CC BY
20Решетневскуе чтения. 2018
УДК 681.3:536.24.08
РЕЗОНАНСНОЕ ВИБРАЦИОННОЕ ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ КОРОТКИХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ ПРИ БОЛЬШИХ ТЕПЛОВЫХ
НАГРУЗКАХ
А. В. Серяков, А. В. Конькин, А. П. Алексеев
ООО «РУДЕТРАНССЕРВИС» Российская Федерация, 173021, Великий Новгород, ул. Нехинская, 55 Е-mail: seryakovav@yandex.ru
Представлены результаты исследований повышения коэффициента теплопередачи коротких тепловых труб (ТТ) при больших тепловых нагрузках и воздействии внешних вибраций, и предназначенных для охлаждения теплонапряженных конструкций космических аппаратов.
Ключевые слова: резонансное вибрационное повышение коэффициента теплопередачи, сопло Лаваля, пульсации в паровом канале ТТ.
RESONANT VIBRATION INCREASE OF THE HEAT TRANSFER COEFFICIENT OF SHORT LOW-TEMPERATURE HEAT PIPES AT HIGH HEAT LOADS
A. V. Seryakov, A. V. Konkin, A. P. Alekseev
LLC "RUDETRANS SERVICE" 55, Nekhinskaya Str., Veliky Novgorod, 173021, Russian Federation Е-mail: seryakovav@yandex.ru
The results of increasing studies of the heat transfer coefficient of short heat pipes (HP's) at high thermal loads and the impact of external vibrations designed to cool the heat-stressed structures of spacecraft are presented.
Keywords: resonant vibration increase the heat transfer coefficient, the Laval nozzle, the pulsations in the HP's vapour channel.
Вопросы повышения эффективности и увеличения коэффициента теплопередачи коротких низкотемпературных ТТ, предназначенных для охлаждения теплонапряженных конструкций космических аппаратов и спутников с жесткой регламентацией взлетной массы представляет собой большой практический интерес. Применение коротких линейных ТТ оправдано в случае конструктивной невозможности размещения контурных ТТ, а также для повышения долговременной надежности систем охлаждения, в которых отсутствуют распределенные подводящие и отводящие линии контурных ТТ. В коротких линейных ТТ с капиллярно-пористой вставкой увеличение коэффициента теплопередачи осуществляют с помощью придания паровому каналу формы сопла, близкого к соплу Лаваля и вытянутого вдоль всей длины ТТ, причем капиллярно-пористая вставка обеспечивает гидравлическую доставку рабочей жидкости в капиллярно-пористый испаритель [1-3].
Для повышения эффективности и увеличения коэффициента теплопередачи при больших тепловых нагрузках применяют дополнительное внешнее продольное вибрационное воздействие на корпус ТТ. При высоких тепловых нагрузках в капиллярно-пористом испарителе ТТ начинается процесс кипения и образуется большое количество пара, распространение которого по паровому каналу становится пульсирующим, образовавшийся сгусток пара над испарителем повы-
* «
шает давление до величины Р , при которой температура испарителя Теу оказывается меньше температуры кипения рабочей жидкости при этом давлении ТВ(Р ), Теу < ТВ(Р ), или температуры насыщения рабочей жидкости. Паровой сгусток распространяется по паровому каналу в охлаждаемую часть ТТ и конденсируется, давление при этом снижается, и после прихода волны сниженного давления в испаритель кипение в нем возобновляется и начинается следующий цикл пульсаций. Частота пульсаций в канале в зависимости от тепловой нагрузки изменяется в диапазоне 400-500 Ш [3-5].
При внешнем воздействии продольных вибраций на корпус ТТ с частотой, близкой к частоте начавшихся внутренних пульсаций, коэффициент теплопередачи возрастает. Энергия, передаваемая кипящей рабочей жидкости в испарителе преобразуется в энергию движущейся сжимаемой паровой фазы и вызывает эффект принудительного расширения и тем самым интенсификацию процесса кипения и парообразования в сеточном капиллярно-пористом испарителе с инжекторными каналами. Для исследования эффекта резонансного вибрационного повышения коэффициента теплопередачи были изготовлены короткие ТТ с выполненным в виде сопла, близкого к соплу Лаваля паровым каналом, изображенные на рис. 1.
Были проведены измерения коэффициента теплопередачи ТТ при внешнем вибрационном воздействии.
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
Рис. 1. Схема ТТ: 1 - верхняя крышка; 2 - цилиндрический корпус ТТ; 3 - конический турбулизатор; 4 - капиллярно - пористая вставка; 5 - нижняя крышка;
6 - инжекторные каналы; 7 - капиллярно - пористый испаритель; 8, 9 - емкостные датчики конденсации, измеряющие толщину пленки жидкого конденсата. В качестве рабочей жидкости применен эфир диэтиловый С4Н10О с температурой кипения при атмосферном давлении Тв = 308,65 К (35,5 °С), критические параметры Тс = 466,55 К (193,4 °С), Рс = 3,61 МРа.
Рис. 2. Схема вибрационных измерений коэффициента теплопередачи коротких ТТ: 1 - микрокалориметр; 2 - ТТ; 3 - фланец; 4 - генератор; 5 - емкостный датчик; 6 - каналы
для проводов; 7 - входной штуцер; 8 - напорный шланг; 9 - сосуд постоянного напора; 10 - выходной штуцер; 11 - сливной шланг; 12 - расходомер; 13 - крышка; 14 - генератор пузырьков; 15 - нагреватель; 16 - опорный диск; 17 - диффузор; 18 - звуковой динамик; 19 - генератор; 20 - усилитель; 21 - диффузородержатель; 22 - пружины; 23 - генератор; 24 - усилитель; 25 - осциллограф; 26 - компьютер; 27 - постоянный магнит; 28 - измерительная катушка; 29 - устройство контроля вибраций; 30 - частотомер; 31 - коммутатор; 32 - вольтметр; 33 - сосуд Дьюара
Решетневские чтения. 2018
Рис. 3. При внешнем вибрационном воздействии с частотой, равной частоте пульсаций Гри15 , коэффициент теплопередачи ТТ с паровым каналом в виде сопла Лаваля увеличивается на величину до 20 % при максимальном перегреве испарителя 5Т = Теу - Тв = 20 К. Резонансное повышение коэффициента теплопередачи обусловлено интенсификацией процесса кипения в испарителе при внешнем продольном вибрационном воздействии на корпус ТТ
Электродинамический вибрационный калориметрический стенд на основе мощного звукового динамика 100 ГДН - 3-8, рабочий диапазон частот которого лежит в пределах 31,5 Гц - 1000 Hz, и вихревого проточного микрокалориметра-насадки с проточной водой и резистивного нагревателя, показан на рис. 2. Погрешность измерения тепловой мощности ТТ с помощью микрокалориметра не превышает 2 %.
Результаты измерений представлены на рис. 3.
Библиографические ссылки
1. Серяков А. В. Исследование характеристик коротких низкотемпературных тепловых труб с паровым каналом в виде сопла // ПМТФ. 2016. Т. 57, № 1. С. 1-15.
2. Seryakov A. V. The Application of Capacitance Transducer for Measuring Local Thickness of Condensate Film in Low-Temperature Range Heat Pipes // International Journal on Heat and Mass Transfer Theory and Application. 2016. Vol. 4, № 1. P. 1-13.
3. Seryakov A. V. The study of condensation processes in the low-temperature short heat pipes with a nozzle-shaped vapour channel // Engineering. 2017. Vol. 9. P. 190-240.
4. Saffman P. G. The lift on a small sphere in a slow shear flow // Journal of Fluid Mechanics. 1965. Vol. 22. P. 385-400.
5. Saffman P. G. Corrigendum to the « The lift on a small sphere in a slow shear flow» // Journal of Fluid Mechanics. 1968. Vol. 31. P. 624.
References
1. Seryakov A. V. Study of the characteristics of short low-temperature heat pipe with the vapour channel in the form of a nozzle// Journal of Applied Mechanics and Technical Physics 2016. Vol. 57, No. 1. P. 1-15.
2. Seryakov A. V. The Application of Capacitance Transducer for Measuring Local Thickness of Condensate Film in Low-Temperature Range Heat Pipes // International Journal on Heat and Mass Transfer Theory and Application 2016. Vol. 4, № 1. P. 1-13.
3. Seryakov A. V. The study of condensation processes in the low-temperature short heat pipes with a nozzle-shaped vapour channel //Engineering 2017. Vol. 9. P. 190-240.
4. Saffman P. G. The lift on a small sphere in a slow shear flow // Journal of Fluid Mechanics. 1965. Vol. 22. P. 385-400.
5. Saffman P. G. Corrigendum to the « The lift on a small sphere in a slow shear flow» // Journal of Fluid Mechanics. 1968. Vol. 31. P. 624.
© Серяков А. В., Конькин А. В., Алексеев А. П., 2018
