

2. Оптимальные параметры канавчатых поверхностей тепловых труб определяются из условия минимума их термического сопро -тивления, формируемого при совместном рассмотрении основного гидродинамического уравнения для ТТ с канавками, и полученных методами электромоделирования соотношений для относительной эквивалентной теплопроводности

Исследования настоящей диссертационной работы согласуются с планами важнейших научно-исследовательских работ УССР, пре -.¡¡усматриваемых Постановлением Президиума АН УССР от 28.04.83г. №242 по проблеме "Теплофизика", раздел 1.9.7.6: "Тепломассообмен при двухфазных течениях, кипении и конденсации", тема: "Исследование теплообмена и гидродинамики в тепловых трубах и термосифонах в различных диапазонах температур. Разработка методов оптимизации их характеристик".

Тема и результаты диссертации полностью соответствуют программе комплексных исследований вузов Минвуза УССР на 1981

1985 годы по направлению "Теплофизические проблемы создания высокоэффективных теплообменных аппаратов и повышение их на -дежности", тема: 02.01: "Исследовать закономерности теплооб -менных процессов в тепловых трубах и создать методику расчета и оптимизации теплообменных систем на основе тепловых труб".

общие вывода

1. Результаты известных экспериментальных и расчетно -аналитических исследований теплообмена при испарении с поверхности канавчатых структур отрывочны, разрозненны и не опреде -ляют зависимостей термических сопротивлений смоченных канавок от основных факторов. Отсутствует решение задач оптимизации канавчатых структур тепловых труб и систем охлаждения на их основе.

2. Относительную эффективную теплопроводность смоченных канавчатых структур целесообразно определять по зависимостям вида: для канавок треугольного профиля

К = с« - 6ял(/У), для канавок прямоугольного профиля

К/К =1 [/*с| V?Я^I > а > ¿Ь/гзё? , - постоянные, которые определяются отношением Л^/Л^.

3. Результаты экспериментальных исследований низкотемпе -ратурных тепловых труб с канавчатыми структурами подтверждают принципиальную работоспособность и эффективность жидкостных систем охлаждения с тепловыми трубами такого типа.

4. Процедура оптимизации систем охлаждения с тепловыми трубами включает решение двух основных задач: задачи оптимизации параметров капиллярной структуры ТТ по минимуму термического сопротивления и задачи оптимизации ТТ в составе системы охлаждения с определением оптимальных внешних параметров в условиях, когда каждое их сочетанию соответствуют "внутрен -нием параметры, обеспечивающие минимум термического сопротивления ТТ.

5. Теплогидродинамическая модель оптимизации параметров канавок состоит из гидродинамического уравнения ТТ, уравнения для полного термического сопротивления ТТ и условий оптимума

6. Расчет оптимальных параметров канавок прямоугольного профиля следует проводить по соотношению (4.41), для канавок треугольной формы - по формуле (4.43).

Материалы ХХУ1 съезда КПСС. - М.: Политиздат, 1982. - 223 с.

1. Абраменко А.Н. Тепловая труба с тонкопленочным испарителем. - В кн.: Тепло- и массообмен криогенных жидкостей в пористых теплообменниках. Минск, 1974, с. 21-24.

2. Абраменко А.Н,, Канончик JI.E. Характер теплосъема в канавке тонкопленочного испарителя. - В кн.: Низкотемпературные тепловые трубы и пористые теплообменники. Минск, 1977, с. 1218.

3. Абраменко А.Н., Канончик Л.Е. Методы расчета канавочных испарителей артериальных тепловых труб. - В кн.: Теплообмен в криогенных устройствах. Минск, 1979, с. 14-21.

4. Алексеев В.А., Арефьев В.А. Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Энергия, 1979. - 128 с.

5. Бабенко В.А., Гракович Л.Р., Левитан М.М. Теплопередача при испарении на поверхности с канавками. - В кн.: Теплообмен в криогенных устройствах. Сб. научн. трудов ИТМО им. А.В.Лыкова, Минск, 1979, с. 3-13.

6. Бабенко В.А., Левитан М.М., Хрусталев Д.К. Теплопередача при конденсации на поверхности с канавками. - йнж.-физ. журн. 1981, т. 40, № 6, с. 1022-1028.

7. Баранцевич В.Л., Опрышко С.И., Сасин В.Я. Методы повышения теплопередающей способности капиллярных тепловых труб. -Научн. тр. Моск. энерг. ин-та, 1982, вып. 560, с. 40-46.

8. Блинчевский Й.М., Аптекарь Б.Ф. О длине испарительной зоны тепловой трубки. - Теплофизика высоких температур, 1971, т. 9, Р 5, с. I089-1093.

9. Бреслер Р.Г., Вайт Л.В. Смачивание поверхности с помощью капиллярных канавок. - Тр. амер. общ-ва инж.-мех., Серия С.:

Теплопередача, 1970, Р 2, с. 132-139.

10. Бурдо 0.Г\, Смирнова Ж.Б. Исследование термических сопротивлений канавчатых структур. - Минск, 1980. - 8 е., ил. - Биб-лиогр.: 6 наз. /^копись деп. в ВИНИТИ. Ш 3203-60 Деп./.

11. Бурдо О.Г., Смирнова Ж.Б. Методика выбора геометрических параметров канавчатых структур тепловых труб. - Минск, 1У82. -16 е., ил. - Библиогр.: 13 наз. /Рукопись деп. в ВИНИТИ,

21 июня, 1У82, № 3107-82 Деп./.

12. Бурдо О.Г., Смирнова Ж.Б., Биньковский О.Б. Исследование плв' ночных испарителей с профилированной поверхностью теплообмена. Тезисы доклада Ш Всесоюзной научно-технической конференции по холодильному машиностроению. М. : ЦИНГИ Химнефтемаш, 1982, с. 85-86.

13. Васильев Jl.JI.j Гракович Л.П., Конев C.B. Тепло- и массообмен в низкотемпературных трубах. - Минск: Инж.-физ. журн., 1972, т. 22, W 5, с. 806-810.

14. Васильев Л.Л., Конев C.B., Хроменок В.В. Интенсификация теплообмена в тепловых трубах. - Минск: Наука и техника, 1983,

152 с.

15. Васильев Л.Л., Конев C.B. Теплопередающие трубы. - Минск: Наука и техника, 1972, 180 с.

16. Васильев Л.Л. Теплообменники на тепловых трубах. - Минск: Наука и техника, 1981, 144 с.

17. Воронин В.Г., Ревякин А.В., Тарасов B.C. Разработка и исследование тепловых труб для охлаждения мощного электрова -куумного прибора. - Вопросы радиоэлектроники. Серия ТРТО, 1974, вып. 2, с. 21-27.

18. Гиль В.В., Десюкевич П.С., Менещенко Б.А. Тепловая труба с продольными каналами. - В кн.: Тепло- и массообмен криогенных жидкостей в пористых теплообменниках. Минск, 1974, с. с. 103-109.

19. Дан Д.Р., Рей д.А. Тепловые трубы. - М,, Энергия, 1979,-271 с.

20. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Йгодкин И,В, Физические основы тепловых труб. - М.: Атомиздат, 1978. - 256 с.

21. Ле Ван Чанг. Теплообмен при кипении в канальных капиллярных структурах: Автореферат, дис. . канд. техн. наук. - Одесса, 1983. - 24 с.

22. Лыков A.B. Тепломассообмен: Справочник. - М.: Энергия, 1972. - 560 с.

23. Мшценко Л.Н. Исследование процессов теплообмена и гидродинамики в низкотемпературных тепловых трубах: Автореф. Дис, . канд. техн. наук. - Одесса, 1975. - 24 с.

24. Мориц. Влияние геометрии капилляров на максимальную тепло -вую нагрузку тепловой трубы. - В кн.: Тепловые трубы. М., 1972, с. 33-117,

25. Низкотемпературные тепловые трубы для летательных аппаратов. Воронин В.Г., Ревякин A.B., Сасин В.Я. - М,: Машиностроение, 1976, 220 с.

26. Петровский Ю.В., Фастовский В.Г. Современные эффективные теплообменники, - М,: Госэнергоиздат, - 1962. - 256 с.

27. Потапов Ю.Ф, Исследование гидродинамики течения жидкости в канале тепловой трубы. - Учен. зап. /Центр, аэро-гидрод. ин-т. 1970, т. 1, № 3. с. 126-131.

28. Ратиани Г.В,, Мествиришвили Ш.А., Шекриладзе И.Г, Анализ двух случаев процесса испарения с поверхности тонких ламинарных пленок. - Сообщ. АН ГССР, 1969, т. 55, № 3, с. 645648,

29. Сасин В.Я,, Сидоров C.B., Федоров В.Н. Гидродинамический анализ характеристик неравномерного потока жидкости в канальных тепловых трубах. - Инж. физ. журн., 1982, т. 42, 1, 139 С.

30. Сасин В.И., Темкин Б.Р., Архипов А.И. Процессы тепло- и массопереноса в канальных безартериальных тепловых трубах.

- Вопр. теплопередачи. Сб. Моск. энерг. ин-та, 1976, вып. 12, с. 159-164.

31. Семена М.Г., Гершуни А.Н., Зарипов В.К. Тепловые трубы с металловолокнистыми капиллярными структурами. - Киев: Вища школа, 1984. - 252с.

32. Семена М.Г. Тепловые трубы с металловолокнистыми капиллярными структурами: Автореф. Дисс. . д-ра техн. наук. - Киев, 1982. - 24 с.

33. Сидоров С.В. Разработка методов расчета гидродинамики, теп -ло- и массопереноса в канальных тепловых трубах. - Дис. . канд. техн. наук. - М., 1983. - 24 с.

34. Смирнов Г.Ф. Теоретические основы теплопередающих замкнутых испарительных систем охлаждения: Автореф. дисс. . д-ра техн. наук. - Ленинград, 1979. - 24 с.

35. Смирнов Г.Ф. Основы расчета эффективности системы с низко -температурными тепловыми трубами. - Инж. физ. журн., 1975, т. 28, № 2, с. 198-207.

36. Смирнов Г.Ф., Мищенко Л.Н. Методика выбора геометрических параметров низкотемпературных тепловых труб. - Теплоэнергетика, 1973, № 8, с. 82-84.

37. Смирнов Г.Ф., Афанасьев Б.А. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении в сеточных структурах тепловых труб.

- Вопр. радиоэлектроники, серия ТРТО, 1979, ,вып. 2, с. 2227.

38. Строжков А.И., Заяц В.В. Капиллярно-пористые структуры испа-рительно-конденсационных устройств. - Обнинск, 1981. - 14 с.

- /Препринт /ФЭИ-П56/.

39. Тарасов B.C. Исследование гидродинамического тепломассопере-носа в низкотемпературных артериальных тепловых трубах: Ав-тореф. дисс. . канд. техн. наук. - М., 1976. - 24 с.

40. Тарасов B.C., Николаев Н.С., Ревякин A.B. Гидродинамический анализ теплопереноса в плоских артериальных тепловых трубах. - В кн.: Тепломассообменные процессы и аппараты: Под ред. Крохина Ю.И. - Тр. /Моск. энерг. ин-т, 1974, вып. 198, с. 24-38.

41. Шильчаков П.Ф., Панчишин В.И. Моделирование потенциальных полей на электропроводной бумаге. - Киев: Изд-во АН УССР, 1961. - 172 с.

42. Фоменко А.Н. Некоторые результаты исследования тепло- и мас-сопереноса в прямоугольных капиллярных каналах зоны испаре -ния тепловых труб. - Изв. АН Латв. ССР, Сер. физ. и техн. наук, 1981, № 3, с. 63-70.

43. Фоменко А.Н. Стенд для исследования тепло- и массопереноса в капиллярных каналах модельной зоны испарения тепловой трубы. - Изв. АН Латв. ССР, Сер. физ. и техн. наук, 1981, Р 3, с. 56-62.

44. Хрусталев Д.К. Течение жидкости в капиллярных канавках при наличии касательных напряжений на свободной поверхности жидкости. - Минск: Из-во И1М0 АН БССР, 1981. - с. 37-44.

45. Худшмидт, Бурк, Кола. Влияние касательных напряжений, возникающих при движении пара на ламинарный поток жидкости в капиллярных тепловых трубах. - В кн.: Тепловые трубы. M., 1972, с. 203-И43.

46. Чи С. Тепловые трубы. Теория и практика. - М.: Машинострое -ние, 1981. - 20? с.

47. Тепловые трубы. /Перев. с анг. и нем.: Под ред. Шпильрайна Э.Э. - М.: Мир, 1972. - 420 с.

48. Alario J., Haslett R., Kosson R. The Monogroove High Performance Heat Pipe. - AIAA Paper, 1981, N ° 1136, p. 1-7.

49. Ayyaswamy P.S., Cotton J., Edwards D.E. Capillary Flow in Triangular Grooves Transactions of the ASME - J. of Applied

Mechanicks, 1974, June, p. 332-5-336, Paper N 0 73 - W A APM - 21).

30. Breman P.J., Kroliczek E.J., Ten H. Axially Grooved Heat Pipes. - AIAA Paper, 1977» N 0 747» p. 1-9.

51. Charles C., Roberts J. Prediction the Performance of Extruded Proove Heat Pipes. - In the book: Proc. 1-st, Intern., Heat Pipe Conf., Stutgart, 1973» p. 37*44.

52. Croll M., Supper VI., Savage C.J. Theoretical and Experimental Determination of the shutdown Characteristics of an Axial-Groove Liquid Trap Heat Pipe Thermal Diode - AIAA Paper, 1960, N 0 1483, p. 1+7.

53» Feldman K.T., Berger T.E. Analyses of the High-Heat-Flux

Water Heat Pipe Evaporator. - In the book: Technical Report M.E. - 62 (73) ONR - 012-2, the University of New Mexico, 1973» p. 13*18.

54. Feldman K.T., Munjet S. Experiments with Gravity-Assisted Heat Pipes with and without Circumferential Grooves. -J. Energy, 1979» v. 3» N 0 4, p. 211-216.

53. Frank K.S. Optimization of Grooved Heat Pipe. - In the book: Intersociety Energy Conversion Conference, 1967» ASME, p. 833-846.

56. Harwell W., Kaufman W.B., Tower L.K. Re-entrant Groove Heat. -Pipe. - AIAA Paper, 1977» N 0 773» p. 1+8,

57. Hon Zeng Q., Hua Cheng Sheng, Grou Shun. Performance Investigation and Application of Grooved Heat Pipes. -AIAA Paper, 1979» N 0 12» p. 1057.

58. Jip P.O. Design Parameter for Assessing V/ieking Capabilities of Heat Pipes. - J. Spacecroft and Rockets, 1976, v. 13}

H 0 4-, p.237*24-3.

59» Komotani J. Analyses of Axially Grooved Heat Pipe Condensers. - AIAA Paper, 1976, U ° 14-7, p. 1-9.

60. Masaki ITO. Boiling Heat Transfer and Presure Drop in Internal Spiral-Grooved Tubes. - Bulletin of the ISME, 1979» v. 22, N ° 171, p. 1251-1257.

61. Oliver R. C., Feldman K.T. Investigation of Grooved Heat Pipe Evaporators Employing Vapor Release slots. - AIAA Paper, 1979» N 0 1105, p. 1-6.

62. Robers C.G. Designing Heat Pipe Heat Sinks - AIAA Paper, 1975> IT 0 724, p. 1-10.

63. Scheider G.E., Yovanovich M.M. Thermal Analyses of Trapeseidal Grooved Heat Pipe Evaporator Walls. - AIAA Paper, 1976, N 0 481, p. 1-6.

64. Strazza N.P. CopperA^ater Axially - Grooved Heat Pipes: Fabrication and Performance Testing. Proch. 14-th Intersoc. Energy Convers., Eng. Conf. Boston, 1979» v. 2, p. 1466-1469.

65. Schneider G.E., Devos R. Nondimensional Analysis for the Heat Transport Capability of Axially Grooved Heat Pipes Including Liquid Vapor Interaction. - AIAA Paper, 1980, p. 214.

66. Vasiliev L.L.' , Abramenko A.N. i - in the book: Proceedings of Il-nd International Heat Pipe Conference. Bologna. Italy, 1976, p.465-472.