CC BY
13
АНАЛИЗ РАБОТЫ ИСПАРИТЕЛЯ ТЕРМОСИФОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА THERMACAM RESEARCHER Гадельшин М.Ш.1, Кибардин А.В.2, Валенцева А.В.3, Выгузова К.В.4 Email: Gadelshin17132@scientifictext.ru
'Гадельшин Марат Шавкатович — кандидат физико-математических наук, доцент; 2Кибардин Алексей Владимирович — кандидат физико-математических наук, доцент;
3Валенцева Алена Валерьевна — студент, кафедра технической физики, физико-технологический институт, Уральский федеральный университет; 4Выгузова Ксения Валерьевна — преподаватель, кафедра информационных технологий и защиты информации, электротехнический факультет, Уральский государственный университет путей сообщения, г. Екатеринбург
Аннотация: в статье проводится анализ преимуществ в работе испарителя термосифона с капиллярной структурой. Использование капиллярной структуры позволяет уменьшить величину заправки, что улучшает работу конденсатора. Описана методика исследования способности капиллярной структуры обеспечивать транспорт теплоносителя и процесс испарения. Представлены результаты тепловизионного исследования функционирования испарителя в виде пластины толщиной 0.3 мм с капиллярной структурой из нержавеющей стали длиной 152 мм и шириной 27.2 мм. Капиллярная структура изготовлена диффузионной сваркой с пластиной двух мелкоячеистых сеток с характеристиками: диаметр проволоки составляет 40 мкм, номинальный размер стороны ячейки в свету — 63 мкм. В качестве рабочей жидкости использовался ацетон. Показано, что существует область высотой h, для которой характерна термостабилизация; так при нагрузке q=0.24 Вт/см2 высота h=40 мм, а для областей со значением высоты h^ > h наблюдается временная стабилизация температуры. Ключевые слова: термосифон, капиллярно-пористая структура, плотность тепловой нагрузки, испарение, тепловизор.
ANALYSIS OF OPERATION THE THERMOSYPHON EVAPORATOR USING THERMACAM RESEARCHER SOFTWARE Gadelshin M.Sh.1, Kibardin A.V.2, Valentseva A.V.3, Vyguzova K.V.4
'Gadelshin Marat Shavkatovich — Candidate of physico-mathematical sciences, Associate Professor;
2Kibardin Alexey Vladimirovich - Candidate of physico-mathematical sciences, Associate Professor; 3Valentseva Alena Valerevna — Student, DEPARTMENT OF TECHNICAL PHYSICS, INSTITUTE OF PHYSICS AND TECHNOLOGY, URAL FEDERAL UNIVERSITY; 4Vyguzova Kseniya Valerevna — Lecturer, DEPARTMENT OF INFORMAITION TECHNOLOGY AND INFORMAITION SECURITY, ELECTROTECHNICAL FACULTY, URAL STATE UNIVERSITY OF RAILWAY TRANSPORT, EKATERINBURG
Abstract: the article analyzes advantages of evaporator with capillary structure. The use of a capillary structure allows to reduce amount of refueling, which improves operation of termosiphon condenser. The method of studying the ability of a capillary structure to provide transport of coolant and also evaporation process is described. Results of thermal imaging studies of the functioning of the evaporator in the form of a plate with a thickness of 0.3 mm with a capillary structure of stainless steel '52 mm long and 27.2 mm wide are presented. The capillary structure is made by diffusion welding a plate with two fine-mesh grids: the wire diameter is 40 pm, the nominal size of the cell side in the light is 63 pm. Acetone was used as a working fluid. It is shown that there exists a region with height h, which is characterized by thermal stabilization; for example, with a load q = 0.24 W/cm2 the height is h = 40 mm, andfor areas with a height value of Ърб > h there is a temporary stabilization of temperature.
Keywords: thermosyphon, capillary-porous structure, heat load density, evaporation, thermal imager.
УДК 621.18, 621.5
Использование капиллярной структуры в испарителях теплопередающих устройств (ГПУ) дает значительное преимущество в работоспособности. В работах [1-3] представлены результаты тепловизионного исследования работоспособности испарителя ГПУ с капиллярной структурой. Задачей настоящей работы является анализ преимуществ испарителя термосифона с капиллярной структурой и разработка методики измерения капиллярно-транспортных свойств.
На рис. 1 представлены две конструкции термосифонов: а) испаритель с капиллярной структурой и б) испаритель без капиллярной структуры. Испаритель с капиллярной структурой выполнен на основе пластины толщиной 0.3 мм из нержавеющей стали длиной 152 мм и шириной 27.2 мм. Капиллярная структура изготовлена диффузионной сваркой с пластиной двух мелкоячеистых сеток с характеристиками: диаметр проволоки составляет 40 мкм, номинальный размер стороны ячейки в свету - 63 мкм. Показаны испаритель с зоной испарения 1, конденсатор с зоной конденсации 2, а также транспортные участки для переноса пара и конденсата: паропровод 3 и конденсатопровод 4. Капиллярная структура 5 выполнена на внутренней поверхности испарителя в области зоны испарения. Изображены уровни 6 заправок О-О.
а) б)
Рис. 1. Конструкции термосифонов: а) испаритель снабжен капиллярной структурой, б) испаритель выполнен без капиллярной структуры: 1 — испаритель совместно с зоной испарения, 2 — конденсатор совместно с зоной конденсации, 3 — паропровод, 4 — конденсатопровод, 5 — капиллярная структура,
6 — уровень заправки О-О
В зоне испарения 1 при уровне заправки 2 теплоподводящие элементы (охлаждаемые элементы) 3 могут быть расположены произвольно (рис. 2), а также они могут функционировать так, что их включение производится в произвольные моменты времени. Поэтому важно определиться с уровнем заправки. Если уровень заправки расположен ниже области размещения охлаждаемого элемента ОЭ1, то при выключенном ОЭ2 (т.е. в условиях отсутствия теплоподвода от ОЭ2) испаритель не будет работать при включении ОЭ1. Таким образом, уровень заправки должен быть выше верхней границы зоны испарения, т.е. выше всех возможных областей расположения охлаждаемого элемента. Вместе с тем, при такой заправке в случае включения только ОЭ2 имеется излишнее количество теплоносителя, которое будет бесполезно прокачиваться по контуру.
Рис. 2. Схема размещения охлаждаемых элементов: 1 — испаритель совместно с зоной испарения, 2 — уровень заправки О-О, 3 — охлаждаемые элементы ОЭ1 и ОЭ2
Использование капиллярной структуры позволяет заливать меньшее количество теплоносителя в устройство. При этом уменьшается содержание жидкой фазы в потоке на участках паропровода и зоны конденсации за счет уменьшения содержания жидкой фазы на выходе из испарителя (особенно сильно это проявляется в случае включения только ОЭ1) и за счет уменьшения излишка теплоносителя. Тогда содержание жидкой фазы в области зоны конденсации уменьшается, а это существенным образом улучшает работу конденсатора.
Использование капиллярной структуры позволяет значительно уменьшить массовую циркуляцию теплоносителя по контуру. Понятно, что излишняя массовая циркуляция ухудшает работу испарителя, поскольку создаются дополнительные гидравлические сопротивления для пара от испарителя к конденсатору.
Чтобы обеспечен был гарантированный отвод тепла от охлаждаемых элементов, капиллярная структура должна быть способной обеспечивать транспорт теплоносителя на высоту Н от уровня заправки, т.е. от уровня заправки до верхней границы зоны испарителя (рис. 1). Следует заметить, что для данной капиллярной структуры Н зависит от плотности тепловой нагрузки q; чем меньше q, тем больше Н.
Режим работы испарителя различный на участках выше уровня заправки и ниже уровня заправки. На участках ниже уровня заправки имеет место пузырьковое кипение (рис. 1). Образующиеся пузырьки по мере роста перекрывают поперечник и выталкивают жидкость при дальнейшем расширении на участки выше уровня заправки, смачивая тем самым эти участки. На них происходит испарение со свободных поверхностей.
Для обработки данных экспериментальных измерений на термограмме пластины длиною Ь равномерно по её длине нанесены пронумерованные снизу вверх N меток в виде отрезков прямых, параллельных ширине пластины. Были извлечены результаты в виде средних значений температур меток. На рис. 3 представлены схема обработки термограмм (тепловизионных изображений) и извлечённые данные для ацетона при q= 0.24 Вт/см2 и N=15 меток. Заметим, что здесь Нра6. и Н - обозначения размеров соответствующих областей пластины длиной Ь.
Рис. 3. Схема обработки термограмм и извлечённые данные распределения температуры Т (°С) при плотности тепловой нагрузки д=0.24 Вт/см2: 1 — термограмма пластины; 2 — пронумерованные метки в
виде отрезков прямых линий
При нагрузке д=0.24 Вт/см2 для области, включающей п=4 нижние метки и высотой Н=пЬ/М=40 мм, имеет место стабилизация распределения температуры (рис. 3). Для участков выше этой метки п=4, т.е. в области высотой Нраб, наблюдается стабилизация температуры лишь в течение небольшого отрезка времени Справа представлены извлеченные данные по распределению температуры для моментов времени 1раб=24.5 с, соответствующего Нраб=70 мм, и 1стаб=141 с. Заметим дополнительно, что для области высотой Нраб=50 мм длительность стабильной работы 1раб= =55 с (не показано на рисунке). При значениях времени около 1стаб= =141 с устанавливается стабилизация температур в области Н=40 мм.
Список литературы / References
1. Гадельшин М.Ш., Кибардин А.В., Гадельшин В.М. Работоспособность испарителя плоской тепловой трубы при различных ориентациях // Проблемы современной науки и образования, 2016. № 3 (45). C. 71-75.
2. Гадельшин М.Ш., Кибардин А.В., Гадельшин В.М. Теплопередающая способность термосифона на основе испарителя с мелкосетчатой капиллярной структурой // Проблемы современной науки и образования, 2016. № 5 (47). C. 47-50.
3. Гадельшин М.Ш., Кибардин А.В., Долгирев Ю.Е., Закиров А.А., Скворцов Д.В. Исследование работы плоской тепловой трубы при сложных тепловых нагрузках // Проблемы современной науки и образования, 2017. № 3 (85). C. 48-50.
