CC BY
65
УДК 536.24
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРОДИНАМИЧЕСКОГО ТЕРМОСИФОНА
А. В. ШАПОВАЛОВ, А. В. РОДИН, Р. Н. ЖИХАРЕВ
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», Республика Беларусь
Введение
Успешное решение задач утилизации тепла и повышения эффективности тепло-использующих установок во многих случаях возможно с помощью аппаратов на основе теплопередающих устройств, работающих по замкнутому испарительно-конденсационному циклу - замкнутых двухфазных термосифонов. Эти устройства получили распространение благодаря таким преимуществам, как автономность работы, отсутствие насосов для перекачки теплоносителя, высокой интенсивности внутренних процессов тепломассопереноса и др.
Целью работы является получение экспериментальных данных исследования работы пародинамического термосифона для определения термического сопротивления устройства.
По сравнению с тепловыми трубами термосифоны не требуют применения сложных капиллярных структур и поэтому отличаются простотой в изготовлении, надежностью в эксплуатации, обладают высокими показателями максимальной теплопере-дающей способности.
Несмотря на внешнюю простоту термосифонов, их эффективное использование на практике наталкивается на трудности, связанные с недостаточной изученностью процессов внутреннего тепломассопереноса и, в первую очередь, явлений, ограничивающих теплопередающую способность при их работе в горизонтальном или слабонаклонном положении в пространстве.
Решение указанной проблемы в работе термосифонов классической конструкции возможно найти при организации процессов испарения и конденсации теплоносителя в условиях щелевого канала внутри термосифона, что позволяет разделять потоки паровой и жидкой фазы для уменьшения гидравлических сопротивлений. Данный способ интенсификации теплообмена нашел применение в пародинамических термосифонах.
В таких устройствах пар выступает в роли движущей силы, которая проталкивает конденсирующуюся жидкость из зоны конденсации в зону испарения. Такая конструкция позволяет работать термосифону в горизонтальном положении с достаточно продолжительной зоной конденсации.
В литературных источниках материал по исследованию пародинамических термосифонов практически отсутствует, а имеющиеся данные других авторов только частично описывают работу данного типа устройств. Например, в работах сотрудников лаборатории пористых сред Института тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси под руководством профессора Л. Л. Васильева проведены детальные исследования процесса теплообмена в кольцевом зазоре конденсатора пародинамиче-
ского термосифона, в испарителе исследованного термосифона кольцевой канал отсутствовал [1].
Процессы, протекающие в полости пародинамического термосифона, аналитически описать весьма сложно. Поэтому возникает необходимость в проведении детальных экспериментальных исследований для установления оптимальных режимов работы данных устройств и разработки методов определения их характеристик.
В промышленности такие устройства применяются для утилизации тепла от промышленных установок или систем кондиционирования воздуха. Еще одно направление применения - это стабилизация температуры в различных точках замкнутого объема.
Температурный диапазон применения устройства зависит от типа заправленного теплоносителя и степени вакуумирования полости термосифона.
Описание экспериментальной установки. Квалификационные испытания экспериментального стенда
Для исследования процессов, протекающих в полости пародинамического термосифона, на кафедре «Промышленная теплоэнергетика и экология» Учреждения образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого» был создан экспериментальный стенд (рис. 1-3).
Рис. 1. Экспериментальный стенд для исследования работы пародинамического термосифона: 1 - пародинамический термосифон; 2 - стойка; 3 - лабораторный автотрансформатор;
4 - амперметр; 5 - ЭВМ; 6 - измеритель-регулятор Сосна-002
На стойке 2, которая обеспечивает поворот от горизонтального до строго вертикального положения, установлен пародинамический термосифон 1. Для подвода теплового потока к испарителю служит спиральный электрический нагреватель. Подводимая мощность к нагревателю регулировалась с помощью лабораторного автотрансформатора 3. О величине мощности можно судить по показаниям амперметра 4 типа М1104 и вольтметра М1108, установленного на лабораторном трансформаторе 3.
Пародинамический термосифон показан на рис. 2. Рабочий участок изготовлен разборным, выделяя в отдельные части испаритель 1, транспортную зону 2 и конденсатор 3. Соединение между ними выполнено с помощью фланцев 4. Конденсатор представляет собой медную трубу внешним диаметром 35 мм и толщиной стенки 1,5 мм. На трубе устанавливается водяной кожух охлаждения 5. Внутри конденсатора и испа-
рителя соосно установлена труба меньшего диаметра 6. Это необходимо для разделения потоков пара и конденсата, что приводит к улучшению теплопередающих характеристик аппарата. Данная конструкция обеспечивает передачу тепла в горизонтальном положении на большие расстояния. Испаритель, как и конденсатор, изготовлен из трубы, внешний диаметр которой также 35 мм и с толщиной стенки 1,5 мм. Внутренняя труба в испарителе выполняет ту же роль, что и в конденсаторе.
Рис. 2. Пародинамический термосифон: 1 - испаритель; 2 - транспортная зона; 3 - конденсатор; 4 - фланцы; 5 - кожух охлаждения; 6 - внутренние трубки
Рис. 3. Расположение термопар по длине термосифона
Методика проведения опытов заключалась в ступенчатом увеличении теплового потока с определенной выдержкой между двумя приращениями тепловой нагрузки. Этот интервал во времени необходим для стабилизации изменяющихся параметров. Охлаждение зоны конденсации производилось канальным вентилятором при постоянном расходе равном 150 м3/ч. Кипение в испарителе происходило между трубами 35 х 1,5 и 26 х 1,5.
В качестве изменяемых параметров были выбраны объем заправляемого теплоносителя и угол поворота термосифона относительно горизонтальной плоскости. Термическое сопротивление Я рассчитывалось по формуле
Я = /н -
я
С • м Вт
(1)
где я - теплового поток, отнесенный к единице площади поверхности, Вт/м ; /н - температура в начале исследуемого участка термосифона, °С; /к - температура в конце исследуемого участка термосифона, °С.
Перед проведением основных экспериментов была выполнена серия квалификационных испытаний с целью подтверждения достоверности методики исследований. Были получены экспериментальные данные по термическому сопротивлению зоны конденсации пародинамического термосифона в диапазоне плотности теплового потока через поверхность нагрева 3-8 кВт/м , в интервале температур насыщения от +80 до +130 °С. Полученные результаты удовлетворительно согласуются с данными, опубликованными в литературе [2], что позволяет сделать заключение о надежности выбранной методики исследования и достоверности полученных результатов. Результаты квалификационных испытаний по термическому сопротивлению зоны конденсации пародинамического термосифона представлены на рис. 4.
0,2-,
Яи К/Вт
0,1 -
0,0-
• данные [1]
■ вода [2]
□ вода с неконденсирующимися газами [2]
О данные настоящего исследования
° В □ □ □ □
• о
о»
ООО
£ °
200 400 600 800 Мощность, Вт
1000
1200
Рис. 4. Сравнение экспериментальной зависимости Я = /(д) настоящего исследования с экспериментальными зависимостями [1], [2]
Как видно из графиков, опытные данные настоящего исследования имеют тот же вид кривой, что и полученные ранее результаты. Расхождение в данных говорит только о том, что исследуемый термосифон работает более эффективно.
Максимальная погрешность в определении термического сопротивления не превышала 16 %.
Экспериментальные данные
В качестве теплоносителя во внутреннем объеме термосифона использовались вода и этиловый спирт.
Установлено, что влияние угла наклона термосифона относительно горизонтальной плоскости наблюдается в интервале нагрузок до 350 Вт (рис. 5, а). При увеличении угла наклона установлено незначительное увеличение интенсивности теплообмена как в зоне испарения, так и в зоне конденсации.
Из рис. 5, б можно сделать вывод, что угол наклона при объеме заправки, равном 250 мл, не влияет на интенсивность теплообмена при работе термосифона. Следовательно, обеспечивается стабильность работы пародинамического термосифона в любом положении относительно горизонтальной плоскости при данной степени заправки.
Т, оС
11010090 80 7060
О
□ ^ «Р *
3
о
200
300
400
е, Вт
а)
ь
гол наклона
■ -1 0О
□ -2 0О
• -1 30О т,
О -2 30О
* -1 35О
* -2 35О
♦ -1 40О
О -2 40О
500
120-
110-
100-
90-
80-
70-
60-
_ л ^ А • Щ ©
5»
200
300
400
е, Вт б)
Угол наклона ■ -1, 0О □ -2, 0О • -1, 30О О -2, 30О
д *
•ь
-1, 35О
-2, 35О
-1, 40О
-2, 40О
500
Рис. 5. Сравнение средних температур испарителя и конденсатора в зависимости от подводимой нагрузки е и угла наклона термосифона относительно горизонтальной плоскости (теплоноситель - вода): а - объем заправки 500 мл; б - объем заправки 250 мл; 1 - испаритель; 2 - конденсатор
На рис. 6-8 представлены графики сравнения средних температур испарителя и конденсатора в зависимости от угла наклона термосифона относительно горизонтальной плоскости. В качестве теплоносителя применялся этиловый спирт, объем заправки 500 мл. Как и в случае с водой при объеме заправки 250 мл, не установлено ярко выраженного различия в изменении температуры в зависимости от углов наклона относительно горизонтальной плоскости. Следовательно, можно говорить о стабильности работы термосифона независимо от положения в пространстве.
Т, оС
120-| 1101009080706050-
Л О
ё ё
Ы *
д
л £
д
ар
л
□
а
д О)
Угол наклона Д -1, 0О А -2, 0О О -1, 30О
□
-2, 30О -1, 35е -2, 35О
100
200
300
е, Вт
400
500
Рис. 6. Сравнение средних температур испарителя и конденсатора в зависимости от подводимой нагрузки е и угла наклона термосифона относительно горизонтальной плоскости (теплоноситель - этиловый спирт; объем заправки 500 мл):
1 - испаритель; 2 - конденсатор
0,018-1
гч 0,016-
н ш 0,014-
о
о, 0,012-
се
0,010-
0,008-
0,006-
0,004-
0,002-
0,000-
★ ★
■ вода, 500 мл
□ вода, 250 мл
+ спирт этиловый, 500 мл
-й- спирт этиловый, 250 мл
■ _ т _
1000
2000
3000
4000
5000
д, Вт/м2
Рис. 7. Термическое сопротивление конденсатора в зависимости от подводимой удельной тепловой нагрузки д, рода жидкости и объема заправленного теплоносителя
0,0180,0160,0140,0120,0100,0080,0060,0040,0020,000-
1000
—И—1, 500 мл —»—1, 250 мл —А—2, 500 мл —■6—2, 250 мл
"Т"
2000
3000
д, Вт/м'
40200
2
5000
6000
0,00100,00080,00060,00040,00020,00001000
2000
—и—1, 500 мл —•—1, 250 мл —А—2, 500 мл 250 мл
3000
д, Вт/м'
4000
2
5000
а) б)
Рис. 8. Термическое сопротивление в зависимости от подводимой удельной тепловой нагрузки д, рода жидкости и объема заправленного теплоносителя при горизонтальном положении (а - конденсатор; б - весь термосифон): 1 - вода; 2 - этиловый спирт
Увеличенное термическое сопротивление в пределах нагрузок до 4000 Вт/м2 можно объяснить тем, что в данном диапазоне не достигнуты оптимальные параметры работы и объема пара, образующегося при кипении жидкости, не достаточно для организации стабильной циркуляции теплоносителя, происходит быстрое охлаждение пара и не хватает движущей силы для проталкивания конденсата.
При объеме заправки 500 мл термосифон работает более эффективно, так как трубка, возвращающая конденсат, полностью заполнена жидкостью, что создает гидравлический затвор и препятствует опрокидыванию циркуляции.
Заключение
На основании первичного анализа экспериментальных результатов можно сделать следующие выводы:
- влияние угла наклона термосифона относительно горизонтальной плоскости при объеме заправки 500 мл и использовании воды в качестве теплоносителя наблю-
дается в интервале нагрузок до 350 Вт. При увеличении угла наклона можно увидеть незначительную интенсификацию теплообмена как в зоне испарения, так и в зоне конденсации;
- угол наклона при объеме заправки воды, равном 250 мл, не влияет на интенсивность теплообмена. Следовательно, обеспечивается стабильность работы паро-динамического термосифона в любом положении относительно горизонтальной плоскости;
- при объеме заправки воды 250 и 500 мл видно, что, начиная с нагрузок равным 350 Вт, интенсивность теплообмена не изменяется как в зоне испарения, так и в зоне конденсации;
- при объеме заправки этилового спирта 500 мл не наблюдается ярко выраженного различия в изменении температуры в зависимости от углов наклона относительно горизонтальной плоскости. Следовательно, можно говорить о стабильности работы термосифона независимо от положения в пространстве при данном объеме заправки;
- при использовании воды в качестве теплоносителя применение в промышленности термосифонов возможно для утилизации бросового тепла с температурой от 70 оС;
- при использовании этилового спирта в качестве теплоносителя применение в промышленности термосифонов возможно для утилизации бросового тепла с температурой от 50 оС.
Литература
1. L. Vasiliev, L. Vasiliev Jr., A. Zhuravlev, A. Shapovalov, A. Rodin. Vapordynamic thermosyphon - heat-transfer two-phase device for wide application // Proceedings of the XV International Conference "Heat Transfer and Renewable Sources of Energy" HTRSE-2014, September 10-13, 2014, Szczecin - Mi^dzyzdroje, Poland. -P. 283-290.
2. Vasiliev L. L., Vasiliev L. L. Jr. Horizontal vapordynamic thermosyphons, fundamentals and practical applications // 16th International Heat Pipe Conference. - 2012. -Lyon.
Получено 04.09.2015 г.
