CC BY
20УДК 681.3:536.24.08
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ В ПАРОВОМ КАНАЛЕ КОРОТКИХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ
А. В. Серяков, А. В. Конькин
ООО «РУДЕТРАНССЕРВИС», Российская Федерация, 173021, Великий Новгород, ул. Нехинская, 55 E-mail: [email protected]
Представлены результаты численного моделирования пульсаций в паровом канале, выполненном в виде сопла, близкого к соплу Лаваля, коротких низкотемпературных тепловых труб (ТТ). Результаты численного анализа подтверждают экспериментально полученное увеличение частоты пульсаций в паровом канале коротких ТТ при увеличении перегрева капиллярно-пористого испарителя относительно температуры кипения рабочей жидкости.
Ключевые слова: численное моделирование, сопло Лаваля, пульсации в паровом канале ТТ.
SIMULATING PULSATIONS IN VAPOUR CHANNEL OF SHORT LOW-TEMPERATURE
RANGE HEAT PIPES
A. V. Seryakov, A. V. Konkin
LLC «RUDETRANS SERVICE» 55, Nekhinskaya Str., Veliky Novgorod, 173021, Russian Federation E-mail: [email protected]
The research presents the results of the numerical simulation of pulsations in the vapour channel, close to Laval nozzle, of short low-temperature range heat pipes (HP). The numerical results confirm the experimentally obtained increase in the frequency ofpulsations in the vapour channel of short HP with increasing overheat of the porous evaporator relative to the boiling point of the working fluid.
Keywords: Numerical simulation, Laval nozzle, pulsations in the vapour channel of HP
Интенсивное развитие и применение коротких низкотемпературных ТТ с повышенными значениями коэффициента теплопередачи ставит задачи детального изучения процессов внутреннего течения и конден-саци в паровом канале. Выполнение парового канале в виде сопла, близкого к соплу Лаваля, и окруженного слоем капиллярно-пористой вставки вдоль всей длины короткой ТТ, приводит к увеличению скорости, частоты пульсаций течения влажного пара, и коэффициента теплопередачи в сравнении с ТТ со стандартным цилиндрическим паровым каналом при равных габаритных размерах [1-4].
Возникновение пульсаций скорости и давления при течении влажного пара внутри парового канала в коротких ТТ представляет собой сложное явление, связанное с возникновением кипения в капиллярно-пористом испарителе и прерывистом распространением пара над ним. Исследование пульсаций подробно описано в [4]. Настоящий доклад сопоставляет результаты численного моделирования течения влажного пара в паровом канале, близком к соплу Лаваля, в коротких ТТ с экспериментальными результатами определения частоты пульсаций. Специально разработанные короткие ТТ с паровым каналом, близким к соплу Лаваля, и предназначенные для измерения частоты пульсаций показаны более подробно в предыдущем докладе. Вместе со сложными были изготовлены более простые ТТ также с капиллярной
вставкой и испарителем и со стандартным цилиндрическим паровым каналом, при равных габаритных размерах (рис. 1, 2).
Рис. 1. Осциллограммы нарастания частоты модуляции в зависимости от тепловой нагрузки на испаритель ТТ. Начальные пульсации давления возникают в ТТ с паровым каналом в виде сопла, близкого к соплу Лаваля при перегреве испарителя 5Г-9К, частота пульсаций (частота модуляции электромагнитных импульсов) является^ ~386 Гц, нижняя осциллограмма; ST ~20К,f1 ~ 502№, верхняя осциллограмма
Решетневские чтения. 2017
Рис. 2. Последовательные этапы расчета скорости течения влажного пара, сверху вниз. На левой стороне модель с тремя устойчивыми пульсациями в паровом канале, на правой стороне с четырьмя последовательными пульсациями скорости. Явное возникновение пульсаций в паровом канале, частота пульсаций увеличивается, что согласуется с экспериментальными результатами [4-5]. Модулирование толщины жидкостной пленки на поверхности конденсации и позволяет определить частоту пульсаций внутри парового
канала коротких ТТ. Кроме того, вблизи поверхности конденсации на верхней крышке ТТ образуется приповерхностный вихрь влажного пара. Взаимодействие пульсаций скорости (и давления) влажного пара и приповерхностного вихря и определяет повышенную интенсивность конденсации в коротких ТТ с паровым каналом, близким к соплу Лаваля и повышенный коэффициент теплопередачи по сравнению с ТТ со стандартным цилиндрическим паровым каналом
Пульсационные характеристики коротких ТТ измеряли следующим образом. Перегрев испарителя ТТ относительно температуры кипения принятого в качестве рабочей жидкости диэтилового эфира 5Т = Т - Тв увеличивали дискретными шагами на величину 1 К. На электроды емкостных датчиков подавали электрические импульсы внешнего генератора с частотой следования 10-100 kHz и амплитудой 5V. Начиная с некоторого перегрева ЪТ испарителя ТТ электрические импульсы оказываются модулированными. Измерение частоты модуляции импульсов проводили через схему усиления и фильтрации, цифровой осциллограф и компьютер. Погрешность измерения частоты модуляции не превышает 5 Hz.
В таблице приведены частоты пульсаций (частоты модуляции) в зависимости от перегрева ЪТ = Т - Тв испарителя относительно температуры кипения ди-этилового эфира 308,55 к (35,4 °С).
fx, Hz -частоты пульсаций в ТТ с паровым каналом в виде сопла, близкого к соплу Лаваля;
f2, Hz - частоты пульсаций в ТТ со стандартным цилиндрическим паровым каналом, при равенстве внешнего диаметра ТТ и площади сечения капиллярно-пористых вставок.
Представлены результаты численного моделирования скорости течения сжимаемой паровой среды внутри парового канала в виде сопла, близкого к со-
плу Лаваля. Численное моделирование было проведено методом конечных элементов с помощью программы А№У8 в 2Б-варианте и осесимметричных условиях.
Частоты пульсаций
Перегрев испарителя, ST, K Частота пульсацийf\, Hz Частота пульсаций f2, Hz
9,05 386±5 -
10,1 396±5 -
11,03 426±5 406±5
12,15 450±5 420±5
13,0 456±5 437±5
14,07 474±5 440±5
15,03 474±5 454±5
16,0 478±5 453±5
17,1 490±5 460±5
18,06 491±5 472±5
19,02 495±5 473±5
20,12 502±5 474±5
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. Iss. 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. Iss. 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 teplophizicheskim svoistvam gasov i zhidkostey. M. : PhM literatura, 1963. 708 p.
© CepflKOB A. B., Kohlkhh A. B., 2017
