УДК 536.248.2
Алексеик О. С. ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРИСТОЙ
СТРУКТУРЫ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ КИПЕНИЯ В ТЕПЛОВОЙ ТРУБЕ
Представлены результаты экспериментальных исследований влияния диаметра и длины волокон медной метало-волокнистой структуры на процесс теплоотдачи в зоне нагрева миниатюрной тепловой трубы. Установлен характер влияния внешних условий охлаждения тепловой трубы на ее внутренние характеристики, а именно интенсивность теплоотдачи при фазовых переходах.
Ключевые слова: миниатюрная тепловая труба, зона нагрева, коэффициент теплоотдачи, пористая структура.
1. Введение
Миниатюрные тепловые трубы нашли применение в качестве элементов пассивных систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры, компьютерной и космической техники. Обладая небольшими массогабаритными показателями, они способны отводить значительные тепловые потоки, обеспечивая нормальный температурный режим теплонагруженных элементов. Кроме того, возможность изготовления тепловых труб любых форм и размеров позволяет эффективно применять их для охлаждения систем сложной конфигурации.
2. Современное состояние проблемы
В связи с широкой областью применения миниатюрных тепловых труб (МТТ) в литературе представлено значительное количество данных по исследованию теплопередающих характеристик данных устройств. Основное внимание уделяется изучению влияния режимных характеристик [1, 2], геометрических размеров МТТ [3] на распределение температур, общее термическое сопротивление или тепловую проводимость. Также представлены данные о максимальной теплопередающей способности МТТ [4, 5].
Вместе с этим, значительный интерес представляют внутренние процессы, протекающие в тепловых трубах, в частности интенсивность процесса фазового перехода в зонах нагрева МТТ. Так, в литературе представлены данные о влиянии физических параметров (рабочей температуры) [6], положения в пространстве [7], эффективной длины и других факторов [8, 9] на коэффициент теплоотдачи в зоне нагрева МТТ.
В данной работе проведено изучение характера влияния размеров волокон капиллярной структуры (КС) на интенсивность теплоотдачи в зоне нагрева МТТ
3. Экспериментальная установка и опытные образцы
В качестве объекта исследования были выбраны миниатюрные тепловые трубы с метало-волокнистой капиллярной структурой. Характеристики МТТ приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные характеристики исследованных тепловых труб
Номер образца 1 | 2 | 3 | 4
Общая длина, мм 428
Длина зоны нагрева, мм 99.S
Длина зоны конденсации, мм 83
Внешний диаметр ТТ , м Б
Толщина стенки, мм 0.S
Диаметр парового канала, мм 3
Пористость КС, % 74 80 8O 8O
Диаметр волокна КС, мкм SO SO SO 7O
Длина волокна КС, мм 3 3 7 7
Теплоноситель Метанол
Описание экспериментальной установки, методик проведения эксперимента и обработки опытных данных детально представлены в [2, 7].
При исследованиях МТТ располагались горизонтально, что позволяло нивелировать влияние массовых сил на процессы, протекающие в тепловых трубах.
4. Результаты исследования
Анализ экспериментальных данных показал, что на интенсивность теплоотдачи в зоне нагрева МТТ изменение внешних условий теплообмена в зоне охлаждения тепловой трубы оказывает несущественное влияние (рис. 1, кривые 1, 2). Так, увеличение расхода охлаждающей жидкости G более, чем в 1,5 раза не привело к существенному изменению средних температур зон нагрева, транспорта и конденсации МТТ, в связи с чем, коэффициенты теплоотдачи практически не изменились.
Однако при определенных условиях увеличение расхода приводит к ухудшению условий теплообмена внутри тепловой трубы (рис. 1, кривая 3, qзн>5000), что, вероятно, можно объяснить следующим образом. При увеличении интенсивности отвода теплоты от зоны охлаждения тепловой трубы, конденсация пара внутри нее происходит интенсивнее. Вследствие этого происходит накопление теплоносителя в зоне конденсации и, соответственно, нехватка его в зоне испарения МТТ Это и приводит к ухудшению условий теплоотвода в зоне нагрева.
TECHNOLOGY AUDIT AND PRODUCTION RESERVES — № 6/5(14), 2013, © Алексеик О. С.
29--------------J
Вт-лАс
5000 4000 3000 2000 1000 о
О 5000 10000 <1з„. Вт/М2
Рис. 1. Влияние плотности теплового потока дзН на интенсивность теплоотдачи в зоне нагрева азн для МТТ №1 при различных условиях охлаждения зоны конденсации: 1 - G=2.9•10-3 кг/с;
2 - G=5,0•10-3 кг/с; 3 - G=7.3•10-3 кг/с
Также было установлено, что на интенсивность кипения в зоне нагрева тепловой трубы существенно влияют геометрические размеры волокон: их длина и диаметр. Так, увеличение диаметра волокон при их равной длине и одинаковой пористости капиллярной структуры привело к некоторому снижению коэффициента теплоотдачи в зоне нагрева тепловой трубы (рис. 2). Вероятно, это связано с тем, что увеличение диаметра волокон, из которых изготовлена КС, приводит к уменьшению эффективного диаметра пор Dэф [10]. В связи с этим несколько возрастает гидравлическое сопротивление пористой структуры, что приводит к ухудшению подвода теплоносителя к области парообразования.
Втм2К
5000
4000 3000 2000 1000 О
О 5000 10000 15000 ^н. Вт/м2
Рис. 2. Влияние диаметра волокон КПС на интенсивность теплоотдачи в зоне нагрева азн МТТ при различных плотностях теплового потока дзн: 1 - МТТ №3, dв=50 мкм; 2 - МТТ №4, dв=70 мкм
Кроме этого, существенное влияние на коэффициент теплоотдачи в зоне нагрева тепловой трубы оказывает интенсивность испарения теплоносителя с менисков жидкости на поверхности капиллярной структуры. Уменьшение диаметра пор приводит, соответственно, к уменьшению общей площади поверхности испарения. Совокупность указанных факторов и приводит к снижению общей интенсивности теплоотвода.
Изменение длины волокон 1в капиллярной структуры существенно не повлияло на величины коэффициентов теплоотдачи в зоне нагрева тепловой трубы, характер зависимости коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока остался неизменным (рис. 3). Однако увеличение 1в привело к смещению максимума теплоотдачи в область более высоких тепловых потоков. Можно
предположить, что это связано с изменением распределения пор по размерам в капиллярной структуре [10].
Н‘
Втм2К
5000
4000
3000
2000
1000 0
0 5000 10000 15000 q3H, Вт/м2
Рис. 3. Влияние длины волокон КПС на интенсивность теплоотдачи в зоне нагрева азн МТТ при различных плотностях теплового потока дзн : 1 - МТТ №2, 1в=3 мм; 2 - МТТ №3, 1в=7 мм
5. Выводы
Экспериментально установлено, что увеличение диаметра волокон капиллярной структуры приводит к ухудшению условий теплоотвода, в то время как изменение их длины не оказывает существенного влияния на величины коэффициентов теплоотдачи.
Также показано, что на внутренние процессы передачи теплоты в зоне нагрева тепловой трубы могут оказывать влияние внешние условия охлаждения МТТ.
Література
1. Shung-Wen Kang. Experimental and numerical analysis of the transient response of a miniature heat pipe [Text]/ Shung-Wen Kang, Sheng-Hong Tsai, Hong-Chih Chen // Applied Thermal Engineering. - 2002. - №22. - Р. 1559-1568.
2. Кравец, В. Ю. Исследование термического сопротивления миниатюрных тепловых труб [Текст] / В. Ю. Кравец, Я. В. Некрашевич, А. П. Гончарова // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2011. - № 1/9(49). -С. 55-60.
3. Николаенко, Ю. Е. Влияние режимных параметров на теплопередающие характеристики миниатюрных тепловых труб [Текст] / Ю. Е. Николаенко, В. Ю. Кравец // ТКЭА. -2001. - №6. - С. 36-38.
4. Possamai, F. C. Miniature heat pipes as compressor cooling devices [Text]/ F. C. Possamai, I. Setter, L. L. Vasiliev // Applied Thermal Engineering. - 2009. - №29. - Р. 3218-3223.
Б. Ha, J. M. The Maximum Heat Transport Capacity of Micro
Heat Pipes [Text]/ J. M. Ha, G. P. Peterson // ASME J. Heat Transfer. - 1998. - Vol. 120, №4. - P. 1064-1071.
6. Lin, L. High performance miniature heat pipe [Text]/ L. Lin, R. Ponnappanb, J. Leland // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2002. - №45. - Р. 3131-3142.
7. Кравец, В. Ю. Интенсивность теплоотдачи в зоне испарения миниатюрных тепловых труб [Текст] / В. Ю. Кравец, Е. Н. Письменный, Я. В. Некрашевич, Д. Э. Сологуб // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. -2011. - № 6/8(54). - С. 26-31.
8. Vasiliev, L. Heat pipes in modern heat exchangers [Text]/ L. Vasiliev // Applied Thermal Engineering. - 2005. -№25. - Р. 1-19.
9. Kimura Yuichi. Steady and Transient Heat Transfer Characteristics of Flat Micro Heatpipe [Text] / Yuichi Kimura, Yoshio Nakamura, Junji Sotani and others // Furukawa Review. -2005. - №27. - Р. 3-8.
10. Семена, М. Г. Тепловые трубы с металловолкнистыми капиллярными структурами [Текст]/ М. Г. Семена, А. Н. Гершуни, В. К. Зарипов. - К: Вища шк., 1984. - 215 с.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 6/5(14], 2013
ВПЛИВ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРИСТОЇ СТРУКТУРИ НА ІНТЕНСИВНІСТЬ КИПІННЯ В ТЕПЛОВІЙ ТРУБІ
Представлено результати експериментального дослідження впливу діаметра та довжини волокон мідної метало-волокнистої капілярної структури на процес тепловіддачі в зоні нагріву мініатюрної теплової труби. Встановлено характер впливу зовнішніх умов охолодження теплової труби на її внутрішні характеристики, а саме інтенсивність при фазових переходах.
Ключові слова: мініатюрна теплова труба, зона нагріву, коефіцієнт тепловіддачі, пориста структура
Алексеик Ольга Сергеевна, младший научный сотрудник,
ассистент, кафедра атомных электростанций и инженерной теплофизики, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина, e-mail: Helga-Gor@mail.ru
Алексеїк Ольга Сергіївна, молодший науковий співробітник, асистент, кафедра атомних електростанцій та інженерної теплофізики, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Україна, e-mail: Helga-Gor@mail.ru
Alekseik Olga, National Technical University “Kyiv Polytechnic Institute”, Ukraine, e-mail: Helga-Gor@mail.ru
УДК 536.24
Неїло Р. В. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ
ГІДРОДИНАМІКИ ТА ТЕПЛООБМІНУ В УМОВАХ ВІЛЬНОЇ КОНВЕКЦІЇ
В роботі представлено узагальнення результатів експериментальної роботи з дослідження теплообміну та гідродинаміки на поверхні горизонтального циліндра в умовах вільної конвекції. Візуалізація динамічного шару, що утворюється навколо нагрітого циліндра, дозволяє наочно підтвердити підходи, що використано при аналізі результатів.
Ключові слова: теплообмін, вільна конвекція, горизонтальна труба, гідродинаміка
1. Вступ
Теплова вільна конвекція - одне з найпоширеніших тепло-гідравлічних явищ на планеті. Воно виникає всюди у рідких середовищах, де існують нерівномірності температури окремих областей.
Не зважаючи на досить тривалий період дослідження теплообміну на поверхні горизонтального циліндра, в літературі відсутні однозначні дані як з аналітичного визначення загальної інтенсивності процесу [1 - 5], так і багатьох специфічних питань, наприклад, визначальної температури, та іншого. Більш того, часом такі дані протиречать одне одному (як показано в [4]).
В роботі описано порядок експериментальної роботи, результати експериментів з визначення інтенсивності тепловіддачі, візуалізації гідродинамічної сторони вільноконвективного теплообміну, та інше.
Рис. 1. Схема експериментального стенду: 1 - регулятор напруги (РН0-250-5); 2 - ватметр (Д522); 3 - експериментальний зразок;
4 - термометр ртутний лабораторний; 5 - термоелектричний перетворювач
3. Аналіз отриманих результатів
Характеристичне рівняння, що, за загальноприйнятими оцінками, описує процес вільноконвективного теплообміну:
Nu = a • Ran
(1)
2. Експериментальна установка
Експериментальна ділянка представляє собою алюмінієву трубу круглого перерізу, 0 22 мм, товщиною стінки 3 мм, довжиною 380 мм. В трубі розміщено електронагрівач. На відстані 175 мм від торцевої поверхні в товщі труби розміщено термоелектричний перетворювач (термопара). Експериментальний стенд представляє собою горизонтально розміщений експериментальний зразок до якого підводиться електричний струм через регулюючий трансформатор (РНО) (рис. 1).
де Ra - число Релея (за характерної температури, якою, відповідно до [4], прийнято температуру теплоносія далеко від поверхні теплообміну), а та п визначаються відповідно до аналізу отриманої графічної інтерпретації залежності в логарифмічних координатах, та, в загальному випадку, залежить від геометричної поверхні, на якій відбувається процес теплообміну, напрямку теплового потоку, інтенсивності процесу, тощо.
На рис. 2 представлено результати експериментальної роботи, та їх співставлення з існуючими методиками визначення інтенсивності теплообміну в описаних умо-
TECHNOLOGY AUDIT AND PRODUCTION RESERVES — № 6/5(14), 2013, © Неїло P В.