ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ЗАМКНУТЫХ ДВУХФАЗНЫХ ТЕРМОСИФОНАХ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….......3
ГЛАВА 1. Современные представления (результаты экспериментальных и теоретических исследований) о процессах теплопереноса в замкнутых двухфазных термосифонах..……………………………………………………….....11
ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование теплопереноса в замкнутом двухфазном термосифоне….…………………………………………………………25
2.1. Описание экспериментальной установки и методика проведения исследований..……………………………………………………….………………...26
2.2. Оценка погрешностей измерений………………………………………34
2.3. Результаты экспериментальных исследований процессов теплопереноса в термосифоне………………………...……………………………...36
2.4. Влияние изоляции боковых вертикальных стенок термосифона на распределение температур в паровом канале..…...…………………………………55
ГЛАВА 3. Математическое моделирование теплопереноса в замкнутых двухфазных термосифонах…………………………………………………………...65
3.1. Физическая и геометрическая модели……………….………………....65
3.2. Математическая модель………………………………………………....68
3.3. Метод численного решения………………………..……………………71
3.4. Решение тестовых задач………………………………….......................72
3.5. Анализ основных закономерностей кондуктивного теплопереноса на нижней крышке, слое жидкости и верхней крышке термосифона с учетом фазовых превращений..………………………………….............................................80
3.6. Сравнительный анализ полученных экспериментально температурных распределений с результатами математического моделирования..……………......89
3.7. Анализ способов возможного использования термосифонов в системах охлаждения энергетического оборудования ……………..........................92
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ…………………………….............98
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……..……………...............101

Весь текст будет доступен после покупки

Для успешной работы современного энергетического оборудования важное значение имеет отвод теплоты от отдельных тепловыделяющих элементов [1–3] и интегральных модулей [4–6]. Применение традиционных способов охлаждения циркулирующей водой или вентиляторными установками не всегда осуществимо, но всегда энергозатратно. Это связано с тем, что возникает необходимость в развитых теплообменных поверхностях для отвода больших тепловых потоков. Постановка таких задач во многом определяется необходимостью решения проблемы тепловой защиты оборудования, возможностью регулирования (в рабочем диапазоне) температур машин и аппартатов, применением эффективных способов передачи и трансформации тепловой энергии [3, 7–8].
Перегрев даже отдельных элементов технических систем в условиях выхода из строя использующегося для отвода теплоты оборудования, может привести к аварийному режиму работы всей установки. Целесообразным в этой связи является анализ возможности использования автономных (независящих от источников электроэнергии) отводящих тепло устройств. Такими автономными теплообменниками являются тепловые трубы [9, 10], которые принято разделять на две группы – фитильные и бесфитильные. Фитильные тепловые трубы являются теплопередающими устройствами, применяемыми в космической технике, поскольку могут успешно работать в условиях невесомости. При наличии гравитационных сил (земные условия) во многих областях техники и отраслях промышленности предпочтительнее использовать термосифоны [11, 12].
Термосифон может использоваться для терморегулирования и термостатирования различных технических устройств и технологических процессов. Испарение и конденсация в термосифоне пространственно разделены, что позволяет трансформировать тепловые потоки за счет изменения соотношения поверхностей этих фазовых превращений. Применение таких достаточно эффективных [11, 12] теплообменников в системах охлаждения нагреваемых до высоких температур элементов конструкций машин и аппаратов может существенно повысить надежность их работы. Но до настоящего времени термосифоны в промышленности используются мало. Объяснить это можно тем, что недостаточно изучена физика совместно протекающих процессов теплопроводности, конвекции и фазовых превращений в паровом канале; в зонах испарения и конденсации; пленке конденсата, стекающего вдоль стенок; в корпусе термосифона.
Замкнутые двухфазные термосифоны (ТС) многими авторами рассматриваются [13–18] как достаточно перспективные и высокоэффективные, надежные теплопередающие теплообменные устройства за счет автономности, конструкционной гибкости, простоты изготовления, отсутствия движущихся частей и необходимости использования электроэнергии. В связи с этим, актуальным является исследование возможности применения термосифонов как основного элемента системы охлаждения приборов, устройств и оборудования [19–22]. Во многих исследованиях ТС, как правило, разделяется на три зоны: испаритель, адиабатный участок, конденсатор. Но деление это достаточно условное, т.к. перенос жидкости и пара, а также фазовые превращения происходят во всех зонах [23–25] с разной интенсивностью.
Следует отметить, что результаты изучения процессов теплопереноса в ТС и их теплопередающей способности представляют собой, как правило, выводы о преимуществах (или недостатках) конкретных вариантов термосифонов, теплоносителей, конструктивно–компоновочных схем, технических или технологических решений [26–31].
На основании анализа наиболее значимых [24–43] результатов исследования теплопереноса в замкнутых двухфазных термосифонах можно сделать вывод, что наибольшее значение имеет задача оценки «производительности» [9–11, 21–23] их работы и анализ влияния основных значимых факторов на теплопередающую способность [23, 39–42]. Основными характеристиками работы термосифонов рассматриваются. Как правило [23], их эффективная теплопроводность или термическое сопротивление. Но, в основном, эти характеристики обеспечивают только интегральные оценки производительности термосифона и не является базой для анализа закономерностей теплопереноса в таких теплообменниках. Более значимой для физического анализа является информация по температурным полям характерных зон термосифона. Но в связи с объективными трудностями такого рода измерений в большинстве случаев экспериментальные исследования [29–46] были ориентированы на анализ изменения температур только на отдельных участках внешней поверхности корпуса теплообменника. Вследствие же достаточно интенсивного перетока теплоты по корпусу термосифона как по поперечной, так и по продольной координатам, измерений температур внешних поверхностей недостаточно для анализа процессов, протекающих в зонах испарения, конденсации и в паровом канале. Немногочисленные результаты измерений температур в полости термосифона [47–50] отражают их изменение только в отдельных произвольных точках внутренней поверхности этого устройства. Для объективного анализа закономерностей процессов теплопереноса необходима информация о нестационарных распределениях температур в зонах испарения, транспорта пара и конденсации.
Теоретические исследования гидродинамических и тепловых процессов в термосифонах проводились в большинстве случаев с использованием коммерческих вычислительных пакетов типа Comsol и ANSYS FLUENT [51–57]. Но использование таких программных продуктов возможно только при известных эмпирических характеристиках процессов теплопереноса. Кроме того, численное моделирование с применением таких пакетов или авторских кодов [58–60] сопряжено с очень длительными вычислениями даже при описании исследуемых процессов в рамках двумерных постановок.
По этой причине актуальным является проведение экспериментов с целью установления распределений наиболее значимых характеристик процессов, протекающих в термосифоне (температур жидкости и паровом канале) при рабочих температурах, близких к критическим (высоких тепловых нагрузках). Также актуальна разработка менее сложных по сравнению с [51–60] математических моделей нестационарного теплопереноса в двухфазном термосифоне с целью описания процессов переноса теплоты с учетом фазовых переходов на границах раздела сред «жидкость – пар» и «пар – жидкость» при подводе теплоты к нижней крышке термосифона.
Цель работы заключается в разработке на основании анализа и обобщения результатов экспериментальных исследований основных закономерностей процессов теплопереноса в замкнутых двухфазных термосифонах математической модели (и метода расчета процессов теплопереноса), существенно менее сложной по сравнению с известными.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Разработка методики, планирование и проведение экспериментальных исследований по регистрации температурных полей во внутреннем объеме термосифона в условиях его работы в реальном для практики диапазоне изменения тепловых потоков от охлаждаемых технических устройств.
2. Экспериментальное исследование процессов теплопереноса в паровом канале, зонах испарения и конденсации при типичных для энергетического оборудования тепловых потоках, подводимых к нижней крышке двухфазного термосифона.
3. Разработка физической и математической моделей процессов теплопереноса в термосифоне.
4. Разработка метода и алгоритмов решения задач теплопереноса в термосифоне (программного кода) и оценка достоверности полученных результатов.
5. Определение влияния основных значимых параметров: коэффициента заполнения, интенсивности подвода теплового потока к нижней крышке, вида теплоносителя на режим теплопереноса в двухфазном термосифоне.
6. Обоснование возможности использования двухфазных термосифонов в системах охлаждения энергетического оборудования.
Научная новизна работы. Впервые по результатам экспериментальных исследований установлены закономерности изменения температуры в характерных сечениях парового канала, зон испарения и конденсации. По результатам анализа и обобщения экспериментальных данных разработана физическая модель теплопереноса в двухфазном термосифоне. Проведены теоретические исследования процессов теплопереноса в двухфазном термосифоне в рамках математической модели, существенно отличающейся от известных и учитывающей процессы теплопроводности и фазовые превращения в зонах испарения и конденсации при тепловых потоках, соответствующих условиям работы энергетического оборудования.
Практическая значимость. Разработанные физические и математические модели теплопереноса в двухфазных термосифонах могут быть использованы при разработке систем охлаждения энергетического оборудования на базе двухфазных термосифонов. Предложены варианты возможного применения исследовавшегося перспективного теплообменника в системах охлаждения силовых трансформаторов тепловых электрических станций.
Достоверность результатов численных исследований. Проведен анализ погрешностей результатов измерений при различных тепловых потоках, в рамках современной теории ошибок с использованием методов математической статистики. Установлено удовлетворительное соответствие температур в паровом канале, полученных в экспериментах, и результатов теоретических исследований автора диссертации. Достоверность последних подтверждается также тестированием используемых метода и алгоритма решения на менее сложных задачах, результаты решения которых опубликованы в международных журналах.
Научные положения и основные результаты, выносимые на защиту
1. Методика экспериментальных исследований процессов теплопереноса в закрытом двухфазном термосифоне при различных значениях коэффициента заполнения термосифона и условиях подвода теплоты.
2. Результаты экспериментальных исследований процессов теплопереноса в замкнутом двухфазном термосифоне.
3. При высоких тепловых потоках, подводимых к нижней крышке термосифона, характерные времена гидродинамических процессов в паровом канале термосифона много меньше характерных времен формирования температурного поля в слоях конденсата.
4. Математическая модель теплопереноса в замкнутых двухфазных термосифонах, существенно отличающаяся от известных и учитывающая процессы теплопроводности и фазовые превращения в зонах испарения и конденсации при тепловых потоках, соответствующих условиям работы энергонасыщенного оборудования.
5. Результаты численного моделирования теплопереноса в замкнутом двухфазном термосифоне, иллюстрирующие возможность применения разработанной в диссертации математической модели и метода решения задачи теплопереноса при прогностическом моделировании работы термосифона.
6. Предложения по возможному использованию термосифонов в системах охлаждения энергетического оборудования.
Апробация работы: основные положения и результаты, полученные при подготовке диссертации, докладывались на Всероссийской молодежной конференции «Химическая физика и актуальные проблемы энергетики» (Томск, 2012), на XI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2014), на III–V Международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы» (Томск, 2015 – 2017), на четвертой, пятой, шестой и седьмой Всероссийской научной конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2014 – 2017), на международной молодежной научной конференции «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 2015 – 2017).
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в трудах выше перечисленных конференций. Опубликовано 9 работ в изданиях, индексируемых базами данных «Scopus» и «Web of Science»: «European Physical Journal Web of Conferences», «MATEC Web of Conferences», 4 доклада в сборниках научных конференций, получены 4 патента на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, списка литературы. Диссертация изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунков, 6 таблиц. Библиография включает 173 наименования.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, отражена практическая значимость и научная новизна полученных результатов.
Первая глава отражает современное состояние и тенденции развития теоретических и экспериментальных исследований в области теплопереноса и гидродинамики в термосифонах. Представлены результаты экспериментальных исследований, где определение температурных полей проводятся по результатам показаний термопар на внешних поверхностях ТС. Проанализировано влияние группы значимых факторов на работу термосифонов, а также результаты математического моделирования процессов теплопереноса и гидродинамики с использованием программных пакетов или авторских кодов.
Во второй главе представлена методика экспериментальных исследований процессов теплопереноса в паровом канале термосифона, в зонах испарения и конденсации. Приведены результаты экспериментальных исследований температурных полей в термосифоне. По результатам экспериментальных исследований установлена зависимость изменения характерных температур от величины теплового потока, подводимого к нижней крышке термосифона. Зарегистрированы перепады температур по продольной и поперечной координатам. Установлены основные закономерности их изменения с увеличением теплового потока. Разработана физическая модель процессов теплопереноса в паровом канале.
В третьей главе приведены физическая модель и математическая постановка задач нестационарного теплопереноса на основе системы нестационарных дифференциальных уравнений теплопроводности в частных производных, а также методы ее решения. Верификация математической модели проводилась путем решения менее сложных задач. Приведены результаты численного анализа основных закономерностей процессов теплопереноса в двухфазных термосифонах. Установлено достаточно хорошее согласование полученных теоретических следствий с результатами экспериментальных исследований. Рассчитаны поля температур в слое хладагента на нижней крышке и в слое конденсата на верхней крышке, проанализированы особенности рассматриваемого процесса. Установлено влияние условий теплоотвода от верхней крышки термосифона на поля температур в слое конденсата и самой крышки при различных значениях коэффициентов теплоотдачи. Выделены основные параметры кондуктивного теплопереноса в слое жидкости определяющие тепловой режим термосифона. Рассмотрены несколько возможных вариантов использования двухфазных термосифонов в системах охлаждения энергетического оборудования. Обоснована возможность применения математической модели, разработанной автором диссертации для прогностического моделирования характеристик работы термосифонов.
В заключении подведены основные итоги экспериментальных и теоретических исследований, сформулированы соответствующие выводы.

Весь текст будет доступен после покупки

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ (РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ) О ПРОЦЕССАХ ТЕПЛОПЕРЕНОСА И ГИДРОДИНАМИКИ В ЗАМКНУТЫХ ДВУХФАЗНЫХ ТЕРМОСИФОНАХ.
Замкнутые двухфазные термосифоны (ТС) являются одним из эффективных автономных теплопередающих устройств [20–22]. В последние 15 лет благодаря интенсивному развитию промышленности и техники началась постепенная разработка и внедрение аппаратов, выполненных на базе таких теплообменников [9, 22]. Примеры использования замкнутых двухфазных термосифонов были известны еще с середины XX века [22, 57]. В начале прошлого столетия в хлебопекарных печах в качестве нагревательного элемента применялся ТС под названием труба Перкинса [61]. Во время Второй мировой войны возник серьезный интерес к таким устройствам в связи возможностью использования ТС в системе охлаждения лопаток газовых турбин [62]. При строительстве в районах вечной мерзлоты термосифоны получили широкое применение в термосваях Лонга [63]. Интенсивно использовать в технических устройствах термосифоны начали в шестидесятые годы прошлого века. Для защиты воздухоподогревателей от коррозионных повреждений во Всесоюзном теплотехническом институте был разработан воздухоподогреватель с промежуточным теплоносителем, обладавший повышенной стойкостью к серной коррозии [64]. В последующие годы двухфазные термосифоны начали использовать в отопительной технике [65]. В настоящее время в системах кондиционирования воздуха и утилизации установок испарительные ТС находят применение в газоплотных теплообменниках [66]. Значительные перспективы использования преимуществ теплопередающих устройств с испарительными ТС открываются в связи с исследованиями и разработками двухконтурных систем охлаждения теплонапряженных элементов металлургических печей [17–22].

Весь текст будет доступен после покупки

1. Воронин В.И., Бышнович П.А. Особенности конструкций элементов систем охлаждения электронной аппаратуры // Электронная промышленность. 1985. №9. С. 50–52.
2. Garimella S.V, Singhal V, Liu D. On–chip thermal management with microchannel heat sinks and integrated micropumps // Proceedings of the IEEE. 2006. V. 94, № 8. P. 1534–1548.
3. Fu W., Li X., Wu X., Zhang Z. Investigation of a long term passive cooling system using two-phase thermosyphon loops for the nuclear reactor spent fuel pool // Annals of Nuclear Energy. 2015. V. 85. P. 346–356.
4. Тепловые трубы для массогабаритных охлаждающих систем // Электроника. 1974. 47, №2. С. 34–39.
5. Обеспечение тепловых режимов изделий электронной техники / А. А. Чернышев, В. И. Иванов, А. И. Аксенов и др. М.: Энергия. 1980. – 216 с.
6. Marcinichen J.B, Thome J.R, Michel B. Cooling of microprocessors with micro-evaporation: A novel two-phase cooling cycle // International Journal of Refrigeration. 2010. V. 33. P. 1264–1276.
7. Tiwari M.K., Zimmermann S., Sharma C.S., Alfieri F., Renfer A., Brunschwiler T., Meijer I., Michel B., Poulikakos D. Waste heat recovery in supercomputers and 3D integrated liquid cooled electronics. // 13th IEEE ITHERM Conference, USA. 2012.
8. Исакеев А.И., Киселев И.Г., Филатов В.В. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов. – Л.: Энергоиздат, Ленинградское отделение, 1982. – 136 с.
9. Пиоро И.Л. Эффективные теплообменники с двухфазными термосифонами / Пиоро И.Л., Антоненко В.А., Пиоро Л.С. Киев: Наук. думка, 1991. 248 с.
10. Васильев Л.Л. Тепловые трубы и теплообменники с использованием, пористых материалов: Сб; науч. тр. Минск: ИТМО АН БССР. 1985. 178 с.
11. Васильев Л.Л. Теплообменники на тепловых трубах. – Минск: Наука и техника, 1981. – 143 с.
12. Семена M. Г., Гершуни A. H., Зарипов В. К. Тепловые трубы с металловолокнистыми капиллярными структурами. – Киев: Вища шк.,1985.–215с.
13. Коленко Е.А., Вердиев М.Г. Использование термосифонов в термоэлектрическом приборостроении // Гелиотехника. – 1973. – №1. – С. 10 – 12.
14. Examples of heat pipe application in chemical, electrical and other industries / A. Gerak, L. Horvath, F. Jelinek et al // Prep. 6lh Int. Heat Pipe Conf. (Grenoble, France, May, 1987). - Grenoble, 1987. – P. 522 – 530.
15. Носков А. В., Исакеев А. И., Буянов А. В. Влияние степени заполнения двухфазных термосифонов теплоносителем на эффективность охлаждения силовых полупроводниковых приборов // Изв. вузов. Энергетика. – 1984. – № 12. – С. 77 – 81.
16. Faghri A. Heat pipe science and technology. Taylor & Francis, Philadelphia, PA, 1995.
17. Безродный М.К., Файнзильберг С.Н., Белойван А.И. Исследование кризиса теплопереноса в замкнутых двухфазных термосифонах // Изв. Вузов. Черная Металлургия. 1976. №9. С.161–165.
18. Безродный М.К., Белойван А.И. Исследование максимальной теплопередающей способности замкнутых двухфазных термосифонов // ИФЖ. 1976. Т. 30. № 4.
19. Новохацкий Е.М., Горовой А.М. Внутреннее термическое сопротивление термосифона // Изв. Вузов. Энергетика. 1978. №5. С.87–92.
20. Безродный М.К., Волков С.С., Мокляк В.Ф. Двухфазные термосифоны в промышленной теплотехнике. – Киев: Вища школа. 1991. 75 с.

Весь текст будет доступен после покупки