CC BY
26
Машиностроение U компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278 УДК 536.248.2
Экспериментальное исследование режимов работы плоской контурной тепловой трубы
Афанасьев В.Н.1, НедаЙВОЗОВ A.B.1'* ''alexnede6@igmail.com
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
В статье представлены результаты экспериментального исследования режимов работы плоской контурной тепловой трубы. Установлено, что рабочее тело на выходе из испарителя, как правило, парожидкостная смесь с разной степенью паросодержания. Экспериментально установлены причины возникновения колебательного режима работы КТТ при низких тепловых мощностях. Экспериментально исследовано влияние конструктивных параметров паропровода и течения теплоносителя в нем на режим работы устройства.
Ключевые слова: контурная тепловая труба, фитиль, испаритель, конденсатор, компенсационная полость, режимы работы
Введение
Научно-технический прогресс и интенсивное развитие космической, компьютерной, электронной и других видов техники способствует ужесточению требований к компактности, надежности и долговечности систем охлаждения. К числу таких эффективных и надежных систем относятся тепловые трубы (ТТ) [1], к которым в настоящее время проявляется большой интерес вызванный современной тенденцией к миниатюризации теплооб-менных устройств и аппаратов (ноутбуки, сотовые телефоны, топливные элементы и др.). Повышенный интерес к ТТ обусловлен их основными свойствами: возможность передачи больших тепловых потоков при малых перепадах температур; способность передавать теплоту при произвольной ориентации в поле действия массовых сил; существенное уменьшение массы и габаритов теплопередающих систем; удобство и простота монтажа и обслуживания; отсутствие затрат энергии на перемещение теплоносителя и отсутствие подвижных деталей; возможность изготовления теплоотводов различной геометрической формы; бесшумность; долговечность и надежность работы и т.п. Но наряду с многочисленными преимуществами тепловые трубы ограничены по величине передаваемых мощностей и расстоянию переноса теплоты, что существенно сужает область их применения. Этих недостатков лишены контурные тепловые трубы (КТТ), которые являются одним из видов ТТ и обладают всеми их достоинствами, однако, по сравнению с обычными тепло-
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2019. № 01. С. 1-12.
Б01: 10.24108/0119.0001448
Представлена в редакцию: 17.12.2018
© НП «НЭИКОН»
выми трубами, они способны передавать достаточно эффективно теплоту на расстояние до нескольких метров при любой ориентации в гравитационном поле или до нескольких десятков метров в горизонтальном положении или в невесомости [2, 3]. Основным конструктивным отличием КТТ от ТТ является наличие раздельных каналов для пара и жидкости, которые представляют собой гладкостенные трубки малого диаметра, что приводит к снижению потерь давления на транспортных участках переноса теплоносителя, а отсутствие пористого материала внутри трубопроводов позволяет укладывать их, изгибая, как это требуется в условиях жестких пространственных ограничений. В настоящее время КТТ используются в космической технике, в области охлаждения силовой электроники, компьютерных компонентов и технологического оборудования [2-7].
КТТ являются пассивными теплопередающими устройствами, для запуска и работы которых не требуются дополнительные процедуры или средства активного воздействия. Несмотря на то, что данные устройства известны уже достаточно давно, интерес к ним продолжает расти, поскольку потенциальные возможности ТТ и КТТ полностью не реализованы и связано это, главным образом, с технологическими ограничениями, отсутствием единого теоретического представления о процессах, происходящих в КТТ и рядом других причин. Кроме того, при экспериментальных исследованиях и практическом применении КТТ было обнаружено существование колебательного режима работы устройства [8], причины возникновения которого полностью не изучены. Такой режим работы КТТ в некоторых случая недопустим и приводит к значительному сокращению срока работы устройства.
Экспериментальное исследование
В данной статье приведены результаты экспериментального исследования режимов работы плоской контурной тепловой трубы и установлены причины возникновения колебательного режима работы устройства при низких тепловых мощностях.
В работе [9] показано существование парожидкостного течения в паропроводе. При возникновении парожидкостного течения теплоносителя в условиях гравитации влияние конструктивных особенностей паропровода существенно и может привести к трудностям с запуском и к неустойчивому режиму работы КТТ при определенных значениях тепловой мощности. Для исследования описанного явления проведено экспериментальное исследование влияния конструктивных параметров паропровода и режимов течения теплоносителя в нем на работу устройства.
Экспериментальные исследования проводились на плоской контурной тепловой трубе (рис. 1), созданной в МГТУ им. Н.Э. Баумана [10, 11]. КТТ состоит из испарителя, фитиля 2, конденсатора типа «змеевик» 6 и компенсационной полости 5, которые соединены между собой трубопроводами - паропроводом 3 и конденсатопроводом 4. Испаритель включает в себя латунную пластину нагрева 1 диаметром ё=75 мм и толщиной Ь=7,5 мм с припаянными к ней цилиндрическими ребрами. Сверху на ребра устанивливается металлический фитиль 2 толщиной 2,5 мм (спеченный порошок марки ПНС 10). Простран-
ство между ребрами пластины нагрева и фитилем служат пароотводными каналами, из которых теплоноситель поступает в паропровод. В качестве паропровода и конденсатопро-вода использовались вакуумные трубками с внутренним диаметром 4 мм.
На рис. 1 приведена схема установки термопар - точки, в которых измерялись соответствующие температуры: Т6 - температура пара на выходе из испарителя; Т7 и Т8 - температуры на входе и выходе конденсатора; Тю - температура на внешней поверхности крышки; Тц - температура теплоносителя на входе в КП. Термопара Т1, измеряющая температуру в центре поверхности нагрева, на рис.1 не показана. Данные с термопар считы-вались при помощи крейта Lcard LTR27 и передавались на компьютер. Использовались хромель-копелевые термопары толщиной 0,2 мм.
Тепловая нагрузка создавалась плоским керамическим нагревателем WATLOW, который подключался к сети через ваттметр и лабораторный трансформатор, что позволяло измерять подводимую к испарителю мощность и плавно изменять от 20 до 140 Вт. Конденсатор располагался выше испарителя на 400 мм. Начальное давление в контуре КТТ для всех экспериментальных исследований поддерживалось равным 10 кПа. В качестве теплоносителя использовалась деионизированная дистиллированная вода.
Исследовалось влияние диаметра рабочего участка паропровода на характер течения теплоносителя в нем и как это сказывается на режиме запуска и работы КТТ. Для этого часть участка паропровода на выходе из испарителя заменялась стеклянной трубкой - рабочий участок. В качестве рабочего участка использовались стеклянные трубки с внут-
Тт
Рис. 1. Плоская КТТ и схема расположения термопар
ренним диаметром 4 мм и 7 мм и длиной 65 мм. Это позволило визуализировать характер течения теплоносителя на выходе из испарителя, его теплофизическое состояние и определить причины колебательного режима КТТ.
Экспериментальное исследование влияния диаметра рабочего участка
на режим работы КТТ
Рабочий участок - стеклянная трубка с внутренним диаметром 7 мм.
На рис. 2 представлена осциллограмма эксперимента, на которой показаны изменения температур в характерных точках КТТ при тепловой нагрузке 110 Вт.
1Z0
Т. °С
LOO
ВО
Бй
40
О ZOO 400 №0 SOD ЮОР iJQO ЦК) 1600 1ВП0 t, c JEW
Рис. 2. Изменение температуры в характерных точках КТТ от времени при тепловой мощности 110 Вт
Из рассмотрения осциллограммы отчетливо видно время и порядок выхода на режим каждого отдельного участка и установки в целом. Нетрудно заметить, что примерно через 17 минут испаритель, а через 20 минут и конденсатор вышли на установившийся режим, т.к. показания соответствующих термопар приняли постоянные значения Ti = 109,5 °С и T6 = 95 °С.
Затем эксперимент был повторен при тепловых нагрузках 140, 80 и 40 Вт. На рис. 3 представлен график изменения температур в характерных точках КТТ от времени и в зависимости от тепловой мощности. Запуск проводился при тепловой мощности 110 Вт. После выхода КТТ на стационарный режим работы при тепловой мощности 110 Вт, а затем и на других режимах, было обнаружено сложное парожидкостное течение теплоносителя на выходе из испарителя на исследуемом участке - стеклянной трубке (рис. 4). Наблюдается тонкий слой жидкого теплоносителя на боковой поверхности стеклянной трубки. Это говорит о том, что на выходе из испарителя рабочее тело (теплоноситель) - это парожидко-станая смесь с разной степенью паросодержания. Температура на поверхности нагрева при 110 Вт составляет 109,5 °С (рис. 2).
Рис. 3. Изменение температуры в характерных точках КТТ от времени в зависимости от тепловой мощности
Рис. 4. Фотографии при течении теплоносителя в паропроводе в разные моменты времени при тепловой
мощности 110 Вт
При снижении тепловой мощности до 80 Вт паросодержание в паропроводе уменьшается, и, как следствие, увеличивается жидкая составляющая парожидкостной смеси, что приводит к увеличению толщины пленки жидкого теплоносителя на поверхности стеклянной трубки (рис. 5). При режиме 80 Вт в рабочем участке (стеклянной трубке) паропровода появились вертикальные колебания жидкого теплоносителя, но с другой стороны жидкий теплоноситель не перекрывает канал паропровода, т.е. пар постоянно поступает в конденсатор. Режим работы КТТ - стационарный. Температура поверхности нагрева Т1 при уменьшении тепловой нагрузки с 110 Вт до 80 Вт уменьшилась с 109,5 °С до 101,5 °С (рис. 2, 3).
При дальнейшем уменьшении тепловой нагрузки до 40 Вт жидкий теплоноситель полностью перекрывает проходное сечение паропровода (рис. 6). Пар с низким процентом
паросодержания не может преодолеть дополнительное сопротивление, вызванное уровнем жидкого теплоносителя в паропроводе и не достигает конденсатора. Наблюдаются вертикальные колебания уровня жидкого теплоносителя в исследуемом участке паропровода. Температура поверхности нагрева Т1 при уменьшении тепловой нагрузки с 80 Вт до 40 Вт уменьшилась с 101,5 °С до 98,8 °С (рис. 3). В данном случае работы замкнутого контура КТТ не наблюдается, КТТ работает в режиме термосифона.
Рис. 5. Фотографии при течении теплоносителя в паропроводе в разные моменты времени при тепловой
мощности 80 Вт
Рис. 6. Фотография теплоносителя в исследуемом участке паропровода при тепловой мощности 40 Вт
Рабочий участок - стеклянная трубка с внутренним диаметром 4 мм.
На рис. 7 представлен график изменения температур в характерных точках КТТ от времени в зависимости от подводимой тепловой мощности. Запуск производился при тепловой мощности 140 Вт. При выходе установки на режим обнаружено, что мощности конденсатора недостаточно для устойчивой стационарной работы КТТ. Через 14 минут после начала эксперимента тепловая мощность была снижена до 110 Вт.
Рис. 7. Изменение температуры в характерных точках КТТ от времени в зависимости от тепловой мощности
При снижении тепловой мощности до 110 Вт установка выходит на устойчивый стационарный режим работы. В исследуемом участке паропровода наблюдается парожидко-стное течение теплоносителя (рис. 8), толщина пленки жидкого теплоносителя стабильна. Проводя аналогию с режимами течения двухфазного потока в вертикальных трубах [12], режим течения в паропроводе КТТ - кольцевой. Уменьшение диаметра трубки на исследуемом участке паропровода привело к снижению температуры поверхности нагрева Т1 с 109,5 °С для варианта с трубкой внутренним диаметром 7 мм до 100 °С в данном случае -с диаметром 4 мм.
При снижении тепловой нагрузки до 80 Вт наблюдается плавный переход на устойчивый стационарный режим работы КТТ (рис. 7). Паросодержание на исследуемом участке уменьшается, изменения режима течения парожидкостной смеси не наблюдается (рис. 9). Температура поверхности нагрева Т1 плавно уменьшается с 100 °С при тепловой мощности 110 Вт до 96,5 °С в данном случае (101,5 °С для варианта с трубкой внутренним диаметров 7 мм).
Рис. 8. Фотографии при течении теплоносителя в паропроводе в разные моменты времени при тепловой
мощности 110 Вт
Рис. 9. Фотографии при течении теплоносителя в паропроводе в разные моменты времени при тепловой
При снижении тепловой нагрузки до 60 Вт происходит изменение режима течения на исследуемом участке паропровода КТТ с кольцевого на снарядный (рис. 10) [12]. Для данного режима характерно кратковременное перекрытие проходного сечения жидким теплоносителем, что приводит к температурным колебаниям во всем контуре КТТ (рис. 7). Режим работы КТТ относится к колебательному. Амплитуда колебаний температуры поверхности нагрева составляет 3°С, амплитуда колебаний температуры конденсатора на входе Т7 - около 20 °С, период колебаний - 210 с.
Рис. 10. Фотографии при течении теплоносителя в паропроводе в разные моменты времени при тепловой
При уменьшении тепловой нагрузки до 40 Вт жидкий теплоноситель полностью перекрывает проходное сечение паропровода. Наблюдаются вертикальные колебания уровня жидкого теплоносителя на исследуемом участке. Температура поверхности нагрева Т1 при уменьшении тепловой нагрузки с 60 Вт до 40 Вт после колебательного режима стабилизируется и становится постоянной и равной 100,1 °С (рис. 7). В данном случае КТТ работает в режиме термосифона. Дальнейшее уменьшение тепловой мощности до 20 Вт приводит к незначительному росту (на 2 °С) температуры поверхности нагрева, наблюдается стабильная стационарная работа испарителя КТТ.
мощности 80 Вт
мощности 60 Вт
Заключение
На основе проведенного экспериментального исследования влияния тепловой мощности, конструктивных параметров паропровода и характера течения теплоносителя в нем на режим работы КТТ можно сделать следующие выводы:
1. На всех исследованных режимах работы КТТ обнаружено парожидкостное течение теплоносителя в паропроводе - теплоноситель парожидкостаная смесь с разной степенью паросодержания.
2. Режим течения парожидкостной смеси зависит от тепловой нагрузки, теплофизиче-ских свойств теплоносителя, его паросодержания, параметров паропровода. Уменьшение внутреннего диаметра исследуемого участка паропровода с 7 мм до 4 мм привело к увеличению паросодержания в нем и к снижению температуры поверхности нагрева при тепловых нагрузках выше 80 Вт. Уменьшение тепловой нагрузки с 80 Вт до 60 Вт приводит к смене режима течения пароводяной смеси от кольцевого до снарядного.
3. Получено, что при низких тепловых нагрузках (до 40 Вт) не наблюдается работа контура КТТ. КТТ работает в режиме термосифона. Для данных тепловых мощностей влияние диаметра паропровода на тепловое состояние КТТ не наблюдается.
4. Обнаружено, что режим работы КТТ при низких тепловых мощностях зависит только от режима течения теплоносителя в паропроводе. При кольцевом режиме течения теплоносителя в паропроводе наблюдается стационарный режим работы КТТ, при снарядном режиме течения - колебательный.
Список литературы
1. Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы: пер. с англ. М.: Энергия, 1979. 271 с. [Dunn P.D., Reay D.A. Heat pipes. Oxf.; N.Y.: Pergamon Press, 1976. 299 p.].
2. Майданик Ю.Ф. Достижения и перспективы развития контурных тепловых труб // 4-я Российская национальная конф. по тепломассообмену: РНКТ-4 (Москва, 23-27 октября 2006 г.): Труды. Т. 1: Пленарные и общие доклады. Доклады на круглых столах. М.: МЭИ, 2006. С. 84-92.
3. Майданик Ю.Ф. Контурные тепловые трубы и двухфазные теплопередающие контуры с капиллярной прокачкой: дис. ... докт. техн. наук. М., 1993. 47 с.
4. Yakomaskin A.A., Afanasiev V.N., Zubkov N.N., Morskoy D.N. Investigation of heat transfer in evaporator of microchannel loop heat pipe // Trans. of the ASME. J. of Heat Transfer. 2013. Vol. 135. No. 10. Pp. 101006-101006-7. DOI: 10.1115/1.4024502
5. Майданик Ю.Ф. Контурные тепловые трубы - высокоэффективные теплопередающие устройства // Инновации. 2003. № 5 (62). С. 83-86.
6. Randeep Singh, Aliakbar Akbarzadeh, Masataka Mochizuki. Thermal potential of flat evaporator miniature loop heat pipes for notebook cooling // IEEE Trans. on Components and Packaging Technologies. 2010. Vol. 33. No. 1. Pp. 32-45. DOI: 10.1109/TCAPT.2009.2031875
7. Vasiliev L.L. Micro and miniature heat pipes - Electronic component coolers // Applied Thermal Engineering. 2008. Vol. 28. No. 4. Pp. 266-273. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2006.02.023
8. Судаков Р.Г. Исследование нестационарных и колебательных режимов работы контурных тепловых труб: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Екатеринбург, 2004. 100 с.
9. Po-Ya Abel Chuang, Cimbala J.M., Brenizer J.S. Experimental and analytical study of a loop heat pipe at a positive elevation using neutron radiography // Intern. J. of Thermal Sciences. 2014. Vol. 77. Pp. 84-95. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2013.10.010
10. Афанасьев В.Н., Недайвозов А.В., Якомаскин А.А. Экспериментальное исследование процессов в "контурных" тепловых трубах // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2014. № 2(95). С. 44-61.
11. Афанасьев В.Н., Недайвозов А.В. Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик контурной тепловой трубы с открытой компенсационной полостью // Наука и образование: МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 11. С. 38-54.
DOI: 10.7463/1116.0849572
12. Кутепов А.М., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. 2-е изд. М.: Высш. шк., 1983. 447 с.
Mechanical Engineering & Computer Science
Electronic journal
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278
Experimental Investigation of the Operation Modes of a Flat Loop Heat Pipe
V.N. Afanasiev1, A.V. Nedayvozov
Mechanical Engineering and Computer Science, 2019, no. 01, pp. 1-12.
DOI: 10.24108/0119.0001448
Received:
© NP "NEICON"
1,*
17.12.2018
alexnede6iSgmail.com :Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: loop heat pipe, evaporator, condenser, wick, compensation chamber
The paper presents the experimentally investigated operation modes of a flat loop heat pipe (LHP). The LHP is an efficient heat transfer device operating on the principle of evaporation-condensation cycle and successfully applied in space technology, including cooling heat-stressed components of electronic devices and computer equipment.
We have experimentally studied how design parameters of the vapor line and its coolant flow influence on the LHP operation mode and also have determined the causes for emerging oscillatory mode of the LHP operation at low heat load. The paper depicts the experimentally measured temperatures in the LHP characteristic points and the photographs of the coolant flow in the vapor line.
Based on the experimental data, we have drawn the following conclusions:
1. A vapor-liquid coolant flow in the vapor line in the range of the heat loads under consideration has been detected. There is no superheating vapour observed.
2. The flow regime of the vapor-liquid mixture depends on both the heat load and the vapor pipe diameter. The decrease in the internal diameter of the investigated vapor line section from 7 mm to 4 mm led to the increase of its vapor content and to the decrease of the heating surface temperature when the heat loads were above 80 W. For example, the temperature of the heating surface T1 decreased from 109.5 °C to 100 °C at a heat load of 110 W. Reducing the heat load from 80 W to 60 W leads to a change in the flow regime of the vapor-water mixture from the annular to the slug regime.
3. Found that at low heat loads (up to 40 W), there is no LHP loop operation observed. Periodic fluctuations in the water level in the vapor line are detected. The LHP operates in thermo-syphon mode. For these heat loads, the influence of the vapor line diameter on the thermal state of the LHP is not observed.
4. Found that at low heat loads the LHP operation mode depends only on the flow regime of the coolant in the vapor line. With the annular regime of the coolant flow in the vapor line, a stationary mode of operation of the LHP is observed. When changing the flow regime of the coolant from the annular to the slug, the LHP operation mode is changed from stationary to oscillatory.
References
1. Dunn P.D., Reay D.A. Heat pipes. Oxf.; N.Y.: Pergamon Press, 1976. 299 p. (Russ. ed.: Dunn P.D., Reay D.A. Teplovye truby. Moscow: Energiia Publ., 1979. 271 p.).
2. Majdanik Yu.F. Dostizheniia i perspektivy razvitiia konturnykh teplovykh trub [Achievements and prospects of the loop heat pipes]. 4-ia Rossijskaia natsiona'naia konferentsiia po teplomassoobmenu: RNKT-4 [4th Russian national conf. on heat and mass transfer (Moscow, Russia, October 23-27th, 2006)]: Proc. Vol. 1. Moscow: MEI Publ., 2006. Pp. 84-92 (in Russian).
3. Majdanik Yu.F. Konturnye teplovye truby i dvukhfaznye teploperedayushie kontury s kapilliarnoj prokachkoj [Loop heat pipes and two-phase loops with capillary pumping. Doct. diss]. Moscow, 1993. 47 p. (in Russian).
4. Yakomaskin A.A., Afanasiev V.N., Zubkov N.N., Morskoy D.N. Investigation of heat transfer in evaporator of microchannel loop heat pipe. Trans. of the ASME. J. of Heat Transfer, 2013, vol. 135, no. 10, pp. 101006-101006-7. DOI: 10.1115/1.4024502
5. Majdanik Yu.F. Loop heat pipes - highly efficient heat-transfer devices. Innovatsii [Innovation], 2003, no. 5(62), pp. 83-86 (in Russian).
6. Randeep Singh, Aliakbar Akbarzadeh, Masataka Mochizuki. Thermal potential of flat evaporator miniature loop heat pipes for notebook cooling. IEEE Trans. on Components and Packaging Technologies, 2010, vol. 33, no. 1, pp. 32-45. DOI: 10.1109/TCAPT.2009.2031875
7. Vasiliev L.L. Micro and miniature heat pipes - Electronic component coolers. Applied Thermal Engineering, 2008, vol. 28, no. 4, pp. 266-273. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2006.02.023
8. Sudakov R.G. Issledovanie nestatsionarnykh i kolebatel'nykh rezhimov raboty konturnykh teplovykh trub [Research of non-stationary and oscillatory modes of operation of loop heat pipes. Cand. diss.]. Ekaterinburg, 2004. 100 p. (in Russian).
9. Po-Ya Abel Chuang, Cimbala J.M., Brenizer J.S. Experimental and analytical study of a loop heat pipe at a positive elevation using neutron radiography. Intern. J. of Thermal Sciences, 2014, vol. 77, pp. 84-95. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2013.10.010
10. Afanasiev V.N., Nedajvozov A.V., Yakomaskin A.A. Experimental study of processes in loop heat pipes. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Mashinostroenie [Herald of the Bauman MSTU. Mechanical Engineering], 2014, no. 2(95), pp. 44-61 (in Russian).
11. Afanas'ev V.N., Nedaivozov A.V. Experimentally investigated thermo-hydraulic characteristics of the loop heat pipe with an open compensation chamber. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2016, no. 11, pp. 38-54.
DOI: 10.7463/1116.0849572 (in Russian)
12. Kutepov A.M., Sterman L.S., Styushin N.G. Gidrodinamika i teploobmen pri paroobrazovanii [Hydrodynamics and heat transfer during vaporization]. 2nd ed. Moscow: Vysshaia shkola Publ., 1983. 447 p. (in Russian).
