Лияние характеристик пористой структуры на интенсивность кипения в тепловой трубе Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

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.