CC BY
60
-□ □-
Приведено огляд з дослидження впливу KWbKocmi виттв та кута нахилу на тепло-передаючi характеристики пульсацшног тепловог труби. Описана експерименталь-на установка для дослидження цих впли-вiв. Приведена методика проведення експе-рименту та обробки даних. Представлен результати дослиджень
Ключовi слова: пульсацшна теплова
труба, кшьтсть виттв, термiчний отр □-□
Дан обзор по исследованию влияния количества витков и угла наклона на теплопе-редающие характеристики пульсационной тепловой трубы. Описана экспериментальная установка для исследования этих влияний. Приведена методика проведения эксперимента иобработки данных. Представлены результаты исследований
Ключевые слова: пульсационная тепловая труба, количество витков, термическое сопротивление
□-□
This article represents an overview of investigation of effect of number of turns and inclination angle on heat-transfer behavior of oscillating heat pipe. Experimental setup for investigation of this effect, a routine of experiment and data handling are described. The results of investigation are presented
Key words: oscillating heat pipe, number of
turns, thermal resistance -□ □-
УДК 536.248.2
ВЛИЯНИЕ КОЛИЧЕСТВА ВИТКОВ НА ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЛЬСАЦИОННЫХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ
В. Ю. Кравец
Кандидат технических наук, доцент* Контактный тел.: 066-780-99-50 E-mail: kravetz_kpi@ukr.net
Е.С. Але ксе и к
Аспирант*
*Кафедра атомных электростанций и инженерной
теплофизики Теплоэнергетический факультет Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» пр. Победы, 37, г. Киев, Украина, 03056 Контактный тел.: 063-261-79-59 E-mail: alexeik_kpi@ukr.net
1. Введение
Миниатюризация и одновременное увеличение мощности и расширение функциональности основных элементов радиоэлектронных устройств и компьютерной техники привело к значительному возрастанию плотностей тепловых потоков, которые необходимо отводить от них. Решение этой задачи требует использования высокоэффективных систем охлаждения, в качестве элементов которых уже не одно десятилетие используются тепловые трубы (ТТ). Одним из новых и перспективных видов тепловых труб являются пуль-сационные тепловые трубы (ПТТ). Их конструкция значительно проще конструкции обычных тепловых труб за счет отсутствия капиллярно-пористой структуры, при этом ПТТ имеет все преимущества обычной ТТ, а её теплопередающие характеристики не хуже, а в некоторых случаях даже лучше, чем у обычных ТТ. Однако, несмотря на все преимущества ПТТ, в данный момент отсутствуют рекомендации касательно проектирования и изготовления как их самих, так и теплопередающих устройств на их основе. Это связано
со сложностью физических процессов и явлений, сопровождающих работу данного вида тепловых труб, и требующих детальных исследований.
Таким образом, исследование теплопередающих характеристик и физических процессов, имеющих место при работе ПТТ, является актуальной задачей, решение которой позволит повысить эффективность систем охлаждения элементов радиоэлектронной и компьютерной техники и одновременно выработать рекомендации по их проектированию и изготовлению.
2. Обзор проблемы
Принцип, лежащий в основе работы пульсацион-ных тепловых труб, изобретенных японским исследователем Акаши [1], был впервые запатентован советскими учеными Смирновым Г.Ф. и Савченковым Г.А. в 1971 году [2]. В общем случае она представляет собой металлический герметичный, вакуумированный, выгнутый в виде змеевика капилляр, частично заполнен-
ный теплоносителем. Движение паровых и жидкостных снарядов теплоносителя, сформировавшихся под действием капиллярных сил, имеет пульсирующий автоколебательный характер и поддерживается взаимосвязанными колебаниями паросодержания и давления. Теплопередача в ПТТ происходит за счет испарения и конденсации теплоносителя, а также переноса теплоты жидкостными снарядами, циркулирующими между зонами нагрева и конденсации.
На теплопередающие характеристики ПТТ влияет значительное количество факторов. Одним из них является количество витков. Результаты исследований влияния данного фактора на теплопередающие характеристики ПТТ представлены в [3-5]. При роботе ПТТ в горизонтальном положении (угол наклона 0°) увеличение количества витков при одинаковой средней температуре зоны нагрева приводит к уменьшению термического сопротивления [3], а при угле наклона 90° (вертикальное положение с нагревом снизу) - к увеличению максимального передаваемого теплового потока [4]. Авторы [3] объясняют это увеличением несбалансированного давления между зонами нагрева и конденсации с увеличением количества витков.
Также в [3, 4] рассматривается вопрос критического количества витков, т.е. минимального количества витков, при котором ПТТ может работать в горизонтальном положении. Однако данные об этом параметре в указанных источниках значительно отличаются. В [5] были получены результаты противоположные результатам [3], что возможно вызвано использованием различных теплоносителей в [5] и [3]. Также авторы [5] пришли к выводу, что существует некоторое оптимальное количество витков, при котором ПТТ обладает наилучшими теплопере-дающими характеристиками. В [6] это объясняется зависимостью эффективной теплопроводности ПТТ от перепада давлений между зонами нагрева и конденсации, который будет уменьшаться с увеличением количества витков при остальных постоянных величинах, что в результате приведет к ухудшению работы ПТТ.
Поэтому существует некоторое оптимальное количество витков, при превышении которого тепло-передающие характеристики ПТТ ухудшаются. Также в [6] влияние количества витков на работу ПТТ объясняется уменьшением возможности существования больших паровых снарядов, блокирующих зону нагрева, с увеличением количества витков. Однако следует заметить, что это не является исчерпывающим объяснением, а лишь предположением авторов [6].
Поскольку объем представленных в литературе данных касательно влияния количества витков на теплопередающие характеристики ПТТ достаточно мал, а данные противоречивы, то необходимо более детальное экспериментальное изучение этого вопроса, а также проверка предположений, изложенных в [3, 4, 6].
Еще одним важным фактором, влияющим на теплопередающие характеристики ПТТ, является ориентация трубы относительно сил гравитации. Например, в ряде исследований [3, 4, 7, 8] отмечается, что переход от угла наклона 90° к 0° значительно сни-
жает теплопередающие характеристики ПТТ вплоть до прекращения пульсаций и работы устройства. В [4, 9] это объясняется значительным влиянием сил гравитации на движение теплоносителя в ПТТ. При работе в горизонтальном положении оно отсутствует, и движение должно обеспечиваться только силами давления.
Еще одно объяснение состоит в том, что благодаря наличию снарядов с разными формами менисков, в ПТТ существуют направления движения теплоносителя с наименьшим сопротивлением, в которых и происходит это движение при запуске ПТТ. Но при горизонтальном размещении трубы ввиду отсутствия действия силы гравитации снаряды с различными менисками отсутствуют, следовательно, направления с меньшим сопротивлением также отсутствуют, что усложняет запуск ПТТ [6]. На основании вышесказанного авторы [6] делают выводы, что работа ПТТ в горизонтальном положении может зависеть от количества витков, определяющего количество степеней свободы и неоднородностей в ПТТ, а также от теплоподвода, определяющего внутреннее рабочее давление. Предположение [6] было экспериментально подтверждено в [10]. В [11] зависимость теплопередающих характеристик от угла наклона объясняется его влиянием на касательное напряжение между паровыми снарядами и пленкой жидкости на стенках ПТТ.
Однако, в исследованиях [12, 13] ПТТ были нечувствительны к действию сил гравитации. Можно предположить, что причиной этого является большое количество витков или применение в качестве теплоносителя FC-72 и FC-75 [12] (ни в одной из других вышеупомянутых работ такие жидкости не использовались). Существуют также данные, подтверждающие возможность работы ПТТ против сил гравитации (угол наклона -90°) [14, 15]. Однако и в этом случае угол наклона влияет на их теплопере-дающие характеристики. В отличие от большинства исследований, угол наклона практически не влиял на характеристики ПТТ с присоединенным силь-фоном, описанной в [16]. Благодаря чему косвенно можно сделать выводы, что на работу ПТТ в разных положениях влияет баланс давления и распределение жидкости в трубе, т.к. наличие сильфона оказывает значительное влияние на эти параметры. Также можно предположить, что многовитковые ПТТ менее чувствительны к влиянию сил гравитации, потому что каждый следующий виток действует как буфер давления для предыдущего.
Таким образом в общем случае ПТТ работает при любой ориентации в поле массовых сил. Однако чаще всего её теплопередающие характеристики ухудшаются при углах наклона от 0° до -90° включительно и при малых углах наклона.
Поэтому следует уделить внимание исследованиям причин такого влияния, разработке методов минимизации влияния сил гравитации на работу ПТТ и вопросами их запуска при неблагоприятных углах наклона.
Целью данной работы является определение влияния количества витков и угла наклона на термическое сопротивление ПТТ, а также на разность температур между зонами нагрева и конденсации.
3. Экспериментальная установка
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.
ленными на неё нагревателем 2 и теплоизоляцией 7 размещался в боксе 8.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — ПТТ;
2 — электронагреватель; 3 — ваттметр; 4 — лабораторный автотрансформатор; 5 — аналого-цифровой преобразователь; 6 — персональный компьютер;
7 — теплоизоляция; 8 — бокс; ТП1-ТП10 — термопары
Внутренний диаметр исследуемой замкнутой стеклянной ПТТ 1 (рис. 1) составлял 2,8 мм. Количество витков - 4, 7 и 9. Высота витков составляла 200 мм, а расстояние между ними - 10 мм. Трубы заправлялись водой и этанолом с коэффициентом заправки (КЗ) 50±5%. Увеличение количества витков достигалось за счет присоединения к ПТТ дополнительных секций с помощью вакуумной трубки.
ПТТ 1 закреплялась на штативе (см. рис. 2) таким образом, чтобы её можно было установить как в горизонтальное, так и в вертикальное (с нагревом снизу) положение. Теплота к зоне нагрева подводилась с помощью электронагревателя 2 (рис. 1), представляющего собой спираль из нихромовой проволоки, навитую непосредственно на исследуемую трубу. Питание нагревателя осуществлялось от электросети переменного тока 220 В через лабораторный автотрансформатор 4 (ЛАТР), с помощью которого регулировалась подводимая к ПТТ мощность, измеряемая ваттметром 3. Максимальная мощность нагревателя составляла 200 Вт. Для уменьшения теплопотерь на зону нагрева, высота которой была равна 30 мм, наносился слой теплоизоляции 7 из базальтового волокна. Неизолированная часть трубы охлаждалась окружающим воздухом за счет естественной конвекции. Температура охлаждающего воздуха контролировалась с помощью ртутного термометра (на рис. 1 не показан). На внешнюю поверхность стенок ПТТ было установлено десять медь-константановых термопар ТП1-ТП10. Термопары ТП1-ТП4 были установлены в зоне нагрева, остальные - в зоне конденсации. Корольки термопар фиксировались на стенках ПТТ при помощи клея и дополнительно закреплялись клейкой термоустойчивой изоляционной лентой. Все термопары соединялись с аналого-цифровым преобразователем 5 (АЦП), содержащим компенсатор холодных спаев термопар. Данные с АЦП 5 подавались на персональный компьютер 6 (ПК), который позволял наблюдать за изменениями температурного поля ПТТ в реальном времени и сохранять результаты измерений в табличном виде. Для уменьшения влияния факторов окружающей среды на работу ПТТ и результаты эксперимента штатив с ПТТ 1 и установ-
Рис. 2 . Общий вид рабочего участка
4. Методика проведения эксперимента и обработки данных
В начале проведения эксперимента ПТТ устанавливалась в горизонтальное или вертикальное положение, после чего на нагреватель подавалась определенная начальная мощность. На ПК запускалось соответствующее программное обеспечение, позволяющее наблюдать за изменениями показаний термопар в реальном времени и производить их запись на протяжении всего эксперимента. При проведении опыта подведенная мощность увеличивалась с определенным фиксированным шагом. Увеличение мощности продолжалось до тех пор, пока разница температур между термопарами, установленными в зоне нагрева ПТТ, и термопарой ТП10, установленной в зоне конденсации на наибольшем расстоянии от зоны нагрева, не достигала 70-80°С. Выбор этой величины обусловлен тем, что при большей разности температур стенки ПТТ могли разрушиться. В начале и в конце эксперимента фиксировались показания ртутного термометра, измеряющего температуру охлаждающего воздуха.
По полученным данным строились графики зависимости температур от времени в каждой точке установки термопар для отдельно взятого витка. Далее для каждого значения плотности подведенного теплового потока рассчитывалась разность средних температур зоны нагрева и конденсации, которые определялись как среднее арифметическое показаний всех термопар, размещенных в каждой из этих зон при работе ПТТ в стационарном режиме. По полученным данным строились графики зависимости разности температур от плотности подведенного теплового потока. Плотность теплового потока определялась по выражению
а
q=
Б?
(1)
где Q - подведенная к ПТТ мощность, Вт; Sнвн - площадь внутренней поверхности всех витков зоны нагрева, м2.
Подведенная мощность определялась как разность показаний ваттметра и тепловых потерь, составлявших от 3% до 6%.
Также строились графики зависимости термического сопротивления ПТТ от плотности подведенного теплового потока. Термическое сопротивление определялось по формуле
Т - Т Я = н к
а
(2)
где Тн и Тк - средние температуры зон нагрева и конденсации соответственно, К.
5. Результаты исследований
На рис. 3 представлен график зависимости температур от времени в точках установки термопар на втором справа витке (см. рис. 3) 9-витковой ПТТ, заправленной водой, и работающей в горизонтальном положении.
20 Вт 40 Вт 60 Вт 80 Вт 100 Вт 120 Вт 140 Вт -1- н В 0 ю
X л №
1ТП7 1 \ ^— ТП3
г*.— — ТП8
1, 5
6000
Рис. 3. График зависимости температуры от времени для одного витка 9-витковой ПТТ, заправленной водой, при работе в горизонтальном положении
Как видно на рис. 3, при наименьшей подведенной мощности амплитуда пульсаций, как в зоне нагрева, так и в зоне конденсации достаточно велика. Дальнейшее увеличение подводимой мощности приводит к уменьшению амплитуды пульсаций в зоне конденсации, причем, начиная с мощности 40 Вт, и до конца эксперимента величина амплитуды в этой зоне остается практически неизменной. Амплитуда пульсаций в зоне нагрева несколько выше, чем в зоне конденсации, и также уменьшается с увеличением подводимой мощности до определенного момента, а начиная с мощности 120 Вт, возрастает.
На рис. 4 показан график зависимости разности средних температур зон нагрева и конденсации от плотности подведенного теплового потока.
Как видно на рис. 4, для 7- и 9-витковых ПТТ при работе в любом положении с увеличением плотности теплового потока разность температур увеличивалась.
При этом значения разности температур для этих труб близки. Отличные от других труб результаты были получены для 4-витковой ПТТ, заправленной этанолом. Как видно на рис. 4 при малых плотностях подводимого теплового потока, пока в зоне нагрева еще не началось кипение, разность температур достаточно быстро растет. С активацией первых центров парообразования разность температур существенно
снижается. Дальнейшее увеличение плотности теплового потока приводит к росту ДТ, а форма кривой, описывающей данный процесс, и значения этой величины становятся близкими к таковым у других исследованных ПТТ.
Впервые данное явление было описано в [17]. Анализируя рис. 4, можно сделать вывод, что количество витков в исследованном диапазоне практически не влияет на разность температур между зонами нагрева и конденсации. Для 9-витковых ПТТ на разность температур не влияет также и ориентация трубы в пространстве, поскольку значения этой величины, а также формы кривых, описывающих её зависимость от плотности теплового потока при работе в горизонтальном и вертикальном положениях, близки.
<170 60 50 40 30 20 10 0
ж
О!,'
♦ У^
/ \ *
/ / & I*'
J у. ♦ 7 витков, вертикальное положение, вода
А 9 витков, вертикальное положение, вода
X 9 витков, горизонтальное положение, вода . 4 витка, вертикальное положение, этанол
—
q, Вт/м
Рис. 4. Зависимость разности температур от плотности теплового потока
На рис. 5. представлен график зависимости термического сопротивления исследуемых ПТТ от плотности подведенного теплового потока, из которого видно, что с увеличением плотности подведенного теплового потока термическое сопротивление всех исследованных ПТТ при работе, как в вертикальном, так и в горизонтальном положениях уменьшается. Также термическое сопротивление снижается с увеличением количества витков.
Термические сопротивления 9-витковой ПТТ при работе в вертикальном и горизонтальном положениях почти одинаковы, следовательно, ориентация в пространстве не влияет на термическое сопротивление такой ПТТ, что противоречит результатам, полученным в [4].
¡- 3,0
03 '
£
с*
2,5
♦ \ ♦ 7 витков, вертикальное положение, вода * 9 витков, вертикальное положение, вода
\ х 9 витков, ■ 4 витка, в горизонтал ертикально ьное полож е положени ение, вода е, этанол
\
X а
♦ ^ 1— ---- ____♦ --
^ Вт/м2
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
Рис. 5. Зависимость термического сопротивления ПТТ от плотности теплового потока
0
0
0
2,0
1,5
1.0
0,5
0,0
6. Выводы
1. Несмотря на значительное количество литературы, посвященной исследованиям работы ПТТ, такие вопросы как влияние количества витков на те-плопередающие характеристики ПТТ и влияние сил гравитации на работу ПТТ требуют более детального изучения.
Это связано с недостаточным количеством данных по этим вопросам или противоречиями, существующими в имеющихся публикациях. Также в более глубоком изучении нуждаются причины этих влияний, объяснения которых в большинстве случаев являются лишь предположениями отдельных авторов и требуют подтверждения.
2. Проведенное исследование показало, что изменение количества витков в диапазоне от 7до 9 не влияет на разность средних температур между зонами нагрева и конденсации ПТТ, заправленных водой.
3. Увеличение количества витков исследованных ПТТ приводило к уменьшению их термического сопротивления.
4. Ориентация в пространстве 9-витковых ПТТ, заправленных водой, не влияет на разность средних температур между зонами нагрева и конденсации и на термическое сопротивление при плотностях подведенного теплового потока до 2,5104 Вт/м2.
5. Исследование 4-витковой ПТТ дало возможность проследить момент начала активации центров парообразования в зоне нагрева трубы. Данный вопрос практически не освещен в литературе и требует более глубокого изучения.
6. Для уточнения полученных результатов следует расширить диапазон количества витков исследуемых ПТТ, исследовать трубы с различными теплоносителями и провести визуализацию их работы, с помощью которой можно будет попробовать определить причины влияния геометрических и режимных факторов на теплопередающие характеристики ПТТ.
Литература
1. Patent #4,921,041 U.S.A., F28D 15/02 Structure of a Heat Pipe / Akachi H.; Inventor: Hisateru Akachi, Assignee: Actronics Kabu-shiki Kaisha - Appl. No.: 207,318; Filed: Jun 15, 1988; Date of Patetnt: May 1, 1990. - 29 p.
2. Смирнов Г.Ф., Савченков Г.А. Пульсирующая тепловая труба. - Авт. свид. №504065 кл. F28D 15/00. С приоритетом от 30.IV.1-971г.
3. Charoensawan P. Thermal performance of horizontal closed-loop oscillating heat pipes [Текст] / P. Terdtoon// Applied Thermal Engineering. - 2008. - vol. 28, iss. 5-6. - P. 460-466.
4. Charoensawan P. Closed loop pulsating heat pipes. Part A: parametric experimental investigations [Текст] / S. Khandekar, M. Groll, P. Terdtoon // Applied Thermal Engineering, 2003 - vol. 23 - P. 2009-2020.
5. Rittidech S. Correlation to predict heat transfer characteristics of a closed-end oscillating heat pipe at normal operating condition [Текст] / P. Terdtoon, M. Murakami, P. Kamonpet, W. Jompakdee // Applied Thermal Engineering. - 2003. - vol. 23. - P. 497-510.
6. Khandekar S. Pulsating heat pipes: study on a two-phase loop [Текст] / M. Groll // 13th International Conference on Thermal Engineering and Thermogrammetry (THERMO), Budapest, Hungary, 2003.
7. Khandekar S. Thermofluid Dynamic Study of Flat-Plate Closed-Loop Pulsating Heat Pipes [Текст] / M. Shneider, P. Shafer, R. Kulenovic , M. Groll // Microscale Thermophysical Engineering. - 2002. - №6. - P. 303-317.
8. Khandekar S. Pulsating Heat Pipes: Thermo-fluidic Characteristics and Comparative Study with Single Phase Thermosyphon [Текст] / M. Groll, P. Charoensawan, P. Terdtoon // Proceedings of 12th International Heat Transfer Conference, Grenoble, France.
- 2002. - vol. 4. - P. 459-464.
9. S. Khandekar, N. Dollinger, M. Groll. Understanding operational regimes of closed loop pulsating heat pipes: an experimental study-[Текст] // Applied Thermal Engineering, 2003. - vol. 23. - P. 707-719.
10. Конев С.В. Экспериментальное исследование пульсирующей капиллярной тепловой трубы [Текст] / В.А Олехнович // VI Minsk International Seminar "Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators", Minsk, Belarus, 2004.
11. T. Hudakorn Effect of Inclination angle on heat transfer characteristic of a closed-end oscillating heat pipe at critical state [Текст] / K. Booddachan, P. Chareonsawan, S. Waowaew, S. Rittidech // 1st International Seminar on Heat Pipes and Heat Recovery Systems, Monash University, Malaysia, 2004.
12. Lanchao Lin Thermal Management Research Studies. Volume 2: Experimental Investigation of Oscillating Heat Pipes for Actuator Cooling // Report. - AFRL-PR-WP-TR-2001-2042.
13. Yang H. Operational limit of closed loop pulsating heat pipes [Текст] / S. Khandekar, M. Groll // Applied Thermal Engineering.
- 2008. - vol. 28. - Р. 49-59.
14. Yang H. Performance characteristics of pulsating heat pipes as integral thermal spreaders [Текст] / S. Khandekar, M. Groll // International Journal of Thermal Sciences. - 2009. - №48. - P. 815-824.
15. Yang H. Operational characteristics of flat plate closed loop pulsating heat pipes [Текст] / S. Khandekar, M. Groll // 13th International Heat Pipe Conference, China. - 2004. - P. 283-289.
16. Кузнецов И.О. Экспериментальное исследование и математическое моделирование теплопередающих характеристик пульса-ционных тепловых труб[Текст] : дис.... канд. техн. наук: 05.14.06 / И.О.Кузнецов. - Одесса, 2006.
17. Кравец В.Ю. Исследование теплопередающих характеристик пульсационной тепловой трубы [Текст] // Тезисы докладов и сообщений. VI Минский международный форум по тепло- и массообмену. - Т. 2. - 2008. - С. 58-60.
