CC BY
93
УДК 532.685
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В МИКРОКАНАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ ГИБРИДНЫХ СИСТЕМ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ
Д.А. Коновалов, И.Н. Лазаренко, Н.Н. Кожухов, И.Г. Дроздов
Настоящая работа посвящена разработке методов интенсификации теплообмена в микроканальных теплообменниках гибридных систем термостабилизации. Была предложена одна из возможных схем гибридной системы термостабилизации. Определены подходы к созданию конструкции теплообменника для охлаждения электронного модуля. В качестве возможных конструктивных решений для теплообменников с целью охлаждения электронного модуля предложены три модели: модель с плоским каналом, модель с плоским каналом, заполненным сплошной пористой средой, и модель с пористыми вставками с межканальной транспирацией охладителя. Для всех трех моделей произведены теплогидравлические расчеты. С целью повышения эффективности работы теплообменника рассмотрены предпочтительные способы интенсификации теплообмена: использование наножидкости в качестве теплоносителя, реализация пульсаций при его транспортировке и наличие фазового перехода
Ключевые слова: интенсификация, микроканальный теплообменник, гибридная система термостабилизации
Введение
Современное развитие телекоммуникационного оборудования связано с применением компактных устройств с возрастающей энергонапряженностью и высоким удельным тепловыделением. Например, для модулей спутниковой связи, передающих устройств наземного базирования, телекоммуникационного оборудования критическая температура может достигать 125 °С, в то время как оптимальная находится в диапазоне от 40 до 80 °С. Зачастую для отдельных элементов электронных устройств требуется изменение диапазона температуры с точностью ± 0,1 °С, что приводит к дополнительным требованиям для систем регулирования в составе систем термостабилизации.
В различных климатических условиях, актуален вопрос работы электронных модулей не только при повышенных положительных (+65 °С), но и при отрицательных температурах (- 40 °С) окружающей среды, что также приводит к необходимости решения проблемы термостабилизации.
В настоящее время существует множество способов термостабилизации электронной аппаратуры. Одним из них является применение гибридных систем, что позволяет обеспечить оптимальную работу оборудования. Гибридные системы термостабилизации - это системы,
Коновалов Дмитрий Альбертович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(473) 272-87-82, e-mail: [email protected]
Лазаренко Игорь Николаевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8(473) 277-27-55, e-mail: [email protected] Кожухов Николай Николаевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(473) 243-76-62, e-mail: [email protected]
Дроздов Игорь Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473) 277-27-55, e-mail: [email protected]
обеспечивающие как охлаждение, так и подогрев компонентов самой системы и элементов электронных модулей, на которых они установлены с целью обеспечения надежной работы в условиях оптимального энергопотребления. К их основным элементам можно отнести следующие:
- гибридные теплообменники на основе пористых и микроканальных элементов;
- системы дохолаживания/подогрева теплоносителя на основе элементов Пельтье;
- микропленочные резистивные нагревательные элементы;
- внешние теплообменные модули с интенсифицирующими элементами.
Гибридная система термостабилизации
Один из возможных вариантов схемы гибридной системы термостабилизации представлен на рис. 1.
Гибридная система включает в себя два контура:
- контур 1 МКТ (жидкостный);
- контур 2 ТЭМО (воздушный).
Схема движения теплоносителя контура 1 является замкнутой. Теплоноситель первого контура насосом НЦ подаётся в микроканальный теплообменник (МКТ), где после процесса теплообмена, поступает в теплообменный аппарат блока охлаждения на основе ТЭМО (термоэлектрический модуль охлаждения на основе элементов Пельтье) и затем возвращается в насос НЦ. ТЭМО позволяет дохолаживать теплоноситель до необходимой температуры в том случае, если она не соответствует значениям на выходе из теплообменника МКТ.
АТ - воздушный теплообменный аппарат (кулер); БО - блок охлаждения на основе ТЭМО (жидкостно-воздушный); БР - расширительный бак; МКТ - микроканальный теплообменник; НЦ - насос
Насос регулирует расход теплоносителя за счет изменения частоты вращения ротора, что также экономит электроэнергию. Расширительный бак БР служит для заправки системы теплоносителем и компенсации его расширения в процессе работы.
Необходимая температура теплоносителя в контуре 1 поддерживается с помощью блока охлаждения БО за счет регулировки мощности (холодопроизводительности) ТЭМО.
В данной работе рассмотрены методы интенсификации теплообмена в микроканальных теплообменниках гибридных систем охлаждения.
Конструктивное решение
Самым теплонапряженным элементом представленной гибиридной системы является теплообменник МКТ. Одним из наиболее эффективных способов защиты считается пористое и микроканальное охлаждение [1-8], которое предусматривает изготовление теплона-пряженных конструкций или их деталей из пористых материалов, через поры которых во время работы подается охладитель (газ или жидкость) на поверхность, соприкасающуюся с нагретой рабочей средой.
В качестве возможных конструктивных решений для теплообменников с целью охлаждения электронного модуля предлагаются три модели:
- модель с плоским каналом;
- модель с плоским каналом, заполненной сплошной пористой средой;
- модель с пористыми вставками с межканальной транспирацией охладителя.
Модель с плоским каналом
Данная модель представляет собой квадратный лист из меди, внутри которого находится канал прямоугольного сечения шириной 22 мм. Геометрические размеры и граничные условия для данной модели приведены на рис. 2. Подвод и отвод охладителя показаны условно. Теплоносителем для данной модели выбрана вода.
Предполагаем, что внутренние тепловыделения отсутствуют, течение стационарное двухмерное, жидкость несжимаема. В этом случае, течение жидкости и теплообмен в плоском канале в общем виде описываются системой, состоящей из следующих уравнений:
- уравнение движения:
дЗ
p— = -gradP, (1)
дт
- уравнение неразрывности:
д3 д3у
— + — = 0, (2)
дх ду
- уравнение энергии:
-(д2Т д2Т^ п дТ п дТ
+ 1 = 3 дТ + 3 ду' <3)
рудх ду
где р - плотность жидкости, кг/м3; Т - температура жидкости, К; - - теплопроводность
жидкости, Вт/(м-К), 3 - скорость, м/с; Р - давление, Па; т - время, с.
При построении модели в качестве граничных условий на поверхности нагрева принимались граничные условия 2 рода, а удельный тепловой поток задавался, равным 100 Вт/см2.
Рис. 2. Модель с плоским каналом
С учетом геометрии поверхности 22,5x22,5 мм теплосъем составил около 500 Вт. Тепловой поток через остальные стенки принимался равным нулю, что соответствует условиям адиабатности. На входе охладителя в теплообменник задавались граничные условия 1 рода.
Расчеты проводились с использованием программного комплекса Ansys для четырех температур охладителя на входе равными 65 °С, 55 °С, 50 °С, 45 °С. При этом в ходе расчета оценивалась температура поверхности нагрева. Для оптимальной работы электронного оборудования она не должна превышать 80 °С. В результате расчета определялись такие параметры как температура охладителя на выходе и перепад давления в теплообменнике.
Результаты расчета модели с плоским каналом в виде графиков представлены на рис. 35.
0,4 0,6
G, кг/с
■1вх=65 оС '
Пвх=55 оС ■
Пвх=50 оС-
Пвх=45 оС
Рис. 3. Зависимость температуры охладителя на выходе из теплообменника от расхода
Расчеты показывают, что использование модели с плоским каналом решает задачу охлаждения электронного модуля с заданными характеристиками.
и
о
/0
65
60 ■
50 ■ ■ ■
45 40
0,4 0,6
О, кг/с
■1вх=65 оС ■
Пвх=55 оС-
■1вх=50 оС"
■ 1вх=45 оС
Рис. 4. Зависимость температуры поверхности нагрева от расхода
При этом расход охладителя оказывается значительным для данной конструкции, что потребует применения энергоемких насосов, специальных штуцеров и трубопроводов для транспортировки теплоносителя, что в свою очередь приведет к увеличению массогабарит-ных характеристик конструкции. К тому же система, скорее всего, будет обладать повышенным уровнем шума.
180 160 140
н 120
и
5 100
Ей
2
% 60 40 20 0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
О, кг/с
Рис. 5. Зависимость перепада давления в теплообменнике от расхода
Одним из способов более равномерного распределения температур по высоте канала в теплообменниках и повышения эффективности теплоотвода является использование развитых поверхностей на основе пористых вставок.
Модель с плоским каналом, заполненным сплошной пористой средой
С целью интенсификации теплообмена, сокращения энергозатрат на транспортировку теплоносителя предлагается модель с плоским каналом, заполненным пористой средой. Мате-
0
0,2
0,8
0
0,2
0,8
риалом пористой среды является медь, обладающая высокой теплопроводностью. Значение пористости составляет П = 0,4 . Схема подвода и отвода охладителя, геометрические размеры соответствуют модели с плоским каналом (рис. 2).
Течение жидкости и теплообмен в плоском канале заполненной пористой средой в общем виде описываются системой, состоящей из следующих уравнений:
- уравнение движения:
Р? = -gradP -(ац9 + Рр92)9
дт 4
9
где 9 = ^92 +9
д9
дР
Р^Г = -^-К + РР9К
дт
дх
д9у дР , дт ду - уравнение энергии:
■д( - дТ 1+эГ- дТ I-
(4)
(5)
(6)
дх
эф
дх) ду
эф
ду
, а дт дт) дт
- ПС°хр°х\3 ^% ) = сэфрэф ^'
(7)
где П - пористость; С - теплопроводность Дж/(кг-К); а - вязкостный коэффициент, м-2; Р - инерционный коэффициент, м-1.
Для однотемпературной модели уравнение энергии запишется следующим образом
дТ д
эф
Сэф ' рэф
П • С • р -•У2Т--•&• gradT , (8)
С
эф
Граничные условия аналогичны предыдущей модели. Коэффициенты пористой матрицы были определены из следующих соотношений
[5]:
- вязкостный
а = 171(1 - П )2 П-3d~2;
(9)
- инерционный
р = 0,635 (1 - П) П-4,72 d;^
(10)
где П - пористость материала; dч - диаметр частиц пористой вставки, м.
Их значения составили 2,423 •Ю11 1/м2 и 456942,2 1/м соответственно.
Расчеты проводились для входных температур охладителя, аналогичных для модели с плоским каналом. Для оценки теплового состояния использовалась однотемпературная модель теплообмена, базирующаяся на равенстве температур пористой матрицы и охладителя. В результате была рассчитана температура охла-
дителя на выходе и перепад давления в теплообменнике.
Результаты расчета модели с плоским каналом, заполненным пористой средой в виде графиков представлены на рис. 6-8.
200
0,002
^вх=65 оС"
0,004 0,006 G, кг/с
0,008
^вх=55 оС"
^вх=50 оС"
0,01
■tвх=45 оС
Рис. 6. Зависимость температуры охладителя на выходе из теплообменника от расхода
Результаты показывают, что модель с каналом, заполненной сплошной пористой средой позволяет осуществить расчетный теплоотвод при расходах на 1^2 порядка ниже, по сравнению с моделью с плоским каналом.
При этом наблюдается выравнивание температур по высоте канала, что повышает эффективность использования теплоносителя и, как следствие, высокую интенсивность теплообмена между охладителем и пористой структурой, обладающей развитой поверхностью. Модель с плоским каналом, заполненным сплошной пористой средой, несмотря на небольшие размеры, характеризуется значительными потерями давления, что также ведет к росту энергозатрат на транспортировку теплоносителя.
0,002
■1вх=65 оС ■
0,004 0,006 G, кг/с
0,008
■1вх=55 оС"
■1вх=50 оС"
0,01
■1вх=45 оС
Рис. 7. Зависимость температуры поверхности нагрева от расхода
С целью сохранения эффективности теплообмена и существенного снижения затрат на транспортировку теплоносителя рассмотрим
0
0
модель теплообменника с пористыми ребрами и межканальной транспирацией охладителя.
0,004 0,006 О, кг/с
Рис. 8. Зависимость перепада давления в теплообменнике от расхода
Модель с пористыми ребрами и межканальной транспирацией охладителя
Модель представляет собой плоский канал в котором расположены 4 пористых ребра. В качестве ребер предлагается использовать пористую медь (П = 0,4). Геометрические размеры модели и схема межканальной транспира-ции охладителя приведены на рис. 9. Подвод и отвод охладителя осуществляется через установленные в крышке штуцеры (не показаны).
Рис. 9. Модель с пористыми ребрами с межканальной транспирацией охладителя
Исходные данные и граничные условия аналогичны условиям моделей, рассмотренных выше. Результаты расчета модели с пористыми ребрами с межканальной транспирацией охладителя представлены в виде графиков на рис. 10-12.
Результаты показывают, что модель с пористыми ребрами с межканальной транспира-
цией охладителя позволяет осуществить расчетный теплоотвод при расходах на один порядок ниже, по сравнению с моделью с плоским каналом.
0,004 0,006
О, кг/с
"|вх=65 оС ■ 1вх~5 5 оС 4 Iвх=50 оС
Рис. 10. Зависимость температуры охладителя на выходе из теплообменника от расхода
Потери давления составляют 2 м. вод. ст. в модели с пористыми ребрами с межканальной транспирацией и 85 м. вод. ст. для сплошной пористой среды, но при этом не снижается эффективность теплообмена. Таким образом, в качестве наиболее эффективной следует признать микроканальный теплообменник с пористыми ребрами и межканальной транспирацией теплоносителя.
к
1л
0,0 0 2 0,0 04 0,0 0 6 0,0 08
О, кг/с
~|вх=65 оС ■ 1вх=55 оС * Iвх=50 оС • Iвх=45 оС
Рис. 11. Зависимость температуры поверхности нагрева от расхода
Принимая во внимание результаты моделирования работы различных моделей теплообменников, было разработано несколько вариантов конструкции микроканального теплообменника (МКТ) с межканальной транспирацией теплоносителя. Во всех представленных конструкциях пористая вставка расположена на задней крышке (подложке) МКТ. Уплотнения, а также подвод теплоносителя располагаются на верхней крышке МКТ.
0
0,01
Возможные варианты расположения пористой вставки на подложке и схемы движения теплоносителя представлены на рис. 13. Стрелками показаны подвод и отвод охладителя. Конструкции, приведенные на рис. 13а и 13б на настоящий момент времени являются рабочими вариантами [9-11].
н 2 и
Ч 1,5 г
1
0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01
^ кг/с
Рис. 12. Зависимость перепада давления в теплообменнике от расхода
Теплоноситель подаётся с одной стороны, проходит пористую вставку по рёбрам и отводится с другой стороны. Пористая вставка имеет определенную высоту и сверху прижимается крышкой, что исключает перетекание рабочего тела сверху ребра. Течение теплоносителя, также исключено с торцов ребра с помощью непроницаемых стенок. Таким образом, теплоноситель фильтруется по нормали к длинной стороне ребра.
Рис. 13. Варианты конструкции и расположения пористой вставки в МКТ
В отличие от вариантов, представленных на рис. 13.а, б, пористая вставка (рис. 13в) яв-
ляется сплошной и имеет цилиндрическую форму. Она занимает ту же площадь, что и в предыдущем варианте. Теплоноситель подаётся в центр пористой вставки, распределяясь равномерно, отводится через кольцевой коллектор с помощью двух отводов. Кольцевой коллектор образуется за счет верхней крышки МКТ и пористой вставки. Пористая вставка может иметь прямоугольную или квадратную форму.
В варианте, представленном на рис. 13г, пористая вставка выполнена в форме «звезды». Теплоноситель подаётся в центр пористой вставки, распределяясь равномерно, отводится с помощью двух отводов, расположенных в крайних зонах крышки.
С целью дополнительной интенсификации теплообмена в элементах гибридной системы охлаждения рассмотрим следующие варианты для дальнейших исследований.
Интенсификация теплообмена на наноповерхностях. Наножидкости
Применение развитых поверхностей микро и наномасштаба позволяет увеличить поверхность теплообмена путем создания соответствующего рельефа, а также способствует разрушению пограничного слоя. Большинство работ показывают, что в целом наблюдается увеличение интенсивности происходящих процессов. При наличии развитой поверхности сформированной за счет микро и нанопокрытий увеличивается коэффициент теплоотдачи, что позволяет отводить высокие удельные тепловые потоки с поверхностей, имеющих малые размеры (элементы электронного и телекоммуникационного оборудования).
Наряду с использованием покрытий микро и наномасштаба для интенсификации теплообмена можно применять наножидкости. Высокий эффект при этом достигается при наличии фазового перехода для теплоносителя. При этом наночастицы, находящиеся в жидкости являются центрами парообразования, что позволяет реализовать развитое пузырьковое кипение в объеме жидкости [13-20].
Интенсификация теплообмена за счет пульсаций течения охладителя
Системы охлаждения продолжительное время функционируют на стационарных режимах. Однако при периодическом или импульсном режимах работы переходные процессы могут оказывать существенное (положитель-
2,5
0,5
б
а
в
г
ное/отрицательное) влияние на работу пористых и микроканальных систем охлаждения. Например, при малых возмущениях, которые могут быть вызваны вибрациями стенок, пульсацией охладителя в подающих коллекторах и т.п. Современные исследования свидетельствуют о восприимчивости «пористая среда -охладитель» к возмущениям подобного рода.
Выбор способов интенсификации теплообмена для МКТ
Применение в качестве охлаждающих элементов для теплообменников является использование пористых ребер, а для снижения гидравлического сопротивления следует применять межканальную транспирацию охладителя. Процесс теплообмена может быть также интенсифицирован с помощью пульсаций охладителя в области низких частот. Существенная интенсификация в пористых теплообменниках может быть достигнута за счет изменения пористости элемента. Снижение гидравлического сопротивления при росте (сохранении) коэффициентов теплоотдачи достигается за счет применения высокопористых ячеистых материалов (ВПЯМ) [6].
Одним из предпочтительных способов интенсификации является наличие фазового перехода в пористом теплообменнике [21-25]. Наличие развитой структуры пористого каркаса позволяет реализовать развитое пузырьковое кипение и реализовать «защиту» от перехода к пленочному кипению. Данный способ интенсификации целесообразно применять при критических режимах работы системы, обеспечив надежный теплоотвод (превышение расчетных температур окружающего воздуха, электронных компонентов, аварийный отказ одного (нескольких) элементов системы гибридной термостабилизации). При этом способ интенсификации с фазовым переходом характеризуется метастабильным состоянием, существенным колебанием давления в системе, что усложняет разработку ее отдельных элементов. Применение микро- и наноповерхностей (покрытий) целесообразно для элементов Пельтье и внешнего теплообменника. В случае микроканального теплообменника пористая среда представляет собой систему микро- и наноканалов.
Таким образом, одним из векторов развития интенсификации теплообмена в микроканальном пористом теплообменном элементе является применение низкочастотных пульса-
ций и фазового перехода в условиях критического режима работы.
Выводы
В гибридной системе термостабилизации наиболее предпочтительным способом интенсификации с учётом возможного движения теплоносителя в ламинарном режиме, является осцилляция давления (расхода) теплоносителя в МКТ. Причём применение данного способа ограничено узким частотным диапазоном и при выходе из него эффективность нивелируется.
Использование фазового перехода в МКТ является предпочтительным ввиду получения высоких коэффициентов теплоотдачи, что позволит увеличить теплосъём. Однако, парообразование теплоносителей в зоне перегрева создаёт стохастические пульсации гидродинамических характеристик, что интегрально может привести к неустойчивому процессу теплообмена всей системы.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы», соглашение о предоставлении субсидии № 14.577.21.0202.
Литература
1. Калинин, Э.К. Эффективные поверхности теплообмена [Текст] / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, И.З. Копп. -М.: Энергоатомиздат, 1998. - 408 с.
2. Разработка и моделирование микроканальных систем охлаждения [Текст]: монография / Д.А. Коновалов, И.Г. Дроздов, Д.П. Шматов, С.В. Дахин, Н.Н. Кожухов // Воронеж: ВГТУ, 2013. - 222 с.
3. Интенсификация тепло- и массообмена на макро-, микро- и наномасштабах [Текст]: монография / Б.В. Дзю-бенко, Ю.А. Кузма-Кичта, А.И. Леонтьев, И.И. Федик, Л.П. Холпанов // М.: ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», 2008. - 532 с.
4. Калинин, Э.К. Интенсификация теплоотдачи в каналах [Текст] / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, С.Л. Ярхо. -М.: Машиностроение, 1990. - 200 с.
5. Поляев, В.М. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов / В.М. Поляев, В.А. Майоров, Л.Л. Васильев. - М.: Машиностроение, 1988. - 168 с.
6. Попов, И.А. Гидродинамика и теплообмен в пористых теплообменных элементах иаппаратах. Интенсификация теплообмена [Текст]: монография / И.А. Попов; под общ. ред. Ю.Ф. Гортышова. - Казань: Центр инновационных технологий, 2007. - 240 с.
7. Кузнецов, Г.В. Об одном подходе к математическому моделированию тепловых режимов радиоэлектронной аппаратуры и электронной техники [Текст] / Г.В. Кузнецов, М.А. Шеремет // Микроэлектроника, 2008. - Т. 37. - № 2. - С. 150-158.
8. Проектирование и испытания охладителей силовых полупроводниковых приборов [Текст] / C.A. Панфи-
лов, В.М. Каликанов, Ю.А. Фомин, А.С. Саванин // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2008. - № 3. - С. 41-43.
9. Пат. 51441 Российская Федерация, МПК Н0К 23/34. Устройство охлаждения электронных компонентов [Текст] / Дроздов И.Г., Мозговой Н.В., Шматов Д.П., Кожухов Н.Н.; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. - № 2005121936/22; заявл. 11.07.2005; опубл. 10.08.2004, Бюл. № 4. - 5 с.
10. Пат. 58788 Российская Федерация, МПК Н0К 23/34. Устройство охлаждения для электронных компонентов [Текст] / Дроздов И.Г., Кожухов Н.Н., Мозговой Н.В., Коновалов Д.А., Шматов Д.П.; заявитель и патентообладатель Воронежский государственный технический университет. - № 2006113838/22; заявл. 24.04.2006; опубл. 27.11.2006, Бюл. № 33. - 4 с.
11. Пат. 2440641 Российская Федерация, МПК Н0К 23/34. Устройство отвода теплоты от кристалла полупроводниковой микросхемы [Текст] / Савинков А.Ю., Дроздов И.Г., Шматов Д.П., Дахин С.В., Коновалов Д.А., Кожухов Н.Н., Небольсин В.А.; заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «КОДОФОН». - № 2010146036/28; заявл. 10.11.2010; опубл. 20.01.2012, Бюл. № 2. - 8 с.
12. Об одном подходе к созданию модели интегрированного теплообменника [Текст] / Д.А. Коновалов, И.Г. Дроздов, Д.П. Шматов, С.В. Дахин, Н.Н. Кожухов // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XVIII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. В 2-х т. - М.: Изд. МЭИ, 2011. - Т.1. - С. 431-434.
13. Интенсификация теплообмена при кипении жидкостей на сферах с керамическими субмикронными покрытиями на основе AL2Oз [Текст] / К.И. Белов, В.М. Жуков, Ю.А. Кузма-Кичта, В.А. Леньков // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XX Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (24-29 мая 2015 г., г. Звенигород). - М.: Изд. МЭИ, 2015. - С. 281-284.
14. Исследование кипения на поверхности с рельефом из наночастиц [Текст] / М.В. Шустов, Ю.А. Кузма-Кичта, А.В. Лавриков, П.С. Чурсин // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: Труды XX Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева
(24-29 мая 2015 г., г. Звенигород). - М.: Изд. МЭИ, 2015. -С. 346-349.
15. Исследование интенсификации теплообмена при кипении воды на поверхности с микро- и нанорельефом [Текст] / ЮА. Кузма-Кичта, A^. Лавриков, М.В. Шустов [и др.] // Теплоэнергетика. - М.: ООО МAИК «Наука/Интерпериодика», 2014. - № 3. - C. 35-3S.
16. Шустов М.В. Исследование кипения в микроканале с покрытием из наночастиц [Текст]: дис. ... капд. техн. паук: 01.04.14 : защищена 22.04.15: утв. 12.11.15 / Шустов Михаил Владимирович. М., 2003. - 119 с.
17. Исследование кипения при естественной циркуляции в трубе с рельефом из наночастиц [Текст] / ЮА. Кузма-Кичта, A^. Лавриков, KA. Стенина [и др.] // Труды Шестой Российской национальной конференции по теплообмену. - М.: Издательский дом МЭИ, 2014. - Т. 2. -C. 55-56.
1S. Effect of nanopartic leson heat transfer in mini double-pipe heat exchangers in turbulent flow [Text] / Aghayari Reza [and oth.] // Heat MassTransfer, 2015. - № 51. - P. 301306.
19. Бардаханов, С.П. Исследование теплопроводности наножидкостей на основе наночастиц оксида алюминия [Текст] / С.П. Бардахапов, СА. Новопашин, МА. Серебрякова // Наносистемы: физика, химия, математика, 2012. - № 3 (1). - С. 27-33.
20. Экспериментальный метод измерения теплопроводности наножидкости [Текст] / A^. Жаров, Н.Г. Савин-ский, A.A. Павлов, A.K Евдокимов // Физико-математические науки фундаментальные исследования, 2014. - № S. - C. 1345-1350.
21. Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена [Текст] / С.С. Кутателадзе. - Новосибирск: Наука, 1970. -660 с.
22. Ягов, В.В. Научное наследие ДА. Лабунцова и современное представление о пузырьковом кипении [Текст] / В.В. Ягов // Теплоэнергетика, 1995. - № 3. - С. 2 - 10.
23. Лабунцов, ДА. Физические основы энергетики. Избранные труды по теплообмену, гидродинамике, термодинамике [Текст] / ДА. Лабунцов // М.: МЭИ, 2000. -3SS с.
24. Овсянник, A^. Моделирование процессов теплообмена при кипении жидкостей [Текст] / A^. Овсянник. - Гомель: ГГТУ им. Г.С. Сухого, 2012. - 2S4 с.
25. Кипение воды па микроструктурированных поверхностях / Ю.Ф. Гортышев, ИА. Попов, Н.Н. Зубков [и др.] // Труды Aкадэнерго, 2012. - Ч. 1. - C. 14-31.
Воронежский государственный технический университет
DEVELOPMENT OF METHODS FOR IMPROVED HEAT TRANSFER IN MICROCHANNEL HEAT EXCHANGERS HYBRID COOLING SYSTEMS
D.A. Konovalov, Assoc. Prof. of Dept of Theoretical and industrial heat power engineering, Ph. D. in Engineering, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: [email protected]
I.N. Lazarenko, Postgraduate, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: [email protected]
N.N. Kozhukhov, Assoc. Prof. of Dept of Theoretical and industrial heat power engineering, Ph. D. in Engineering, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: [email protected]
I.G. Drozdov, Prof., Head of Dept. of Theoretical and industrial heat power engineering, D. Sc. in Engineering, e-mail: [email protected]
The present work is devoted to the development of heat transfer enhancement techniques in microchannel heat exchangers, thermal stabilization of hybrid systems. One of the possible schemes for thermal stabilization of the hybrid system was proposed. Approaches to the creation of heat exchanger design for cooling the electronic module. As possible design solutions for heat exchangers for cooling the electronic module offered three models: - model with a flat channel - channel model with a flat-filled porous medium and solid model with porous inserts with inter-channel transpiration cooling. For all three models produced thermal-hydraulic calculations. In order to improve the efficiency of the heat exchanger to the preferred methods for in-intensification of heat transfer: the use of nanofluids as coolant, the implementation of pulsations in transit and presence of phase transition
Key words: intensification, microchannel heat exchanger, a hybrid system of thermal stabilization
References
1. Kalinin Je.K., Drejcer G.A., Kopp I.Z. Effektivnye poverhnosti teploobmena [Efficient heat transfer surface]. M.: Energoatomizdat, 1998. - 408 p.
2. Konovalov D.A., Drozdov I.G., Shmatov D.P., Dakhin S.V., Kozhukhov N.N. Razrabotka i modelirovanie
mikrokanalnykh sistem okhlazhdeniia [Design and modeling of micro-channel cooling systems]. Voronezh, 2013. - 222 p.
3. Dziubenko B.V., Kuzma-Kichta Iu.A., Leontev A.I., Fedik I.I., Kholpanov L.P. Intensifikatciia teplo- i mas-soobmena na makro-, mikro- i nanomasshtabakh [The intensification of heat and mass transfer at the macro, micro and nano scale]. M.: FGUP «TcNIIATOMINFORM», 2008. - 532 p.
4. Kalinin E.K., Dreitcer G.A., Iarkho S.L. Intensifikatciia teplootdachi v kanalakh [Intensification of heat transfer in the channels]. M.: Mashinostroenie, 1990. - 200 p.
5. Poliaev V.M., Maiorov V.A., Vasilev L.L. Gidrodinamika i teploobmen v poristykh elementakh konstruktcii le-tatelnykh apparatov [Hydrodynamics and heat transfer in the porous structural elements of aircrafts]. M.: Mashinostroenie, 1988. - 168 p.
6. Popov I.A. Gidrodinamika i teploobmen v poristykh teploobmennykh elementakh i apparatakh. Intensifikatciia teploobmena [Hydrodynamics and heat transfer in porous heat exchange elements and devices. Intensification of heat exchange]. Kazan: Tcentr innovatcionnykh tekhnologii, 2007. - 240 p.
7. Kuznetcov G.V., Sheremet M.A. Ob odnom podkhode k matematicheskomu modelirovaniiu teplovykh rezhimov radioelektronnoi apparatury i elektronnoi tekhniki [An approach to mathematical modeling of thermal modes of electronic equipment and electronic engineering]. Mikroelektronika, 2008; 37; 2 - 150-158.
8. Panfilov C.A., Kalikanov V.M., Fomin Iu.A., Savanin A.S. Proektirovanie i ispytaniia okhladitelei silovykh po-luprovodnikovykh priborov [Design and testing of cooling power semiconductors]. Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol, diagnostika, 2008; 3 - 41-43.
9. Pat. 51441 Russian Federation, IPC H01L 23/34. Ustroistvo okhlazhdeniia elektronnykh komponentov [The cooling device of electronic components]. Drozdov I.G., Mozgovoi N.V., Shmatov D.P., Kozhukhov N.N. Voronezh State Technical University. - № 2005121936/22; 11.07.2005; 10.08.2004; № 4. - 5 p.
10. Pat. 58788 Russian Federation, IPC H01L 23/34. Ustroistvo okhlazhdeniia dlia elektronnykh komponentov [Cooling device for electronic components]. Drozdov I.G., Kozhukhov N.N., Mozgovoi N.V., Konovalov D.A., Shmatov D.P.; Voronezh State Technical University. - № 2006113838/22; 24.04.2006; 27.11.2006; 33. - 4 p.
11. Pat. 2440641, IPC H01L 23/34. Ustroistvo otvoda teploty ot kristalla poluprovodnikovoi mikroskhemy [Removing heat from the device chip semiconductor crystal]. Savinkov A.Iu., Drozdov I.G., Shmatov D.P., Dakhin S.V., Konovalov D.A., Kozhukhov N.N., Nebolsin V.A.; Zakrytoe aktcionernoe obshchestvo «KODOFON». - № 2010146036/28; 10.11.2010; 20.01.2012; № 2. - 8 p.
12. Konovalov D.A., Drozdov I.G., Shmatov D.P., Dakhin S.V., Kozhukhov N.N. Ob odnom podkhode k soz-daniiu modeli integrirovannogo teploobmennika [An approach to the creation of a model of an integrated heat exchanger]. Problemy gazodinamiki i teplomassoobmena v energeticheskikh ustanovkakh: Trudy XVIII Shkoly-seminara mo-lodykh uchenykh i spetcialistov pod rukovodstvom akademika RAN A.I. Leonteva. M.: Izd. MEI, 2011; 1 - 431-434.
13. Belov K.I., Zhukov V.M., Kuzma-Kichta Iu.A., Lenkov V.A. Intensifikatciia teploobmena pri kipenii zhidkostei na sferakh s keramicheskimi submikronnymi pokrytiiami na osnove AL2O3 [Intensification of heat exchange with boiling liquid on areas with submicron ceramic coatings based on AL2O3]. Problemy gazodinamiki i teplomassoobmena v energeticheskikh ustanovkakh: Trudy XKh Shkoly-seminara molodykh uchenykh i spetcialistov pod rukovodstvom akademika RAN A.I. Leonteva. M.: Izd. MEI, 2015 - 281-284.
14. Shustov M.V., Kuzma-Kichta Iu.A., Lavrikov A.V., Chursin P.S. Issledovanie kipeniia na poverkhnosti s rele-fom iz nanochastitc [Research on the boiling surface topography of nanoparticles]. Problemy gazodinamiki i teplomassoobmena v energeticheskikh ustanovkakh: Trudy XKh Shkoly-seminara molodykh uchenykh i spetcialistov pod rukovodstvom akademika RAN A.I. Leonteva. M.: Izd. MEI, 2015 - 346-349.
15. Iu.A. Kuzma-Kichta, A.V. Lavrikov, M.V. Shustov and others. Issledovanie intensifikatcii teploobmena pri kipenii vody na poverkhnosti s mikro- i nanorelefom [Research of intensification of heat transfer in boiling water on a surface with micro and nano topography]. Teploenergetika. - M.: OOO MAIK «Nauka/Interperiodika», 2014; 3 - 3538.
16. Shustov M.V. Issledovanie kipeniia v mikrokanale s pokrytiem iz nanochastitc [Research boiling in a microchannel with a coating of nanoparticles]. 01.04.14; 22.04.15; 12.11.15, 2003. - 119 p.
17. Kuzma-Kichta Iu.A., Lavrikov A.V., Stenina N.A. Issledovanie kipeniia pri estestvennoi tcirkuliatcii v trube s relefom iz nanochastitc [Research boiling in a microchannel with a coating of nanoparticles]. Trudy Shestoi Rossiiskoi natcionalnoi konferentcii po teploobmenu. M.: Izdatelskii dom MEI, 2014; 2 - 55-56.
18. Effect of nanopartic leson heat transfer in mini double-pipe heat exchangers in turbulent flow [Text] / Aghayari Reza [and oth.] // Heat MassTransfer, 2015. - № 51. - P. 301- 306.
19. Bardakhanov S.P., Novopashin S.A., Serebriakova M.A. Issledovanie teploprovodnosti nanozhidkostei na os-nove nanochastitc oksida aliuminiia [Study nanofluids thermal conductivity of the alumina nanoparticles]. Nanosiste-my: fizika, khimiia, matematika, 2012; 3(1) - 27-33.
20. Zharov A.V., Savinskii N.G., Pavlov A.A., Evdokimov A.N. Eksperimentalnyi metod izmereniia teploprovodnosti nanozhidkosti [The experimental method of measuring the thermal conductivity of nanofluids]. Fiziko-matematicheskie nauki fundamentalnye issledovaniia, 2014; 8 - 1345-1350.
21. Kutateladze, S.S. Osnovy teorii teploobmena [Fundamentals of heat transfer theory]. Novosibirsk: Nauka, 1970 - 660 p.
22. Iagov V.V. Nauchnoe nasledie D.A. Labuntcova i sovremennoe predstavlenie o puzyrkovom kipenii [Scientific heritage D.A. Labuntsov and modern idea of nucleate boiling]. Teploenergetika, 1995; 3 - 2-10.
23. Labuntcov, D.A. Fizicheskie osnovy energetiki. Izbrannye trudy po teploobmenu, gidrodinamike, ter-modinamike [Physical bases of power. Selected works on heat transfer, fluid dynamics, thermodynamics]. M.: MEI, 2000. - 388 p.
24. Овсянник, А.В. Моделирование процессов теплообмена при кипении жидкостей [Текст] / А.В. Овсян-ник. - Гомель: ГГТУ им. Г.С. Сухого, 2012. - 284 с.
24. Ovsiannik A.V. Modelirovanie protcessov teploobmena pri kipenii zhidkostei [Modelling of processes of heat exchange at boiling liquids]. Gomel: GGTU im. G.S. Sukhogo, 2012. - 284 p.
25. Gortyshev Iu.F., Popov I.A., Zubkov N.N. Kipenie vody na mikrostrukturirovannykh poverkhnostiakh [Boiling water on microstructured surfaces]. Trudy Akadenergo, 2012; 1 - 14-31.
