Теплообмен при испарении в открытых капиллярных каналах низкотемпературных тепловых труб и оптимизация их параметров

Планами развития народного хозяйства, Директивами ХХУ1 съезда КПСС предусмотрено интенсивное развитие радиоэлектроники, 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 обеспечения 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 охлаждения, 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 оптимальности 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 состояла в получении зависимостей по расчету теплоотдачи на участке подвода тепла ТТ с канавкамипо оптимальным параметрам канавчатых поверхностей и систем охлаждения с НТТ на основе экспериментальных, аналитических исследований и данных, полученных методом электротепловой аналогии.

В настоящей работе методом моделирования на электропроводной бумаге процессов теплопроводности, происходящих при испарении в смоченных канавчатых структурах, получены в широком диапазоне изменения геометрических, физических и режимных параметров, данные по относительной эффективной теплопроводности Хэ / Эти данные обработаны с использованием условных тепловых 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 трапецеидальние 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 применения ТТ с канавками в качестве элемента конструкции приборного 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 электромоделирования 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 соотношения 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&bdquo- •.

2. Оптимальные параметры канавчатых поверхностей тепловых труб определяются из условия минимума их термического сопротивления, 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 28.04.83 г. № 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 надежности», тема: 02.01: «Исследовать закономерности теплообменных процессов в тепловых трубах и создать методику расчета и оптимизации теплообменных систем на основе тепловых труб» .

общие вывода.

1. Результаты известных экспериментальных и расчетноаналитических исследований теплообмена при испарении с поверхности канавчатых структур отрывочны, разрозненны и не определяют 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 низкотемпературных 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 «внутреннием 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.: Теплои 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. Теплои 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 электровакуумного 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.: Теплои 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 тепловую 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. 645 648,.

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 теплои 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, теплои 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 низкотемпературными 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 теплои мас-сопереноса в прямоугольных капиллярных каналах зоны испарения тепловых труб. — Изв. АН Латв. ССР, Сер. физ. и техн. наук, 1981, № 3, с. 63−70.

43. Фоменко А. Н. Стенд для исследования теплои 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.: Машиностроение, 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.