Исследование коротких низкотемпературных тепловых труб с паровым каналом в виде сопла Лаваля. Часть 1 Текст научной статьи по специальности «Физика»

Разница между расчетными значениями и результатами эксперимента составила 9 %.

В заключение следует отметить полезные эффекты от усовершенствования методики испытаний введением анализа динамики раскрытия:

- сокращение времени проектирования системы обезвешивания. Моделированием можно определить работоспособность новых схем обезвешивания, выделить оптимальную;

- проведение настройки ключевых параметров системы обезвешивания перед началом испытаний и обеспечение минимального влияния системы обезве-шивания на результаты испытаний;

- оценка влияния системы обезвешивания на результаты испытаний;

- проведение более эффективного анализа результатов испытаний.

Разработанная методика оценки эффективности испытаний с использованием математического моделирования будет применяться для предварительного анализа схем испытаний, проектирования испытательного оборудования, а также использоваться при испытаниях крупногабаритных трансформируемых механических систем, что позволит повысить качест-

во наземной экспериментальной отработки, проводимой в ОАО «ИСС».

Библиографические ссылки

1. Spacecraft systems engineering / ed. by P. For-tescue, G. Swinerd, J. Stark. 4th ed. 2011. 691 p.

2. Михалкин В. М., Романенко И. В. Анализ применимости системы обезвешивания пассивного типа для крупногабаритного крыла батареи солнечной // Решетневские чтения : материалы XVII Междунар. науч. конф. В 2 ч. Ч. 1. Красноярск, 2013. С. 88-89.

References

1. Spacecraft systems engineering / ed. by P. For-tescue, G. Swinerd, J. Stark. 4th ed. 2011. 691 p.

2. Mihalkin V. M., Romanenko I. V. Analiz primenimosti sistemy obezveshivanija passivnogo tipa dlja krupnogabaritnogo kryla batarei solnechnoj (Analysis of applicability of passive type zero-gravity system for large solar array) // Reshetnjovskie chtenija : materialy XVII Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii : v 2 ch. Krasnojarsk, 2013. ch. 1, p. 88-89.

© Романенко И. В., 2014

УДК 536.248.2;532.574.2

ИССЛЕДОВАНИЕ КОРОТКИХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ С ПАРОВЫМ КАНАЛОМ В ВИДЕ СОПЛА ЛАВАЛЯ. ЧАСТЬ 1

А. В. Серяков, А. А. Павлов, Ю. Е. Михайлов

Научная лаборатория, специальное конструкторское технологическое бюро по релейной технике Российская Федерация, 173021, Великий Новгород, ул. Нехинская, 55 E-mail: seryakovav@yandex.ru

Работа представляет собой часть комплексного расчетно-экспериментального исследования интенсификации теплопередающих характеристик коротких тепловых труб (ТТ) низкотемпературного диапазона. При аксиальном направлении теплового потока на входе в ТТ, характерном для коротких ТТ, появляется возможность использования струйного парового сопла, аналогичного соплу Лаваля, и вытянутого вдоль всей длины ТТ. Это увеличивает скорость течения, частоты пульсаций двухфазного потока пара и коэффициент теплопередачи ТТ.

Ключевые слова: низкотемпературные тепловые трубы, сопло Лаваля, емкостный датчик конденсации

STUDY OF SHORT LOW TEMPERATURE RANGE HEAT PIPES WITH VAPOUR CHANNEL

IN THE FORM OF LAVAL NOZZLE. PART 1

A. V. Seryakov, A. A. Pavlov, J. E. Mikhailov

Joint Stock Company Special Relay System Design and Engineering Bureau, 55, Nekhinskaya str., Velikiy Novgorod, 173021, Russian Federation E-mail: seryakovav@yandex.ru

The research is part of a comprehensive theoretical and experimental study of intensification of heat transfer characteristics of short low temperature range heat pipes (HP). At the axial direction of heat flow at the inlet into the HP, a possibility of the jet steam nozzle use appears analogous to the Laval nozzle and surrounded by a capillary porous insertion, layer along the whole length of HP. This increases the flow velocity, the frequency ofpulsations of two-phase flow of vapour and the heat transfer coefficient of HP.

Keywords: low-temperature range heat pipes, Laval nozzle, capacitive condensation sensors.

Решетневскуе чтения. 2014

Были изготовлены тепловые трубы из нержавеющей стали, с плоским капиллярно-пористым испарителем, с паровым каналом, выполненным в виде газодинамического конфузорно-диффузорного сопла, близкого к соплу Лаваля и окруженного слоем капиллярно-пористой вставки вдоль всей длины ТТ [1-3]. Дополнительно в верхней крышке ТТ установлены емкостные датчики, измеряющие толщину слоя конденсата. Подробное описание датчиков будет приведено после оформления патентов. Капиллярно-пористые вставка и испаритель образуют единую гидравлическую систему доставки рабочей жидкости в испаритель. При осевом направлении теплового потока, типичном для коротких ТТ (не более 25-35 критических диаметров сопла), капиллярно-пористый тонкий испаритель выполнен из 43 круговых слоев тонкой сетки из нержавеющей стали по ГОСТ 3826-82, толщиной 0,07 мм каждый, с размером ячеек 0,04 мм, суммарной толщиной 3 мм, все слои точечно приварены к плоской нижней крышке ТТ. Внешние диаметры круговых слоев последовательно уменьшаются таким образом, что боковая поверхность испарителя в сборе образует острый конус с полным углом при вершине, равным 41°, совпадающим с углом конфу-зорного канала капиллярно-пористой вставки.

Испаритель как целое дополнительно оснащен инжекторными паровыми каналами диаметром 1 мм, направленными под определенным углом к продольной оси ТТ и создающими закрутку потока пара при малых тепловых нагрузках. Капиллярно-пористая вставка сформирована на специальной профилированной оправке также из слоев тонкой сетки из нержавеющей стали по ГОСТ 3826-82. Толщина каждого слоя 0,07 мм, размер ячеек 0,04 мм, суммарная толщина вставки 1,5 мм на краях и 7,5 мм в области

критического диаметра внутреннего сопла. Все слои вставки в радиальном направлении скреплены и прошиты тонкой проволочкой диаметром 0,05 мм, стежками длиной 5-7 мм вдоль образующей вставки. Восемь линий стежков проволочки, скрепляющих в радиальном направлении слои сетки, в плане повернуты друг относительно друга на 45° и образуют жесткую конструкцию капиллярно-пористой вставки с внутренним паровым каналом, выполненным в виде сопла, близкого к соплу Лаваля.

Многослойный испаритель с конической боковой поверхностью плотно вставлен в жесткую капиллярно-пористую вставку и приварен к ней точечной сваркой. После охлаждения при температуре кипения жидкого азота 77,4 К (-195,75 °С) собранную капиллярно-пористую вставку вместе с испарителем на нижней плоской крышке плотно вставляют в цилиндрическую обечайку ТТ. Пористость вставки и испарителя 72 %, и вместе они образуют единую гидравлическую систему доставки рабочей жидкости в испаритель при работе ТТ.

Длина ТТ 100 мм, диаметр 20 мм, максимальный диаметр парового сопла в конфузорной и диффузор-ной частях 16 мм, критический диаметр сопла 4 мм, длина конфузорного участка сопла 13 мм, полный угол конфузорного участка 41°, длина диффузорного участка сопла 81 мм, полный угол диффузорного участка 8,5°, длина цилиндрического участка в критическом сечении сопла 1 мм.

Вместе со сложными ТТ с паровым каналом, выполненным в виде сопла, были изготовлены такие же ТТ с капиллярно-пористыми вставками и со стандартным цилиндрическим паровым каналом (рис. 1). Внешний диаметр ТТ 20 мм, толщина испарителя 3 мм, толщина вставки 3 мм.

Рис. 1. ТТ со стандартным цилиндрическим паровым каналом: 1 - вихревой проточный калориметр; 2 - фланец крепления тепловых труб; 3 - стеклянная крышка; 4 - крепление крышки; 5 - тепловые трубы; 6 - резистивный нагреватель; 7 - выходной штуцер для воды; 8 - входной штуцер для воды; 9 - уплотнение измерительных проводов; 10 - конденсаторные датчики измерения толщины слоя конденсата; 11 - генератор импульсов Г5-56; 12 - усилитель; 13 - осциллограф АКИП-4116/2; 14 - компьютер; 15 - коммутатор; 16 - вольтметр В7-34А; 17 - сосуд постоянного напора воды; 18 - генератор пузырьков воздуха; 19 - расходомер воды; 20 - сосуд Дьюара

В качестве рабочей жидкости ТТ выбран диэтило-вый эфир С4Н10О, имеющий температуру кипения при атмосферном давлении Тв = 35,4 °С, температуру замерзания ТР = -116,2 °С и критические параметры Тс = 193,4°С, Рс = 3,61 МРа.

Зоны конденсации ТТ помещены в вихревой проточный калориметр. Для более точного измерения тепловой мощности и интенсификации съема тепла ТТ струйный поток входящей воды закручивают, величины скорости течения и завихренности с помощью воздушных пузырьков фиксируют. Испаритель ТТ с помощью резистивного нагревателя подогревают и поддерживают при температуре, превышающей температуру кипения диэтилового эфира 35,4 °С на величину перегрева 5Т. Температура нагревателя стабилизирована, и величину перегрева испарителя ТТ устанавливают в диапазоне 5Т = 0^15 К, при этом тепловая мощность единичной ТТ не превышает 110

Были проведены измерения коэффициента теплопередачи ТТ с паровым каналом в виде сопла, близкого к соплу Лаваля, и со стандартным цилиндрическим паровым каналом с помощью вихревого проточного калориметра. Перегрев испарителя ТТ относительно температуры кипения диэтилового эфира 5Т с помощью резистивного нагревателя 6 и регулятора ВРТ-3 увеличивали дискретными шагами на величии-ну 0,5 К.

Коэффициент теплопередачи ТТ определяют по формуле

Е

КНР = —;-г, (1)

Р ( - Тсопй )

где КНР - коэффициент теплопередачи через поперечное сечение парового канала ТТ, "/т2К; Е - поступающая в испаритель ТТ тепловая мощность, Р - площадь поверхности испарителя ТТ, да2; -температура поверхности испарителя, К; Тсоп<1 - температура поверхности конденсации, К.

w 1

1 1 1 1 1 I 1 I 1

1

_

. I1 1

г* 2 1 ■ ■ ■ . 1 . . , .1

6Т, к

Рис. 2. Результаты измерения коэффициента теплопередачи коротких ТТ: 1 - ТТ с паровым каналом в виде сопла; 2 - ТТ со стандартным цилиндрическим паровым

каналом, при равенстве внешнего диаметра ТТ и площади сечения капиллярно-пористых вставок

Температуру поверхности испарителя и поверхности конденсации ТТ измеряли с помощью дифференциальных термопар медь-константан, тепловую мощность, передаваемую в калориметр зонами конденсации ТТ, определяли по формуле ( ^ \

E = G ■

ch2o +

Ck

Ph2o vo

■\Tk (t)-TK0 (T)], (2)

где G - массовый расход воды через калориметр, kg/s; CH2O - удельная теплоемкость воды, J/kgK; CK - теплоемкость калориметра, J/K; pH2O - плотность воды в калориметре при температуре измерений, kg/m3; V0 - вместимость калориметра, m3; Tk(t) - средняя температура воды в калориметре после начала его подогрева тепловыми трубами, K; Tko(t) - средняя температура калориметра с водой до начала подогрева его тепловыми трубами, K.

Результаты измерений теплопередачи коротких ТТ представлены на графиках (рис. 2).

Температуру воды на входе в калориметр, разность температур (величину подогрева) проточной воды на входе и выходе из калориметра измеряли также дифференциальными термопарами медь-константан и компаратором Р3003 и цифровым вольтметром В7-34А. Расход воды измеряли ультразвуковым расходомером US 800-10. Суммарная погрешность измерения тепловой мощности ТТ с помощью калориметра не превышает 1,7 %. Отличие мощности, измеряемой в калориметре, от тепловой мощности, поступающей в испаритель ТТ, не превышает 3,5 %.

Библиографические ссылки

1. Серяков А. В., Конькин А. В., Белоусов В. К. Применение струйного парового сопла в тепловых трубах среднетемпературного диапазона // Вестник СибГАУ. 2012. Вып. 1(41). С. 142-147.

2. Seryakov A. V. Velocity measurements in the vapour channel of low temperature range heat pipes // International J. of Engineering Research & Technology 2013. Vol. 2, № 8. P. 1595-1603.

3. Seryakov A. V. Pulsation flow in the vapour channel of short low temperature range heat pipes // International J. on Heat and Mass Transfer. Theory and Application. 2014. Vol. 2, № 2. P. 40-49.

References

1. Seryakov A. V., Konkin A. V., Belousov V. K. Primenenie struinogo parovogo sopla v teplovyx trubax srednetemperaturnogo diapazona // Vestnik SibGAU.

2012, vyp. 1(41), s. 142-147.

2. Seryakov A. V. Velocity measurements in the vapour channel of low temperature range heat pipes// International J. of Engineering Research & Technology

2013, vol. 2, № 8, p. 1595-1603.

3. Seryakov A. V. Pulsation flow in the vapour channel of short low temperature range heat pipes // International J. on Heat and Mass Transfer Theory and Application. 2014, vol. 2, № 2, p. 40-49.

© Серяков А. В., Павлов А. А., Михайлов Ю. Е., 2014