Центрирование микрокапель конденсата в паровом канале коротких низкотемпературных тепловых труб при больших тепловых нагрузках Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 681.3:536.24.08

ЦЕНТРИРОВАНИЕ МИКРОКАПЕЛЬ КОНДЕНСАТА В ПАРОВОМ КАНАЛЕ КОРОТКИХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ ПРИ БОЛЬШИХ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗКАХ

А. В. Серяков, С. Л. Шакшин, А. П. Алексеев

ООО «РУДЕТРАНССЕРВИС», Российская Федерация, 173021, Великий Новгород, ул. Нехинская, 55 E-mail: seryakovav@yandex.ru

Представлены результаты экспериментального исследования процесса центрирования микрокапель конденсата, содержащихся в движущемся влажном паре в паровом канале коротких низкотемпературных тепловых труб (ТТ) при больших тепловых нагрузках. В верхнюю крышку, образующую поверхность конденсации ТТ, на диаметральной линии установлены емкостные датчики, электроды которых образуют три конденсатора, расположенных на разном расстоянии от продольной оси парового канала и называемых внешним, средним и внутренним конденсаторами. При повышении тепловой нагрузки и возникновении кипения в испарителе образуется большое количество влажного пара и в паровом канале ТТ возникают продольные пульсации давления частотой 400-500 Hz и амплитудой до 110 Pa. Эти пульсации воздействуют на движущуюся инерционную подсистему микрокапель влажного пара и за счет неоднородности профиля скорости обтекающего частицу потока в паровом канале на диаметре микрокапли возникает поперечная сила, называемая силой Саффмана и сдвигающая микрокапли к центру парового канала. С помощью установленных в верхней крышке конденсаторов можно зафиксировать радиальное смещение конденсирующихся микрокапель.

Проведены измерения частоты радиальных волн пульсаций сдвигающихся в радиальном направлении к центру максимумов толщины пленки конденсата рабочей жидкости в зависимости от тепловой нагрузки на испаритель ТТ.

Ключевые слова: центрирование микрокапель конденсата, сопло Лаваля, пульсации в паровом канале ТТ.

THE CONDENSATE DROPLETS CENTERING IN THE VAPOUR CHANNEL OF SHORT LOW TEMPERATURE RANGE HEAT PIPES AT HIGH HEAT LOADS

A. V. Seryakov, S. L. Shakshin, A. P. Alekseev

LLC «RUDETRANS SERVICE» 55, Nekhinskaya Str., Veliky Novgorod, 173021, Russian Federation E-mail: seryakovav@yandex.ru

The article presents results of experimental studies of the process of condensate microdroplets centering contained in the moving moist vapour in the vapour channel of short heat pipes (HPs) for large thermal loads. In the upper cover a HPs condensation surface is formed, the capacitive sensors are installed on the diametrical line, where electrodes form three capacitors located at different distances from the longitudinal axis of the vapour channel and called external, middle and internal capacitors. Increasing heat load and beginning the boil in the evaporator a large amount of moist vapour occurs in the vapour channel of HP the pressure pulsation with frequency of400-500 Hz and amplitude up to 1104Pa. These pulsations affect the moving of the inertial droplets subsystem of the vapour and due to the heterogeneity of the velocity profile around the particle flow in the vapour channel at the diameter of microdroplets occurs transverse force, called the Saffman force and shear microdroplets to the center of vapour channel. Using installed in the top cover capacitors we can record the radial displacement of the condensable microdroplets. We measure frequency of the radial waves ripple movable in the radial direction to the center of the film thickness maximums of condensate of the working fluid depending on the thermal load at the HPs evaporator.

Keywords: Centering condensate micro-drops, the Laval nozzle, the pulsations in the vapour channel of HP.

Распространение двухфазного влажного пара в па- скорости в паровых каналах с переменным сечением.

ровом канале коротких ТТ при больших тепловых Этот эффект связан с появлением боковой силы fsa,

нагрузках имеет ряд особенностей, связанных прежде действующей на движущиеся в продольном направ-

всего с началом кипения в капиллярно-пористом ис- лении микрокапли влажного пара и называемой силой

парителе и возникновением продольных пульсацион- Саффмана [4-5], обусловленной поперечной неодно-

ных волн давления в паровом канале [1-3]. родностью несущего потока на линейном размере

Эффект центрирования (фокусировки) инерцион- инерционной микрокапли. ных микрокапель двухфазного потока влажного пара Возникновение боковой силы, приводящей к цен-

внутри выполненного в виде сопла, близкого к соплу трированию и фокусировке микрокапель основано на

Лаваля парового канала ТТ возникает в течениях учете конечных (ненулевых) значений инерционных

влажного пара с большими поперечными градиентами эффектов при обтекании микрокапли паром. Для ис-

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов

следования эффекта центрирования движущейся инерционной примеси в двухфазном влажном паре были изготовлены короткие ТТ с выполненным в виде сопла, близкого к соплу Лаваля паровым каналом, показанные на рис. 1.

Три емкостных датчика установлены в верхнюю крышку ТТ на одинаковом расстоянии от центра, как это изображено на рис. 2, первые два из них на диаметральной линии, третий с микротермистором 8 на перпендикулярной линии.

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. Измерительная поверхность емкостных датчиков совпадает с внутренней поверхностью плоской верхней крышки

Рис. 2. Схема установки трех емкостных датчиков в верхнюю крышку ТТ, сечение А-А: 1 - верхняя крышка ТТ, выполненная из стали 1Х18Н9Т; 2 - собственно емкостные датчики, по своему периметру приваренные к крышке 1 лазерной сваркой, при этом шлифованная измерительная поверхность датчиков заподлицо совпадает с внутренней поверхностью крышки; 3 - стеклянные изоляторы (металлостеклянные спаи); 4 - измерительные электроды обоих датчиков; 5 - крепежная гайка заполнительного узла ТТ, приваренная к внутренней поверхности крышки 1; 6 - запорный винт заполнительного узла ТТ; 7 - электрод заземления емкостного датчика; 8 - микротер-мистор, представляющий собой чувствительный элемент термистора СТ3-19 и приваренный лазерной сваркой к торцевым поверхностям электродов третьего емкостного датчика

Рис. 3.Осциллограммы радиальных пульсаций частотой

Внешние электроды этих двух диаметрально установленных датчиков составляют внешний конденсатор Сь емкостью С = 0,21 ± 0,005 pF, внутренние электроды этих двух диаметрально установленных датчиков составляют внутренний конденсатор С3 емкостью С3 = 0,26 ± 0,005 pF, один из диаметрально установленных датчиков как целое представляет собой средний конденсатор С2 емкостью С2 = 1,55 ± 0,005 pF. Радиусы установки электродов конденсаторов С1 : R\ = 6 мм, С2 : R2 = 5 мм и С3 : R3 = 4 мм от продольной оси ТТ.

86 ± 6 Hz толщины пленки конденсата диэтилово-го эфира на поверхности емкостных датчиков С1, С2, С3 при продольных возбуждающих пульсациях давления fP = (473 ± 5) Hz. Перегрев испарителя относительно температуры кипения диэтилового эфира 15 К, разница температур между испарителем и поверхностью конденсации ТТ в калориметре 25 К. При увеличении тепловой нагрузки частота радиальных пульсаций увеличивается.

Библиографические ссылки

1. Серяков А. В. Исследование характеристик коротких низкотемпературных тепловых труб с паровым каналом в виде сопла // Прикладная механика. Техническая физика. 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, № 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., Шакшин С. Л., Алексеев А. П., 2017