Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА О ПРОЦЕССАХ ГИДРОДИНАМИКИ
И ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ В ТЕРМОСИФОНАХ.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Классификация термосифонов и области их
применения в технике
Результаты проектирования и эксплуатации тепловых труб и термосифонов в различных областях техники
Перспективы применения двухфазных термосифонов в термоэлектрических охлаждающих элементах
Особенности процессов теплообмена при фазовых превращениях в низкотемпературных термосифонах
Основные характеристики и принципы построения диаграмм режимов течения даухфазных потоков...
Постановка задач исследования
2. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ
ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА И ТЕПЛООБМЕНА. ПРИ КИПЕНИИ В ТЕР
МОСИФОНЕ С ТОРЦОВЫМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА
2.1. Анализ и разработка метода структурной диаг
ностики двухфазного потока при естественной
конвекции
Выбор метода измерения истинного объемного паросодержания
Методические основы резистивного метода измерения локального истинного паросодержания
Выбор типа и параметров мостовой схемы измерения локального истинного паросодержания
стр.
стр.
Определение уровня дискриминации и времени интегрирования измеряемого сигнала 91
Конструктивные особенности, основные характеристики и технология изготовления датчиков измерения локального истинного паросо-дерясания 9 о
Разработка метода определения температуры поверхности кипения и тепловых потоков 100
Алгоритм обобщения опытных данных ' '^
Выводы ' I ^
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА И АНАЛИЗ
ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
3.1. Описание экспериментального стенда для моде
лирования естественной конвекции двухфазного
потока при кипении в термосифоне ' I о
Конструкция термосифона и результаты тарировки датчиков \ 1э
Анализ погрешности измерений ' J ->
Анализ погрешности измерения паросодеряания 135
Анализ погрешности измерения коэффициента теплоотдачи 137
Выводы 139
РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
ИССЛЕДОВАНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ И КРИЗИСА ТЕПЛООБМЕНА
ПРИ КИПЕНИИ В ТЕРМОСИФОНЕ С ТОРЦЕВЫМ ПОДВОДОМ
ТЕПЛА
Модель турбулентной диффузии формирования структуры двухфазного потока при кипении в термосифоне с торцевым подводом тепла I **'
Построение карт режимов циркуляции двухфазного потока в замкнутом объеме термосифона 1 5 3
Влияние циркуляции двухфазного потока на интенсивность теплообмена при кипении в термосифоне с торцевым подводом тепла lob
стр.
4.4. Влияние циркуляции двухфазного потока на
кризис теплообмена при кипении в термо
сифоне с торцевым подводом тепла 1 о U
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 1 87
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1 89
ПРИЮШИЯ:
I. Свидетельство о внедрении методики расчета
термоэлектрического генератора 215
7. Методика расчета автомобильного термоэлект
рического генератора с термосифонной систе
мой утилизации тепла отработанных газов I' '
3. Результаты измерения температур паросодержа-
ния и частоты ^ ^
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
c[J)- диаметр, м; Р F - площадь, м2;
Р -частота,
б - массовый расход, кг/с;
а - ускорение свободного падения, м/с ;
Dy— коэффициент диффузии,
К- коэффициент теплопередачи, ВтДиг.К);
3 - сила тока, А;
і - длина, м;
m - уровень дискриминации; H.L - высота, м;
m - масса, кг;
р - давление, Па;
Р - электрическая мощность, Вт;
Q - тепловой поток, Вт;
о - удельный тепловой поток, Вт/wry R/t- радиус, м; R- электрическое сопротивление, Ом;
ч- теплота парообразования, Дж/кг;
Т - абсолютная температура, К;
і- температура, С;
У- объем, м ;
V- напряжение, В;
Ьб - степень заполнения испарительной зоны термосифона теплоносителем;
оС - коэффициент теплоотдачи, Вт/(мг.К);
уб- расходное объемное паросодержание; толщина, м;
о- удельная плотность, уг/кг;
(р - паросодержание;
(5" -поверхностное натяжение, Н/м;
Я - коэффивдент теплопроводности, Вт/йгК ;
Z - параметр добротности, 1/К;.
х- массовое паросодержание;
Т- время, с;
Критерии подобия
п ,\йк - Рейнольдса ;
?ь= ^jf-v - пРанДтля S
0,7 -02
Nll"-75K -?ъ' - Нуссельта;
г?" иг
^
- Фруда,
Индексы:
may- максимальный; си- смеси: х - координата; f - жидкость; п,- пар; Ьн - внутренний; нр- критический.
Введение к работе
Актуальность исследования процессов теплообмена в низкотемпературных двухфазных термосифонах и разработка инженерных методов расчета обусловлена их практически неограниченной областью применения в различных отраслях техники, в частности, в холодильной - для охлаждения герметичных компрессоров, горячих спаев термоэлектрических батарей, для утилизации холода в системах кондиционирования воздуха; в энергетике и в радиоэлектронной промышленности - для охлаждения тепловыделяющих элементов и т.д. Такой широкий спектр применения вызван рядом задач, требующих сочетания высокой эффективности теплопереноса с надежностью, компактностью и автономностью работы систем.
В рамках международного сотрудничества проблема изучения процессов переноса в низкотемпературных тепловых трубах и термосифонах с 1973 г координируется организацией Евроатом, которая совместно с другими организациями планирует и проводит Международные конгрессы (один раз в три года) и симпозиумы. Страны ОЭВ организуют регулярный обмен информацией по этой проблеме по программе конгресса ХИОА (ЧООР).
Принцип действия двухфазного термосифона отличается своей простотой, что обусловливает и технологичность его изготовления. Термосифон представляет собой герметичный контейнер,частично заполненный промежуточным теплоносителем. При нагревании одной его части (нижней) теплоноситель закипает и образовавшийся пар поступает на участок охлаждения, где конденсируется. Конденсат под действием сил гравитации возвращается на участок обогрева, замыкая таким образом своеобразный теплообменный цикл. Использование скрытой теплоты парообразования в процессе последовательных фазовых превращений промежуточного теплоноси-
теля объясняет высокую эффективность тешюпереноса устройств такого класса. Сложность теоретического и экспериментального исследования интенсивности процессов теплообмена в термосифонах объясняется сопряженным характером протекания процессов теплообмена и особенностями гидродинамики в стесненных условиях. Поэтому в настоящей работе впервые проведено исследование влияния циркуляции двухфазного потока на интенсивность и кризис теплообмена при кипении в термосифоне с торцевым подводом тепла. Результаты исследования рассмотрены с единых позиций соответствия изучаемого процесса известным представлениям о закономерностях кипения в большом объеме.
Прямое экспериментальное исследование дополнено моделированием естественной конвекции двухфазного потока в замкнутом объеме в широком диапазоне изменения степени заполнения теплоносителем (водой) от 10 до 40$ при изменении числа Фруда от 0 до 2,0 в области низких давлений р = 0,05...0,2 бар.
На основе обсуждения новых экспериментальных данных в диссертационной работе получены и защищаются следующие научные положения и результаты:
Интенсивность теплообмена при кипении в термосифоне с торцевым подводом тепла при граничных условиях первого рода в области низких давлений ниже, чем при кипении в большом объеме, так как вследствие влияния стесненности объема формируется устойчивая циркуляция парожидкостного потока с нисходящим течением в центр поверхности нагрева, что обусловливает более высокие значения скорости отрыва пузырей, чем при кипении в большом объеме и, соответственно, более низкую интенсивность перемешивания пристенной области.
Более раннее наступление гидродинамического кризиса теплообмена при кипении в термосифоне, чем в условиях большого
объема вызвано тем, что зона смешения восходящего и нисходящего потоков, обладающая большим гидравлическим сопротивлением, чем раздельное течение, с ростом кинетической энергии образующихся пузырей снижается к поверхности нагрева и создает условия для формирования в пристенной области устойчивой пленки пара.
3. Переход к пенно-снарядному режиму течения при естественной конвекции двухфазного потока в замкнутом объеме происходит в зоне смешения восходящего и нисходящего потоков вследствие ее высокого гидравлического сопротивления, что приводит к дроблению и слиянию пузырей.
Результаты проведенного исследования могут быть использованы при проектных расчетах, например, систем охлаждения силового полупроводникового оборудования, горячих спаев термоэлектрических батарей и т.д.
Содержание работы изложено в четырех разделах.
В первом разделе выполнен обзор литературных данных по исследованию процессов теплообмена в низкотемпературных двухфазных термосифонах, характеристики режимов течения и построения карт. Рассмотрены области наиболее перспективных применений термосифонов в технике. Сформулированы задачи исследования.
Во втором разделе по результатам анализа разработан резис-тивно-емкостной метод измерения локального паросодержания в двухфазном потоке, определены конструктивные характеристики игольчатого датчика и технология его изготовления, разработан 12-канальный мост переменного тока и проведено сопоставление результатов определения температуры поверхности кипения графическим и аналитическим методами по данным измерений.
Третий раздел содержит описание экспериментальных стендов для исследования интенсивности теплообмена при кипении в термо-
сифоне и моделирования гидродинамики двухфазного потока барбо-тажем; описание конструкции термосифона и результаты тарировки датчиков, а также анализ погрешности измерений.
В четвертом разделе рассмотрены результаты теоретического анализа закономерностей формирования структуры двухфазного потока и проведено сопоставление с опытными данными; построены карты режимов циркуляции двухфазного потока в замкнутом объеме и установлено влияние циркуляции на интенсивность и кризис теплообмена при кипении в термосифоне с торцевым подводом тепла (граничные условия первого рода) в области низких давлений паров промежуточного теплоносителя.
Основные результаты исследований сформулированы в выводах и заключении.
Результаты диссертационной работы докладывались на научных конференциях Одесского технологического института холодильной промышленности в 1982, 1983 гг (г.Одесса); на заседаниях секции Научного совета АН УООР по комплексной проблеме "Теплофизика" в 1982, 1983 гг.
Основное содержание работы опубликовано в двух печатных работах:
1. Savchenkov G.A., Chumak I.G., Shulavsky . natural convec
tion of two-phase boiling mixture in the thermosyphon,
V International Conference "Heat Pipe", London, 1981.
2. Savchenkov G.A., Glushenko Ы.Т., Kunakov V.G., Antonov I.O.
and Shulaywski T. Hydrodynamic and heat-transfer boiling
in the low temperature thermosyphons, 8-th International
congress ChISA-84, Praha, Czecoslovakia.
