автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Анализ характеристик двухфазного термосифонного теплообменника с электрогенерирующим устройством

БУДАЕВА РЕГИНА СЕРГЕЕВНА

АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХФАЗНОГО ТЕРМОСИФОННОГО ТЕПЛООБМЕННИКА С ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ

Специальность: 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. ОХОТИН А.С.

Москва 2003

Работа выполнена в Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина на кафедре «Промышленная теплоэнергетика».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Охотин Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

1. Доктор технических наук, профессор Гудим Леонид Иванович

2. Кандидат технических наук, доцент Зайцев Алексей Николаевич

Ведущая организация: ГУЛ ВНИИАМ (Государственное унитарное предприятие Научный Исследовательский Институт Атомного Энергетического Машиностроения).

диссертационного совета Д.212.319.03 при Московском государственном текстильном университете им. А.Н. Косыгина по адресу: 119991, Москва, Малая Калужская ул., д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного текстильного университета имени А.Н. Косыгина. Автореферат разослан «__»_______ 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Защита состоится «_».

2003 года в_____час. На заседании

д.т.н., проф.

Корнеев С.Д.

/ Актуальность работы.

В настоящее время проблема рационального использования тепловой энергии приобретает особую остроту для национальной экономики. Для ее решения необходимо повышение эффективности традиционных тепловых технологий и промышленного теплообменного оборудования. В этой связи большой интерес для промышленной теплоэнергетики представляют двухфазные термосифоны - устройства, предназначенные для передачи тепловой энергии при незначительных разностях температур между горячим и холодным источниками теплоты. Теплопередача осуществляется путем фазовых переходов (кипение и конденсация) во внутренней полости термосифона без затрат энергии на прокачку теплоносителя. Термосифоны не нуждаются" в постоянном контроле и являются вполне автономными устройствами. Все это обеспечило их широкое применение в технике для целей охлаждения, нагревания, термостатирования. Они активно используются в машиностроительной, металлургической, газовой, нефтеперерабатывающей, стекольной, отраслях промышленности, а также в энергетике.

Основными рабочими процессами в термосифонах являются кипение и конденсация промежуточного теплоносителя. Эти процессы во многом определяют плотность тепловых потоков в зонах подвода и отвода теплоты, величину передаваемой тепловой мощности, а также разность температур между нагреваемым и охлаждаемым объектами. Таким образом, для повышения эффективности двухфазных термосифонов необходима интенсификация теплопередачи в зонах кипения и конденсации: Анализ известных методов интенсификации теплообмена в зонах кипения и конденсации термосифонов показал, что наиболее эффективным из них является воздействие электрических полей высокого потенциала, когда коэффициент теплоотдачи может возрасти в 10-20 раз.

В диссертационной работе предложена конструкция двухфазного термосифона с интенсификацией теплообмена в зонах кипения и конденсации с помощью электрического поля высокой напряженности. Для его создания был разработан высоковольтный источник постоянного напряжения на базе пленочного термоэлекрогенератора рулонного типа. Последнее потребовало экспериментального изучения технологии получения тонкопленочных полупроводниковых материалов на полимерных подложках и исследования комплекса их теплофизических свойств. Таким образом, круг вопросов, рассмотренных в диссертации, представляет не только прикладной, но и большой научный интерес.

Тематика работы соответствует планам научно-исследовательских работ кафедры «Промышленная теплоэнергетика» МГТУ им. А.Н.Косыгина, в том числе проводимым по гранту Российского фонда фундаментальных исследований №01-02-16375.

Цель работы.

В диссертации были поставлены следующие цели: разработка конструкции теплообменника типа «двухфазный термосифон» с интенсификацией процессов теплообмена $ озйч. сдат, ■

воздействия электрического поля, создаваемого электрогенерирующим устройством на основе пленочной термоэлектрической рулонной батареи, а также определение теплотехнических характеристик такого теплообменника;

разработка вакуумной технологии получения тонкопленочных полупроводниковых материалов для термобатареи и создание комплекса технологических установок;

разработка методики экспериментального исследования теплофизйческих свойств тонкопленочных образцов на полимерных подложках, создание опытной установки и проведение измерений свойств ряда материалов (как кристаллических, так и аморфных), перспективных для термоэлектрических батарей.

Основные научные результаты, полученные лично аспиранткой, и их научная новизна заключается в следующем:

определены оптимальные характеристики

электрогенерирующего двухфазного термосифона, превышающие известные;

показано, что интенсификация процессов теплообмена в двухфазном термосифоне происходит за счет воздействия электрического поля на зоны кипения и конденсации при подаче на электроды электропитания от термобатареи; определены технологические режимы вакуумного напыления для получения пленочных термоэлектрических материалов; разработана методика измерения тегатофизических свойств тонкопленочных материалов и проведены их экспериментальные исследования.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в следующем:

предложена конструкция двухфазного термосифонного теплообменника с электрогенерирующим устройством, обеспечивающая его высокие теплотехнические характеристики;

предложена конструкция рулонной термоэлектрической батареи для термосифона на основе тонкопленочных полупроводниковых материалов;

расчеты теплотехнических характеристик двухфазного термосифона с электрогенерирующим устройством показали, что его тепловая мощность возрастает при этом в среднем на 30 - 40 %.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на III Российской национальной конференции по теплообмену (МЭИ, Москва, 2002 г.), на Всероссийской научно-технической конференции _ «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (МГТУ, Москва, 2002 г.) и на конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТУ в 2000-2002 гг.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 67 наименований отечественных и зарубежных авторов. Работа изложена на 101 страницах машинописного текста и содержит 39 рисунков, 6 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена ее цель, показана новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрены перспективные конструкции теплообменников типа «двухфазных термосифонов», применяемых в различных областях промышленности. Описаны приоритетные конструкции термосифонов, в которых с помощью электрического поля решаются такие задачи, как интенсификация теплообмена в зонах кипения и конденсации, организация движения двухфазного потока, управление тепломассообменными и гидродинамическими процессами. Приведена классификация устройств, а именно, пленочных термоэлектрогенерирующих устройств, используемых в термосифонах, в качестве, высоковольтных источников постоянной нагрузки для создания электрического поля. Рассмотрены методы получения тонкопленочных образцов для ТЭГ, а также представлены свойства современных полупроводниковых термоэлектрических материалов, используемых в этих устройствах.

Вторая глава посвящена технологии изготовления подложек-датчиков для тонкопленочных образцов термоэлектрогенерирующих устройств. Для нанесения всех элементов на несущую подложку в работе использовался метод вакуумного термического испарения, который был выбран, исходя га простоты конструктивного оформления и удобством в работе. Данный метод основан на нагреве вещества в условиях высокого вакуума до температуры испарения материала, с последующей конденсацией его паров на подложку.

Вакуумное термическое испарение проводят в следующей последовательности:

загрузка испарителей и установка подложки;

высоковакуумная откачка рабочей камеры до давления

остаточного газа порядка 10"5мм рт.ст.;

нагрев вещества до температуры испарения;

напыление материала;

разгерметизация рабочей камеры.

Испарителями поверхностного типа служили небольшие емкости из вольфрамовой фольги (или вольфрамовой проволоки) с высокой температурой плавления. Нагрев испарителей осуществлялся за счет прохождения через них постоянного электрического тока. В работе использовались две конструкции испарителей: «лодочка» и «мост».

Для Изготовления подложки-датчика использовали производственную установку ВУП-5. В соответствии с требованиями методики измерения теплофизических свойств тонкопленочных материалов подложка-датчик представляла собой многослойную конструкцию, выполненную на несущей

полиамидной ленте (см. рис. 1). На подложку (4) вначале наносился через продольные маски слой никеля (2) толщиной около 0,02 мкм (нагреватель), а на него - серебряные контакты (1) толщиной 0,1 мкм. Для создания центров зародышеобразования и улучшения адгезии подложки слой никеля наносился на предварительно напыленный подслой хрома (3). Затем вся эта конструкция переворачивалась, и на полиамидную подложку через продольные маски наносился подслой серебра (5). После этого подложка-датчик помещалась в измерительную ячейку (см. рис.3), предназначенную для измерения комплекса теплофизических свойств тонкопленочных материалов.

Рис.1. Конструкция подложки-датчика.

В третьей главе представлена экспериментальная установка и методика измерения теплофизических свойств полупроводниковых пленок для термоэлектрогенерируЮщих устройств.

' ' Для изготовления и исследования теплофизических свойств тонкопленочных образцов термоэлектрогенерирующих устройств использовалась установка (вакуумный комплекс), созданная на базе ВУП-5, представленная в виде блок-схемы на рис.2. Она имеет: вакуумную камеру (ВК) с системой откачки; измерительную ячейку (ИЯ); испарители (ИСП); пирометрическую систему, состоящую из пирометра (ПИР), зеркала (3), Прибора контроля тока (шА) и блока питания слаботочного (БП4); разъемы слаботочный и силовые (Рь Р2, Рз); переключатель рода работ (ПРР); потенциометр (П); прибором контроля мощности (АМ) и блоки питания слаботочный и силовые (БП), БП2, БП3).

Изготовленная на установке ВУП-5 подложка-датчик помещалась в измерительную ячейку вакуумного комплекса (рис.3). Ячейка представляет собой универсальный инструмент по комплексному измерению теплофизических свойств (коэффициент теплопроводности, коэффициент термо-ЭДС и удельная электропроводность) тонких пленок в зависимости от температуры и толщины. На охлаждаемую подложку-датчик (15), зажатую между медными накладками (1, 13) и медными теплоотводами (4, 10), методом вакуумного термического испарения наносится исследуемый образец (16). Теплоотводы крепятся через слюдяную прокладку (8) к массивной

медной плите (9). Плита с торца имеет отверстия, в которые заделан основной нагреватель (7), обеспечивающий равномерный прогрев системы до 550К. Контроль температуры при регулировании мощности основного нагревателя осуществляется термопарой (11) (медь-константан), зачеканенной в геометрическом центре плиты. За счет теплопроводности медной плиты теплоотводы с накладками и образцом прогреваются до заданной температуры. Точная температура образца измеряется на поверхности контактного пятна теплоотвод-образец. Один из медных теплоотводов (4)

Рис. 2. Блок-схема вакуумного комплекса.

имеет дополнительный нагреватель (6) мощностью 3 Вт. С его помощью создается перепад температуры в 2-10°С на образце. Перепад температур измеряется дифференциально включенными термопарами (5, 12). Накладка зажима (1) имеет контактную вставку (2), запрессованную через слюдяную прокладку (3). Вставка является токосъемником посеребренного контакта образца при измерении электропроводности материала. Поверхность вставки и зажима, подверженные шунтированию при напылении материала на подложку-датчик, прикрывает слюдяная накладка (17). Над ячейкой

установлен экран (14), функцией которого является предотвращение попадания напыляемого материала на токоведущие элементы ячейки.

Для экспериментального определения теплофизических свойств была разработана методика, благодаря которой можно одновременно определить коэффициент теплопроводности, коэффициент термо-ЭДС и удельную электропроводность исследуемой пленки, то есть всех свойств, входящих в состав термоэлектрической эффективности материала. При измерении коэффициента теплопроводности исследуемых пленок сначала определяется коэффициент теплопроводности подложки-датчика:

14

3 _ т

л„ —

И \2-Ъ-дп-АТср > О)

где: мощность образца, 1- длина образца, Ь-ширина образца, 6П- толщина подложки-датчика.

Затем на нее наносится исследуемая пленка и измеряется коэффициент теплопроводности подложки-датчика с пленкой («пакета»). Коэффициент теплопроводности исследуемой пленки определяется по формуле:

Я- в • <2>

где: Я, 3 - коэффициент теплопроводности и толщина подложки-датчикам пленкой, индексом «п» отмечены характеристики «пакета» (подложка-датчик + исследуемая пленка), а индексом «в» -характеристики подложки-датчика.

Для определения коэффициента термо-ЭДС, один из двух медных контактов нагревается до температуры Т ( Т - То) нагревателем (6), а температура Т-Т0 измеряется термопарами (5, 12), включенными дифференциально. Напряжение за счет перепада температур у пары «Си + исследуемая пленка» снимается с электродов (1, 13) и результат фиксируется на потенциометре.

Вычисление коэффициента термо-ЭДС производится по формуле:

{3)

где: <Хси - термо-ЭДС отводящих медных проводников; Ущ -напряжение за счет перепада температур у пары «Си +исследуемая пленка».

Конструкция измерительной ячейки также позволяет измерить электропроводность исследуемой пленки. Для этих целей через пленку (15), включенную в плечо измерительной схемы, пропускается ток, не вызывающий разогрев пленки. Падение напряжения на пленке фиксируется потенциометром.

Электропроводность рассчитывается по формуле:

К'1 .

07 К'УтХ-ъ.д> (4)

где: Уэ- падение напряжения на эталонном сопротивлении; \/„л1- падение напряжения на пленке; Яэ - номинал эталонного сопротивления; 1,Ь,8 -геометрические размеры пленки.

Представленное устройство и предложенная экспериментальная методика были апробированы на тонких пленках висмута, свойства которого широко известны в литературе. При анализе их экспериментальных данных было установлено, что расхождение опытных данных с литературными •незначительны. Это, в свою очередь, определило дальнейшее использование представленной методики и экспериментальной установки.

В следующей серии экспериментов исследованию подверглись полупроводниковые пленки, полученные на основе испарения соединений веТе, предварительно синтезированного в кварцевых ампулах в вакууме 10* 5мм рт.ст. Это соединение при испарении дополнительно легировалось висмутом, содержание которого в напыленных пленках составляло 35% по массе. Испарение материалов проводилось с двух независимых испарителей. Скорость конденсации в вакууме изменялась от 0,1 до 10 нм/сек. Диапазон изменения толщины пленок составлял 0,03-0,4 мкм. Исследуемый материал наносился на подложку-датчик толщиной 10 мкм. После напыления первого слоя, каждый последующий слой наращивался с толщиной 0,03 мкм. Циклы продолжались до достижения толщины пленки равным 0,4 мкм. Определение коэффициента теплопроводности, коэффициента термо-ЭДС и удельной

электропроводности полупроводниковой пленки проводилось по методике, описанной ранее.

По результатам исследований построены зависимости Х= 1~(5) (см. рис.4) и а =^5), а НГ(5), изображенные на рис.5.

При анализе зависимости коэффициента теплопроводности пленок от толщины видно, что максимальное значение теплопроводности наблюдается при толщине 5= 0,15 мкм. С ростом толщины пленок данного соединения значение коэффициента теплопроводности уменьшается и практически стабилизируется при толщинах 5- 0,27-0,36 мкм с последующим увеличением при толщине 5= 0,4 мкм.

На представленной зависимости удельной электропроводности пленок от толщины, наблюдается резкое падение значения электропроводности от 223 Ом"'см-1 при толщине 8= 0,03 мкм до 82 Ом''см"1 при толщине 6= 0,3 мкм, с последующим ростом до значения 132 Ом^см"1 при толщине 6= 0,4 мкм.

Зависимость коэффициента термо-ЭДС пленок от толщины имеет три характерных участка: падение от 390 мкв/К до 232 мкв/К при толщинах 0,03 -0,2 мкм; возрастание до значения 306 мкв/К при 0,3 мкм с последующим понижением значения до 250 мкв/К при 0,36 мкм.

х, ю-2 Вт/см к г, ю"3к"'

8, мкм

Рис.4. Зависимость коэффициента теплопроводности пленок тройного соединения и их термоэлектрической добротности от толщины

На основе измерений комплекса теплофизических свойств была рассчитана зависимость коэффициента термоэлектрической добротности

пленок СХ^Ст/Л 0т их толщины. Она представлена на рис.4. Из зависимости видно, что в области малых толщин наблюдается понижение значения коэффициента термоэлектрической эффективности вплоть до значения 0,1Г10"3 К'1 при толщине слоя 8= 0,15 мкм, а затем возрастание до значения 0,36'10'3 К"1 при толщине пленки 5=0,4 мкм.

а, Ом"1 см"

250 л

200 -

150 -

100 -

50 -

0 -

а = «8)

0,1

0,2

о = А[8)

0,3 0,4

а, мкв/К

у 450 г 400 | 350 4 300 { 250 | 200 I 150

+ юо

| 50

--г о

0,5

8, мкм

Рис.5. Зависимость коэффициента термо-ЭДС и электропроводности пленок тройного соединения от толщины

Пленки легированного висмутом теллурида германия были в данной работе рекомендованы в качестве положительной ветви пленочного термоэлектрического устройства.

Четвертая глава посвящена конструкции и теплотехническим характеристикам двухфазного термосифона с встроенным электрогенерирующим устройством.

В настоящее время ведутся работы над увеличением КПД термосифона, которые направлены на интенсификацию теплоотдачи, как в зоне кипения, так и в зоне конденсации. В работе предложена конструкция двухфазного термосифона, где интенсификация теплоотдачи осуществляется благодаря воздействию электрического поля на процессы в рабочих зонах с помощью высоковольтного источника напряжения. Эта конструкция термосифона

предназначена для низкотемпературного диапазона (50-80 °С) по горячему теплоносителю.

На рис.5 показана принципиальная схема данного термосифона. Герметически закрытый сосуд термосифона (2) заполнен рабочей жидкостью (6). Подвод тепла осуществляется в зоне (1„), где происходит кипение и испарение жидкости. Пары рабочей жидкости через окна (5) попадают во

1к

1а

1и

Рис.5. Принципиальная схема двухфазного термосифона с встроенным

электрогенерирующим устройством.

внутренний объем коаксиально установленного перфорированного электрода (3). При этом из-за разности давлений в конденсаторе и испарителе пары поднимаются цо транспортной зоне (1а) в верхнюю часть термосифона. В зоне

конденсации (1к) пары жидкости конденсируются на стенке (2). Пленка конденсата по цилиндрической стенке стекает в зону сбора и слива конденсата (11). Перегородка (10), разделяющая зоны 1и и 1к и конденсатопроводы препятствует встрече потоков стекающего конденсата и поднимающихся паров рабочей жидкости. Заглушки (1) и (9) уплотняют конструкцию и центрируют внутренний цилиндр (3), являющийся высоковольтным электродом. Напряжение на электрод подается по высоковольтной шине (8) от источника питания (5). Источником питания является термоэлектрическая батарея рулонного типа, работающая за счет перепада температур зон конденсации и испарения. Проведенные расчеты теплотехнических характеристик термосифона показали, что его тепловая мощность в результате интенсификации теплообмена электрическим полем увеличивается в среднем на 30-40 %.

Термоэлектрическая батарея представляет собой рулон, свернутый из полиимидной ленты с нанесенным рисунком термоэлектрических ветвей р- и п- типа (методом вакуумного термического напыления), соединенных последовательно. При номинальном напряжении Уи= 5,88'103 В, мощность выделяемая на нагрузке \\гн, приблизительно ¡¿авна мощности, вырабатываемой термобатареей, и является оптимальной при гтаг~ ЯДМ-1,43). Ток на нагрузке составляет 1= 2,94' 10"6 А при мощности нагрузки \УН= 17,3 10"3 Вт. Данные параметры системы термогенератор - нагрузка обеспечивают при параллельной соединении (п=21) подложек, что и определяет конечные геометрические размеры конструкции.

Общие выводы

1. Анализ методов увеличения эффективности двухфазного термосифона показали, что одним из перспективных является наложение электрического поля в рабочих зонах.

2. Предложена конструктивная схема двухфазного термосифона с встроенным , высоковольтным источником на основе тонкопленочной рулонной термобатареи, предназначенного для интенсификации теплообмена в зонах кипения и конденсации.

3. Проведены расчеты теплотехнических характеристик термосифона, которые показали, что его тепловая мощность в результате интенсификации теплообмена электрическим полем увеличивается в среднем на 30-40 %.

4. Разработана методика и создана установка для экспериментального исследования комплекса свойств тонкопленочных материалов, включающих коэффициент теплопроводности, удельную электропроводность и коэффициент термо-ЭДС.

5. Проведены измерения свойств ряда тонкопленочных материалов: висмут, бинарной системы веТе легированной

висмутом в зависимости от толщины пленки. Рассчитаны коэффициенты их термоэлектрической добротности. Рассчитаны энергетические и весогабаритные характеристики термоэлектрического устройства к термосифону. Разработана методика изготовления тонкопленочных термобатарей вакуумным напылением полупроводниковых материалов на полимерные подложки. Для этой цели создана экспериментальная установка на базе ВУП-5.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Козырев И.В., Будаева P.C. Методы измерения толщин полупроводниковых пленок, полученных вакуумным напылением. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2002) 26-27.ноября 2002г.-М.: МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2003.- С.155-156.

Охотин A.C., Ёудаева P.C. Оптико-визуальный метод контроля за процессом испарения исследуемого материала при изготовлении и определении теплофизических свойств тонких пленок. Сборник1 научных трудов аспирантов.-М.: МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2003.

Козырев И.В., Будаева P.C. Методика определения теплофизических свойств аморфных полупроводниковых пленок для термоэлектрических преобразователей энергии. Деп. в ВИНИТИ №1066-В2003 от 30.05.2003. Будаева P.C. Получение и свойства тонких пленок на основе теллурида германия, легированного висутом для термоэлектрических преобразователей. Деп. в ВИНИТИ № 1140-В2003 от 11.06.2003.

ИД №01809 от 17.05.2000

Подписано в печать 20.06.03 Сдано в производство 23.06.03 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Уч.-изд.л. 0,75 Заказ 299 Тираж 80

Электронный набор МГТУ, 119991, ул. Малая Калужская, 1

* 1 0902

\ofo2.

i

»

»i

i

Основные обозначения.

Введение.

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Двухфазные и электрогидродинамические термосифоны.

1.2.Пленочные термоэлектрогенерирующие устройства.

1.3. Вакуумные методы получения полупроводниковых пленок для термоэлектрогенерирующих устройств.

1.4. Низкотемпературные термоэлектрические материалы для термоэлектрогенерирующих устройств.

Глава 2. Технология изготовления подложек для тонкопленочных образцов ТЭГ

2.1. Метод вакуумного термического напыления.

2.2. Установка по изготовлению подложки-датчика на базе ВУП-5.

Глава 3. Экспериментальная установка и методика измерения теплофизических свойств полупроводниковых пленок для ТЭГ

3.1. Установка для получения и исследования теплофизических свойств полупроводниковых пленок.

3.2. Методика измерения теплофизических свойств полупроводниковых пленок.

3.3. Экспериментальные результаты и анализ полученных данных.

Глава 4. Двухфазный термосифон с встроенным электрогенерирующим устройством

4.1. Конструкция и теплотехнические характеристики двухфазного термосифона с встроенным электрогенерирующим устройством.

4.3. Конструкция и энергетические характеристики пленочного электрогенерирующего устройства.

В настоящее время проблема рационального использования тепловой энергии приобретает особую остроту для национальной экономики. Для ее решения необходимо повышение эффективности традиционных тепловых технологий и промышленного теплообменного оборудования. В этой связи большой интерес для промышленной теплоэнергетики представляют двухфазные термосифоны - устройства, предназначенные для передачи тепловой энергии при незначительных разностях температур между горячим и холодным источниками теплоты. Теплопередача осуществляется путем фазовых переходов (кипение и конденсация) во внутренней полости термосифона без затрат энергии на прокачку теплоносителя. Термосифоны не нуждаются в постоянном контроле и являются вполне автономными устройствами. Все это обеспечило их широкое применение в технике для целей охлаждения, нагревания, термостатирования. Они активно используются в машиностроительной, металлургической, газовой, нефтеперерабатывающей, стекольной, отраслях промышленности, а также в энергетике.

Основными рабочими процессами в термосифонах являются кипение и конденсация промежуточного теплоносителя. Эти процессы во многом определяют плотность тепловых потоков в зонах подвода и отвода теплоты, величину передаваемой тепловой мощности, а также разность температур между нагреваемым и охлаждаемым объектами. Таким образом, для повышения эффективности двухфазных термосифонов необходима интенсификация теплопередачи в зонах кипения и конденсации. Анализ известных методов интенсификации теплообмена в зонах кипения и конденсации термосифонов показал, что наиболее эффективным из них является воздействие электрических полей высокого потенциала, когда коэффициент теплоотдачи может возрасти в 10-20 раз.

В диссертационной работе предложена конструкция двухфазного термосифона с интенсификацией теплообмена в зонах кипения и конденсации с помощью электрического поля высокой напряженности. Для его создания был разработан высоковольтный источник постоянного напряжения на базе пленочного термоэлектрогенератора рулонного типа. Последнее потребовало экспериментального изучения технологии получения тонкопленочных полупроводниковых материалов на полимерных подложках и исследования комплекса их теплофизических свойств. Таким образом, круг вопросов, рассмотренных в диссертации, представляет не только прикладной, но и большой научный интерес.

Тематика работы соответствует планам научно-исследовательских работ кафедры «Промышленная теплоэнергетика» МГТУ им. А.Н.Косыгина, в том числе проводимым по гранту Российского фонда фундаментальных исследований № 01-02-16375.

Цель работы.

В диссертации были поставлены следующие цели: разработка конструкции теплообменника типа «двухфазный термосифон» с интенсификацией процессов теплообмена в нем за счет воздействия электрического поля, создаваемого электрогенерирующим устройством на основе пленочной термоэлектрической рулонной батареи, а также определение теплотехнических характеристик такого теплообменника; разработка вакуумной технологии получения тонкопленочных полупроводниковых материалов для термобатареи и создание комплекса технологических установок; разработка методики экспериментального исследования теплофизических свойств тонкопленочных образцов на полимерных подложках, создание опытной установки и проведение измерений свойств ряда материалов (как кристаллических, так и аморфных), перспективных для термоэлектрических батарей.

Основные научные результаты, полученные лично аспиранткой, и их научная новизна заключается в следующем: определены оптимальные характеристики электрогенерирующего двухфазного термосифона, превышающие известные; показано, что интенсификация процессов теплообмена в двухфазном термосифоне происходит за счет воздействия электрического поля на зоны кипения и конденсации при подаче на электроды электропитания от термобатареи; определены технологические режимы вакуумного напыления для получения пленочных термоэлектрических материалов; разработана методика измерения теплофизических свойств тонкопленочных материалов и проведены их экспериментальные исследования. Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в следующем: предложена конструкция двухфазного термосифонного теплообменника с электрогенерирующим устройством, обеспечивающая его высокие теплотехнические характеристики; предложена конструкция рулонной термоэлектрической батареи для термосифона на основе тонкопленочных полупроводниковых материалов; расчеты теплотехнических характеристик двухфазного термосифона с электрогенерирующим устройством показали, что его тепловая мощность возрастает при этом в среднем на 30 -40%.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на III Российской национальной конференции по теплообмену (МЭИ, Москва, 2002г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (МГТУ, Москва, 2002г.) и на конференциях профессорскопреподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТУ в 20002002 гт.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 67 наименований отечественных и зарубежных авторов. Работа изложена на 101 страницах машинописного текста и содержит 39 рисунков, 6 таблиц.

Общие выводы

Анализ методов увеличения эффективности двухфазного термосифона показал , что одним из перспективных является наложение электрического поля в рабочих зонах. Предложена конструктивная схема двухфазного термосифона с встроенным высоковольтным источником на основе тонкопленочной рулонной термобатареи, предназначенного для интенсификации теплообмена в зонах кипения и конденсации. Проведены расчеты теплотехнических характеристик термосифона, которые показали, что его тепловая мощность в результате интенсификации теплообмена электрическим полем увеличивается в среднем на 30-40 %.

Разработана методика и создана установка для экспериментального исследования комплекса свойств тонкопленочных материалов, включающих коэффициент теплопроводности, удельную электропроводность и коэффициент термо-ЭДС.

Проведены измерения свойств ряда тонкопленочных материалов: висмут, бинарной системы ОеТе легированной висмутом в зависимости от толщины пленки. Рассчитаны коэффициенты их термоэлектрической добротности. Рассчитаны энергетические и весогабаритные характеристики термоэлектрического устройства к термосифону. Разработана методика изготовления тонкопленочных термобатарей вакуумным напылением полупроводниковых материалов на полимерные подложки. Для этой цели создана экспериментальная установка на базе ВУП-5.

96

1. Алатырцев Г.А., Баум В.А., Охотин A.C. Солнечные термогенераторы мощностью 10 Вт.-М.АНСССР, 1961.-С.146.

2. Алиджанов М.А., Ализаде Г.А., Вагибова JI.K. и др. Изв. АН СССР. Неорганические материалы.-1981.-т.17.-№5.-С.911-913.

3. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Справочник.-Киев,1978.-С.272.

4. A.c. 798466 СССР, МКИ3 F 28 D 15/00. Термосифон/ С.М. Климов, М.К. Болога, Г.Ф. Смирнов, В.Д. Шкилев. Заявлено 11.10.78; Опубл. 23.01.81. Бюл. №3.

5. A.c. 883645 СССР, МКИ3 F 28 D 15/00. Термосифон/ С.М. Климов, В.Д. Шкилев. Заявлено 24.10.79; Опубл. 23.11.81. Бюл. №43.

6. A.c. 568809 СССР, МКИ2 F 25 В 19/04. Тепловая груба / В.Д. Шкилев, М.К. Болога, Д.В. Марин. Заявлено 09.02.76; Опубл. 15.08.77. Бюл. №30.

7. А.С.455702 СССР. Пленочный элемент (термобагарея)/З.М. Дашевский, Я.А. Каляер, Н.В. Коломоец, И.В. Сигнев. Заявл. 06.12.73, №1975107/26-25; Опубл. В Б.И., 1976, №29. Пат. В США №3981751, Англии №1455340, Франции №2254111.

8. Болога М.К., Бабой Н.Ф. Влияние электрического поля на теплообмен при кипении органических жидкостей// Электронная обработка металла.-1967.-№3 .-С.30-40.

9. Болога М.К., Гросу Ф.П., Кожухарь И.А. Электроконвекция и теплообмен. -Штинца, 1977.-С.320.

10. Болога М.К., Савин И.К., Дидковский А.Б. Оптимальная геометрия электродов в условиях конденсации пара// Электронная обработка металла.-1983.-№1.-С.58-61.

11. Вакуумный пост универсальный. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 1989.- С.8.

12. Варгафтик Н.Б. Справочник по физическим свойствам газов ижидкостей.-М.: Наука, 1972.-С.634.

13. Васильев Б.В. Пленочные радиационные термоэлементы с подложкой из оксидной пленки на алюминии//Изв. ЛЭТИ. — 1974.- вып. 142.- Ч.7.- С.8-11.

14. Вигдорович В.Н., Гаранин В.П., Ухлинов Г.А. К методике f измерения теплопроводности тонких пленок//Завод. лаб.-1979.45.-№5. С.435-437.

15. Власова P.M., Стильбанс JI.C. Журнал технической физики.-1955.-т.25.-№4.-С.569.

16. Ганин Е.А., Корнюхин И.П., Корнеев С.Д. Теплоиспользующие устройства в текстильной промышленности.-М.: Легпромбытиздат, 1989.-С.396.

17. Гельфгат Д.М., Дашевский З.М., Каляер Я.А. и др. Разработка

18. Г пленочных термоэлектрических батарей и их характеристики.

19. В кн.: Термоэлектрические материалы и пленки. Материалы Всесоюз. совещ.-Л.:Наука.-1976.-С.234-239.

20. Гоголин A.A., Данилова Г.Н., Азарков В.М. Интенсификация теплообмена в испарительных холодильных машин-зх// Легкая ира пищевая промыпшенность.-М.- 1967.-№3.-С.30-40.

21. Голецкая А.Д. и др. Физика твердого тела.-1961.-^.3.-№10,1. С.977.

22. Головяшкин А.Н. Вакуумные методы получения тонких пленок.- Пенза: Изд-во Пенз. ун-та, 1999.- С.19, 20, 40, 44, 85.

23. Гольцман Б.М., Дашевский З.М., Кайданов В.И., Коломоец И.В. Пленочные термоэлементы: физика и применевие М.:Наука, 1985.-С.4.л

24. Гольцман Б.М., Кудинов В.Н., Смирнов И.А. <. Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе

25. В12Те3.-М.:Физматгиз, 1972.

26. Гордеев Ю.Н., Болога М.К. Смирнов Г.Ф. Экспериментальноеисследование механизма массообмена при пленочнойректификации в электрическом поле// Электронная обработка металла.-1980.-№ 6.-С.40-43.

27. Гордякова Г.Н., Синани С.С. Журнал технической физики.-1958.-т.28.-№3.-С.977.f 25. Горелик С.С. и др. Тезисы межинститутской конференции потермоэлектрическим материалам и преобразоЕат?лям//Труды1. МИСиС.-М.-1968.

28. Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы: Пер. с анг М: Энергия, 1979.-С.272.

29. Дашевский З.М., Доброхотова M.JL, Емельянова Л.Н. и др. Исследование свойств диэлектрических подложек длявысоковольтных пленочных термоэлектрически: датчиков

30. С излучения// Электротехническая промышленность Сер. хим. иvфиз. Источники тока.-1982.-№5.-С.З-5.

31. Елисеев В.Б., Сергеев Д.И. Что такое тепловая труба? -М.: Энергия, 1971.-С. 136.

32. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодин И.В. Физические основы тепловых труб. -М.: Атомиздат, 1978.-С.256,

33. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации -М.: энергия, 1977.-С.244.• 33. Исаченко В.П., Сукомел A.C., Осипова В.А. Теплопередача.

34. М.: Энергоатомиздат, 1981.-С.411.

35. Иорданишвили Е.К. Термоэлектрические источники питания.

36. М.: Советское радио, 1968.-С.112.

37. Иоффе А.Ф. Энергетические основы термоэлектрических батарей из полупроводников. -М.Л.АНСССР, 1950.-С.234.

38. Ковалев С.А, Соловьев С.Л. Испарение и конденсация в тепловых трубах.- М.: Наука, 1989.-С.3,133.

39. V 37. Когут А.Н., Миколайчук А.Г. Физическая электроника.-1976.ч4 вып.13.-С.86-90.

40. Козырев И.В. Термосифон с встроенной высоковольтной термобатареей для повышения эффективности т.ст эльзования ВЭР: Автореф. дис. канд. технич. наук. -М., 1990.- С".39.

41. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. -М.: Энергоатомиздат, 1990.-С.365.

42. Лафер Е. В кн.: Термоэлектрические материалы ипреобразователи. Пер. с англ.М.: Мир,1964.-С.143.

43. Майборода А.Н., Климов С.М., Болога М.К. Воздействие электрического поля на теплообмен при кипег-мя в узких кольцевых каналах// Электронная обработка ме алла.-1984.-№6.-С.56-60.

44. Мардарский О.И., Кожухарь И.А., Болога М.К.4

45. Теплопередающие характеристики двухфазногоэлектрогидродинамического термосифона // Тепломассообмен -VI: Материалы VI Всесоюз. конф. по теплом; с сообмену.-Минск, 1980.-Ч.2.-С. 100-104.

46. Нечаев В.Г., Охотин A.C. Измерение теплопроводности тонких пленок// Материалы и процессы космической t?xi олсгии.- М.: Наука, 1980.- С.138-143.

47. Охотин A.C. Теплопроводность твердых тел. М. А омиздат, 1984.-С.320.

48. Охотин A.C., Ефремов A.A., Охотен B.C., Пушкарский A.C.

49. Термоэлектрические генераторы. М.:Атомиздат,1976.-С.32, 48,52, 53,90-101.

50. Охотин A.C., Пушкарский A.C., Горбачев В.В. Теплофизические свойства полупроводников. VT.: Атомиздат, 1986.- С.328.

51. Петров В.М., Бурковский А.Н., Ковалев Е.Б и :п. Тепловые1трубы в электрических машинах. -М.: Энергоато :i ?дат, 1987.1. С.152.

52. Пиоро М.А, Антоненко В.А., Пиоро JI.C. Эффективные теплообменники с двухфазными термосифонам . !Си.;в: Наука думка, 1998.-С.9.

53. Понаморенко В.А., Миколайчу А.Г., Когут А.Н.// Физическая электроника.-1979.-вып.7.-С.63-66.с 50. Преображенский В.П. Теплотехнические измерен' г приборы.i- М.: Энергия, 1978.- С.208-209, 704.

54. Пугачев А.Т., Волков Ю.А., Чуракова И.П. Теплосн зические свойства тонких пленок металлов//Инженер с ех гаческий журнал.-1980.- Изд.38.-№4.- С.606-613.$ 52. Синани С.С., Гордякова Г.Н. Журнал технической физики.i 1958.-Т.28.-С. 1977.

55. Синенко С.Б., Бойков Ю.А. , Гольцман Б.М. Тег." рсводность пленок висмута // В сб. «Материалы и процессы космической технологии», М.:, Наука, 1980.-С.122-123.

56. Смирнов Г.Ф., Барашеко В.И., Белый JI.M. Исследование теплообмена при кипении воды и бензолы в электрическом поле// Электронная обработка металла.-1973.-№б. -С.49-52.л 55. Стильбанс A.C. Физика полупроводников. М : «Советскоеярадио», 1967.- С.325.

57. Сысоева JI.M., Лев Е.Я., Коломеец H.B. Физика и техника

58. Ъ полупроводников.-1969.-т.З.-вып.4.-С.604-607.

59. Толубинский В.И. Теплообмен при кипении. -Киев: Наукова думка, 1980.-С.315.

60. Увдиев Д.Я. Изучение тепловых свойств и спектральных характеристик аморфных и пленочных материал т-М., 1998.* С.115-116.t4 59. Чой. Теплопередача с электродинамической кон er манией. Пер.

61. Trans. ASMESer. С, 1968.-№1.-С.104-109.

62. Якашвили Д.В., Колесников В.П., Вигдоровнч В П., Углинов Г. А. Пленочные висмут-сурьмяные термобатареи для радиационной пирометрии/ЯТриборы и техника э;; л еримента.-1976.-№6.- С.207-208.

63. Abowitz G., Levy М., Lancaster Е. et. at. The electrca' r roperties of Bi: Sb : Se : Те films. Electrochim. Technol., 1966, 1 ' -718, p.426-430.

64. Abowitz G. e. a. Electrochem. Techn.-1966.-v.4.-.Nb7.-P 426.

65. Birkholz V., Naake G. Z.Naturforsch.-1962.-Ив 17a. -S ' 51.

66. Japikse D., Winter R.F. Single-phase transport proces ir the open1.thermosyphon // Ibid.-1971.-14.- №3.-P.427-441.

67. Lock G.S., Maezawa S. The aerosyphon: an exploreЛ:г> study // Int. J. Heat and Mass Transfer. -1975.-18, -№2.-P.219-226.

68. Prem N., Chapra K. Experimental determination of thermal conductivity of thin films// Thin Solid Films.- 1973.-M . P.29-37.

69. Volklein F., Kessler E. Transport Coefficients of thin Hms// Phys. status. Solids.- 1982. -№2.- P. 585-601.