CC BY
48
ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ца в величине матричного элемента, сечении фотоионизации для случаев электрического вектора волны вдоль и поперек оси кластера. Показано, что система КТ в отличие от сверхрешеток обладает высокой чувствительностью при нормальном падении излучения.
Библиографический список
1. Choi K.K.// Proc. SPIE. 2002. V 4646,p.79.
2. H.C.Liu, S.Fafard, R.Dudek, Z.R.Wasilevski. Proc. SPIE, 4646,p.58(2002).
3. H.C.Liu, M.Gao, J.McCaffrey, Z.R.Wasilevski,
S.Fafard. Appl. Phys. Lett., 78, N1,p.79(2001).
4. Shih-Yen Lin, Yao-Jen Tsai, Si-Chen Lee. Jpn. J. Appl. Phys.,40, p.L 1290(2001).
5. A.I.Yakimov, A.V.Dvurechenskii, A.I.Nikiforov, Yu.Yu.Proskuraykov. J.Appl. Phys.v.89,N 10, p.5676 (2001).
6. Пчеляков, О.П., Болховитянов Ю.Б., Двуреченский А.В., Соколов Л.В., Никифоров А.И., Якимов А.И., Фойхтлендер Б. ФТП, 34, в. 11,с. 1281(2000).
7. V.Ryzhii. Semicond. Sci. Technol. 11, p.759(1996).
8. Ландау, Л.Л. Теоретическая физика. Квантовая механика (нерелятивистская теория) / Л.Л. Ландау, Е.М. Лифшиц. - М.: Наука, 1989. - Т 3.
9. Зегря, Г.Г., Константинов О.В., Матвеенцев А.В. ФТП, т. 37, в. 3, с. 334 (2003).
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАПУСКА ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕПЛОВЫХ
труб для бортовых энергетических СИСТЕМ
A. Н. ШУЛЬЦ, проф. каф. физики МГУЛ, д-р техн. наук,
B. Н. ХАРЧЕНКО, проф. каф. физики МГУЛ, д-р техн. наук
Уникальные свойства ТТ побуждают многих исследователей рассматривать их в качестве эффективных теплообменных устройств для управления тепловыми потоками при обеспечении необходимых температурных режимов БЭС. Применение жидкометаллических ТТ позволяет увеличить удельные тепловые потоки и значительно расширить температурный диапазон их применения. Запуск жидкометаллических ТТ из замороженного состояния теплоносителя представляет собой самый ответственный этап их работы. Вымораживание и прекращение циркуляции жидкого теплоносителя может привести к осушению фитиля испарителя и прожогу стенки ТТ. Потеря работоспособности ТТ в этот период может привести к выходу из строя всей БЭС. В данной работе приводятся результаты решения обратной задачи нестационарной теплопроводности. В основу решения положены экспериментально измеренные нестационарные температурные поля, полученные при запуске жидкометаллических ТТ из замороженного состояния теплоносителя (натрия).
1. Эксперимент
1.1. объекты исследования
Объектом исследования явились две натриевые тепловые трубы диаметром 48 мм:
caf-physics@mgul.ac.ru
№1 - длиной 1800 мм с газовым наполнением, давление неконденсируемого газа (НКГ - аргона) порядка 133 Па, длиной зоны испарения - 250 мм; №2 - вакуумная труба (без НКГ) длиной 1825 мм, длиной зоны испарения -278 мм [1]. Испытания тепловых труб проводились в вакуумной камере при горизонтальном расположении ТТ. Нагрев зоны испарения осуществлялся с помощью электронагревателя радиационного типа, обеспечивающего выход ТТ на уровень температур до 800 °С. Для исключения воздействия нагревателя на зону конденсации ТТ в конце зоны испарения была установлена экранно-вакуумная изоляция из 3-х слоев металлической фольги. Первый слой экранов выполнен из ниобиевого сплава, остальные - из Х18Н10Т. Суммарная толщина экранно-вакуумной изоляции не превышала 1,5 см. Отвод тепла от зоны конденсации осуществлялся излучением на охлаждаемые водой стенки вакуумной камеры. Обе трубы имели составной фитиль, образованный кольцевым зазором, для протока жидкого теплоносителя под экраном. Экран фитиля был выполнен из нержавеющей сетки саржевого плетения № 120/670 ГОСТ 3187-65. Общими для каждой из этих труб являются следующие геометрические размеры: диаметр пор экрана фитиля - 120 мкм, кольцевой зазор под экра-
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 6/2009
117
ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ном для протока теплоносителя - 0,5 мм. Материал корпуса - ниобий.
1.2. Система измерений
Температура стенки ТТ контролировалась вольфрам-рениевыми термопарами, расположенными на наружной поверхности трубы. Корольки термопар приваривались к стенке трубы и закрывались экраном. Показания термопар автоматически регистрировались информационно-измерительной системой (ИИС) с шагом 1,56 с. Схема размещения термопар на ТТ № 1 и ТТ №2 представлена на рис. 1 и 2.
Погрешность измерений температуры, вносимая измерительной аппаратурой, составляла ± 0,5 %. Методическая погрешность измерений, обусловленная теплообменном королька термопар, составляла ± 2 %.
Электрическая мощность нагревателя контролировалась по показаниям вольтметра Д-569 Кл. 0,5 и амперметра Э- 514 с шунтом J = 7,5A, Кл. 0,5.
Тепловая мощность, передаваемая ТТ, определялась по теплоотводу с конденсатора. Тепловая нагрузка Q определялась
Q = Q + Q ,
Xs тк -^пк’
где Q - тепло, отведенное в теплообменник конденсатора;
Q - потери тепла в корпусе установки.
Тепло Q отведенное в щелевой теплообменник конденсатора, рассчитывалось по расходу воды и разности температур охлаждающей воды на выходе t и входе t :
о вых о вх
q
тк
G C At .
в в ов
1.3. Результаты экспериментального исследования
На рис. 1 и 2 представлены результаты экспериментальных исследований. Была проведена серия запусков ТТ из замороженного состояния теплоносителя при скачкообразном установлении мощности радиационного нагревателя от 0,5 до 11 кВт. Было установлено, что тщательно очищенная от посторонних примесей и неконденсируемых газов ТТ успешно запускалась при удельном теплоподводе к испарителю до 300 кВт/м2.
При добавлении небольшого количества НКГ (аргона), для обеспечения фронтального запуска и предотвращения вымораживания теплоносителя в конденсаторе, происходил срыв запуска при значительно меньшем удельном теплоподводе ~ 50кВт/м2.
Рис. 1. Нестационарное распределение температур по длине натриевой ТТ при скачкообразном установлении мощности электрического нагревателя N = 3,675 кВт: данные работы [1]. Запуск ТТ из замороженного состояния теплоносителя: 1-4 - номера термопар, расположенных в зоне испарения; 5-12 - в зоне конденсации; t, оС, т - время, с; n - цикл измерения
118
ЛЕСНОМ ВЕСТНИК 6/2009
ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
0 200 I 400 600 800 1000 1200 1400 1600 I
Рис. 2. Нестационарные распределения температур по длине вакуумной натриевой ТТ при скачкообразном установлении электрической мощности нагревателя N = 3,67 кВт, данные работы [1]. Запуск из замороженного состояния теплоносителя: А - зона испарения; Б - зона конденсации; 1 - т = 0; 3 - 32, 2 - 62, 4 - 125, 5 - 157, 6 - 219, 7 - 282, 8 - 345, 9 - 376, 10 - 439, 11 - 502, 12 - 785, 13 - 1570, т, с; l, мм; t, °С
2. Результаты решения обратной задачи нестационарной теплопроводности
Экспериментально измеренные нестационарные распределения температур на внешней поверхности жидкометаллической ТТ были использованы в качестве исходных данных для решения обратной задачи нестационарной теплопроводности, из которой были получены необходимые для анализа гидродинамики и структуры парового потока характеристики: p1V1, [кг/м2с] - массовая скорость испарения (конденсации), p1U1 - массовая осевая скорость, Reo, Rer - осевое и радиальное числа Рейнольдса, М - число Маха, а также температура Т1 и давление пара Р1, [2].
Для расчета указанных характеристик были использованы двумерные уравнения сохранения массы паровой фазы в форме уравнения неразрывности сжимаемой жидкости и уравнение энергии для сжимаемой невязкой жидкости, которые имеют вид
(др1 / дт) + (д / rdr) (p1rV1) +
+ (д / дх) (р^) = ° (1)
Р1СУ1((дТ1 / дт) + У1(дГ1 / дг) + и1(дТ1 / дх)) = = А,Д(д / гдг)г(дТ1 / дг) + (д2Т1 / дх2)]. (2)
Здесь и ниже индекс 1 относится к паровой фазе, 2 - к жидкой фазе, 3 - к твердой
фазе (корпус ТТ), остальные обозначения являются общепринятыми; C - теплоемкость, Дж/кгК.
Система уравнений (1-2) интегрировалась по r при следующих допущениях: 3р1/3т и U1 не зависят от r; V не зависит от х; профили температуры и скорости являются квадратичными параболами от r. Таким образом, система (1-2) сводилась к одномерным уравнениям с дополнительными источниками тепла и массы и решалась при граничных условиях третьего рода, в состав которых входили измеренные температурные поля (рис. 1, 2).
Решение задачи проводилось при следующих предположениях:
1. Пар представляет собой равновесную смесь идеального газа и жидкости.
2. Объемом жидкой фазы пренебрега-
ется.
3. Испарение и конденсация происходят только на поверхности раздела фаз.
4. Выбор времени т = 0 соответствует расплавленному состоянию теплоносителя.
При пуске ТТ из замороженного состояния теплоносителя труба последовательно проходила различные режимы течения парового потока, рис. 1.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009
119
ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
M, Re, N
Рис. 3. Изменение основных характеристик тепломассопереноса в натриевой ТТ при пуске из замороженного состояния теплоносителя. Электрическая мощность нагревателя установлена скачкообразно N = 3,67 кВт. N - тепловая мощность, отведенная излучением с конденсатора, кВт; число Маха - М и число Рейнольдса - Re определены по параметрам парового потока на выходе из испарителя; / н - эффективная температура нагревателя; t - эффективная температура конденсатора; I - область свободно-молекулярного течения, II - область переходных режимов, III - область течения со скольжением, IY - область сплошного течения; t, °С; т, с.
При низких плотностях пара, t <
< 180 °С, имел место свободно-молекулярный режим течения, характеризуемый числом Кнудсена Kn = l/du > 1 (l - длина свободного пробега, м). По известным из расчета числам Маха и Рейнольдса была определена верхняя граница свободно-молекулярного течения Kn =M/Re = 3, (область I, рис. 1). Переходная область II находилась между режимом течения со скольжением (область III) и свободномолекулярным течением (область I). Нижняя граница течения со скольжением определялась по условию
Kn=M Л/Re =10-2, а верхняя - по условию
Kn = M Л/Re =10-1.
Нижней границе соответствовала t ~
370 оС, верхней t ~ 400 - 425 оС. Выше области течения со скольжением находилась область IY - область течения пара как сплошной среды.
Присутствие неконденсируемых газов (НКГ) в парожидкостном тракте значительно
ухудшало пусковые и динамические характеристики ТТ.
Так, например, при добавлении в паровой тракт аргона в количестве, соответствующем парциальному давлению перед пуском Р = 30 мм Hg, происходил срыв запуска при скачкообразном установлении мощности нагревателя 1900 Вт. Таким образом, экспериментально установлено, что добавление в паровой канал НКГ, с целью обеспечения фронтального запуска и предотвращения вымораживания теплоносителя, ухудшало пусковую динамику ТТ.
В то же время тщательно очищенная от посторонних примесей и НКГ натриевая ТТ восстанавливала работоспособность после кратковременного перегрева зоны испарения при скачкообразном переходе на повышенный уровень мощности (с 0,8 КВт на уровень 1,7 КВт).
Процессы запуска и переходов на повышенные уровни мощности моделировались в низкотемпературной ТТ. Для этой цели
120
ЛЕСНОМ ВЕСТНИК 6/2009
ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
была изготовлена плоская ТТ с боковыми прозрачными стенками и составным фитилем, конструктивно совпадающим с конструкцией фитиля исследуемой натриевой ТТ. Была проведена визуализация течения с помощью прибора Теплера и методом «световой нож». Обнаружены частицы жидкой фазы в паровом потоке. Установлено, что частицы попадают в паровой поток за счет колебаний менисков в фитиле испарителя. Наличие жидкой фазы в паровом потоке существенно облегчало процесс гетерогенно-гомогенной объемной конденсации. Были получены, с помощью интерферометра Маха-Цендера, интерферограммы течения паров ацетона [4]. Обнаружен скачок конденсации на выходе из испарителя при пуске ТТ. Расшифровка интерферограмм показала, что процесс объемной конденсации в паровом потоке инициирован ядрами - зародышами (частицами жидкости), выброшенными в паровой поток из фитиля испарителя. Наличие частиц жидкой фазы в паровом потоке вызывало дополнительное гидравлическое сопротивление и приводило к непроизводительной затрате работы капиллярных сил фитиля. Этот процесс ограничивает максимально достижимый теплоперенос и ухудшает пусковую динамику ТТ.
Визуализация треков частиц жидкой фазы методом «световой нож» позволила выявить в испарителе поперечные валы (вихри). В конденсаторе обнаружены продольные валы. На границе смены воздействия (испаритель - конденсатор) обнаружена устойчивая вихревая структура в виде поперечного вала, вращавшаяся по направлению вдув - отток. Наличие такой структуры на выходе из испарителя уменьшало проходное сечение парового канала и создавало дополнительное гидравлическое сопротивление.
Заключение
Установлено, что жидкометаллические ТТ имеют удовлетворительную пусковую динамику при их запуске из замороженного состояния теплоносителя. Условием успешного запуска и безопасных переходов на повышенный уровень мощности является тщательная очистка парожидкостного тракта от посторонних примесей и следов неконденсируемых газов. Применение жидкометаллических ТТ в качестве сверхпроводников тепла позволяет решить задачи управления и стабилизации температурных режимов бортовых энергетических систем.
Библиографический список
1. Шульц, А.Н. Исследование нестационарного тепло- и массообмена в жидкометаллических тепловых трубах / А.Н. Шульц, П.И. Быстров, В.Ф. Гончаров, В.Н. Харченко // Тепломассообмен - YI: Материалы YI всесоюзной конференции по тепломассообмену. - Минск: ИТМО АН БССР, 1980. -Т. IY. - С. 94-99.
2. Шульц, А.Н. Определение скоростей испарения и конденсации по длине тепловой трубы в нестационарных условиях / А.Н. Шульц, Б.П. Захаров: научные труды. - М: МЛТИ, 1981. - Вып. 138. -С. 57-62.
3. Шульц, А.Н. Восстановление работоспособности тепловой трубы / А.Н. Шульц // Электроника и счетно-решающая техника в лесной и деревообрабатывающей промышленности: научные труды. - М.: МЛТИ, 1980. - Вып. 129. - С. 173-176.
4. Shults, A.N. On physical mechanisms of heat, mass and momentum transfer in short low-temperature heat pipe. I. Hydrodinamic of flov vapour / A.N. Shults, P.I. Bystrov, V.N. Kharchenko // Heat - Transfer/ Soviet Research (USA), 1993. - P. 5-12.
5. Shults, A.N. On physical mechanisms of heat, mass and momentum transfer in short low-temperature heat pipe. II. Vapour flow structure / A.N. Shults, PI. Bystrov, V.N. Kharchenko // Heat - Transfer/ Soviet Research (USA), 1993. - P. 258-266.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009
121
