CC BY
14УДК 681.3:536.24.08
ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕОБРАЗОВАНИЯ В ПАРОВОМ КАНАЛЕ КОРОТКИХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ ПРИ БОЛЬШИХ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗКАХ
А. В. Серяков
ООО «РУДЕТРАНССЕРВИС» Российская Федерация, 173021, Великий Новгород, ул. Нехинская, 55 Е-mail: seryakovav@yandex.ru
Представлены результаты исследований процессов вихреобразования в паровом канале коротких низкотемпературных тепловых труб (ТТ), предназначенных для охлаждения теплонапряженных конструкций космических аппаратов и спутников.
Ключевые слова: вихреобразование, направление вращения, численное моделирование, сопло Лаваля.
THE STUDY OF THE VORTEX FORMATION IN THE VAPOUR CHANNEL OF SHORT LOW TEMPERATURE HEAT PIPES AT HIGH HEAT LOADS
A. V. Seryakov
LLC "RUDETRANS SERVICE" 55, Nekhinskaya Str., Veliky Novgorod, 173021, Russian Federation Е-mail: seryakovav@yandex.ru
The results of studies of vortex formation processes in the vapour channel of short low-temperature heat pipes (HP's) designed for cooling heat-stressed structures of spacecraft and satellites are presented.
Keywords: the vortex formation, the rotation direction, numerical simulation, Laval nozzle.
Вопросы повышения эффективности и увеличения коэффициента теплопередачи коротких низкотемпературных ТТ, предназначенных для охлаждения теплонапряженных конструкций космических аппаратов и спутников с жесткой регламентацией взлетной массы представляет собой большой практический интерес. В коротких линейных ТТ с капиллярно-пористой вставкой увеличение коэффициента теплопередачи осуществляют с помощью придания паровому каналу формы сопла, близкого к соплу Лаваля и вытянутого вдоль всей длины ТТ. Капиллярно-пористая вставка, формирующая паровой канал обеспечивает гидравлическую доставку рабочей жидкости, в качестве которой применен диэтиловый эфир С4Н10О в капиллярно-пористый испаритель ТТ [1-3]. Интенсивное развитие и применение подобных коротких низкотемпературных ТТ с профилированным паровым каналом и повышенными значениями коэффициента теплопередачи ставит задачи детального изучения процессов внутреннего течения и конденсаци в паровом канале.
Текучая паровая среда влажного пара при конденсации является нелинейным объектом, течение которого сопровождается внутренними процессами межфазного тепломассообмена и диссипации энергии [1]. Восстановление статического давления в ТТ вблизи поверхности конденсации связано с торможением потока и возникновением сильного вихреобразования.
Для экспериментального и расчетного исследования этих процессов и измерения толщины образующейся пленки конденсата были изготовлены ТТ из нержавеющей стали, с плоским капиллярно-пористым испарителем, с паровым каналом, выполненным в виде сопла Лаваля и окруженного слоем капиллярно-пористой вставки вдоль всей длины ТТ [3-5], изображение которых приведено в следующем докладе.
Для компьютерного исследования вихреобразова-ния было проведено конечно- элементное моделирование течений влажного пара вблизи поверхности конденсации с помощью программы CFD design10.0 Fluent 6.3.26 в двухмерной постановке. Решались уравнения Навье-Стокса с измеренными граничными условиями температуры испарителя Tev и поверхности конденсации Tcond. При построении расчетной модели использовано 450000 конечных элементов, с увеличенной плотностью вблизи поверхности конденсации. На рис. 1, 2 приведены результаты расчетов вихревого потока в верхней охлаждаемой части ТТ.
Экспериментально полученные результаты измерений толщины пленки конденсата диэтилового эфира в зависимости от тепловой мощности ТТ (перегрева испарителя относительно температуры кипения диэтилового эфира), представленные на рис. 3, показывают близкое к логарифмическому уменьшение толщины пленки при увеличении тепловой мощности. Столь резкая зависимость толщины пленки от тепло-
Решетневскуе чтения. 2018
вой мощности косвенно подтверждает смену направления тороидального вращения парового вихря в ТТ. Большие значения толщины пленки (и большое тепловое сопротивление ТТ) при малых нагрузках и рез-
кое спадание толщины пленки (и существенно уменьшенное тепловое сопротивление ТТ) при увеличении нагрузки могут быть связаны со сменой направления тороидального вращения парового вихря.
Рис. 1. Возникновение тороидального парового вихревого кольца вблизи поверхности конденсации в выполненном в виде сопла Лаваля паровом канале ТТ при слабой тепловой нагрузке. Движущиеся паровые струи за счет эффекта Коанда прилипают к стенкам канала и закрутка парового вихря происходит от периферии к продольной оси. Толщина пленки конденсата под вихревым кольцом увеличивается и ее течение затормаживается
Рис. 2. Возникновение вихревого кольца вблизи поверхности конденсации в выполненном в виде сопла Лаваля паровом канале ТТ при большой тепловой нагрузке. Закрутка парового вихря происходит от центральной оси к периферии парового канала. Толщина пленки конденсата под вихревым кольцом уменьшается, пленку «сдувает» с поверхности
О 5 10 15 20
5Т, К
Рис. 3. Толщина пленки диэтилового эфира на поверхности конденсации внутри ТТ в зависимости от перегрева испарителя относительно температуры кипения диэтилового эфира 5Т = Т - Тв. При малом значении перегрева (малой тепловой мощности) толщина пленки большая, при увеличении перегрева толщина резко уменьшается, что косвенно подтверждает изменение направления вращения тороидального парового вихря
Библиографические ссылки
1. Seryakov A. V. Velocity measurements in the vapour channel of low temperature range heat pipes // International Journal of Engineering Research & Technology. 2013. Vol. 2, № 8. P. 1595-1603.
2. Seryakov A.V., Konkin A.V., Belousov V.K .The intensification of heat-transfer characteristic of heat pipes.// Proceedings of the VIII Minsk International Seminar of Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators, Power Sources. Minsk, Belarus, 12-15 September 2011. Vol. 2. P. 59-65.
3. Seryakov A. V., Konkin A. V., Belousov V. K. Application of jet vapour nozzle in heat pipes of medium temperature range // Vestnik SibSAU 2012. Issue. 1(41), P. 142-147.
4. Seryakov A. V. Pulsation flow in the vapour channel of short low temperature range heat pipes // International Journal on Heat and Mass Transfer. Theory and Application. 2014. Vol. 2, № 2. P. 40-49.
5. Варгафтик Н. В. Справочник по теплофизиче-ским свойствам газов и жидкостей. М. : Физматлит, 1963. 708 с.
References
1. Seryakov A. V. Velocity measurements in the vapour channel of low temperature range heat pipes// International Journal of Engineering Research & Technology, 2013. Vol. 2, № 8. P. 1595-1603.
2. Seryakov A. V., Konkin A. V., Belousov V. K.. The intensification of heat-transfer characteristic of heat pipes.//Proceedings of the VIII Minsk International Seminar of Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators, Power Sources. Minsk, Belarus, 12-15 September 2011. Vol. 2. P. 59-65.
3. Seryakov A. V., Konkin A. V., Belousov V. K.. Application of jet vapour nozzle in heat pipes of medium temperature range // Vestnik SibSAU, 2012. Issue. 1(41). P. 142-147.
4. Seryakov A. V. Pulsation flow in the vapour channel of short low temperature range heat pipes // International Journal on Heat and Mass Transfer. Theory and Application, 2014. Vol. 2, № 2. P. 40-49.
5. Vargaftic N. B. Spravochnick po teplophiziches-kim svoistvam gasov i zhidkostey. M. : Fizmatlit, 1963. 708 p.
© CepmoB A. B., 2018
