автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Моделирование тепловых процессов замкнутых испарительно-конденсационных устройств

ГРУЗИНСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ^

На правах рукописи

УДК 536.24

ГОГИШВИЛИ Георгий Вениаминович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ЗАМКНУТЫХ ИСПАРИТЕЛЬНО-КОНДЕНСАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.14.05 Теоретические основы теплотехники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тбилиси-1991

Работа выполнена " на кафедре теплофизики Грузинского """" технического университета

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ИГ-Шекриладзе

Официальные оппоненты - доктор технических иауи,профессор

Г.Ф£мирнов

кандидат тезснических наук, доцент Ш.А.Мествиришвили Ведущая организация - НИИ стабильных изотопов

Защита состоится " " декабря 1991 .г. в 12°0 часов на заседании специализированного совета К-057.01.Н в Грузинском техническом университете, в г.Тбилиси, ул. МДостава, 77, административный корпус, этаж 3, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Грузинского технического университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направить по адресу: 380075, Тбилиси-75, ул. МКостава 77, Ученый совет ГГУ.

Автореферат разослан " ноября 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета К - 057.01.14, доцент

Е.С№чавариани

общая' характеристика работы

Актуальность jtçmm. Замкнутые испарительно-конденсационные устройства находят все более широкое рспространение в системах терморегулирования различных обьектов. Расширяющаяся- сфера их применения при непрерывном повышении- требований к точности, / надежности и массогабаритным характеристикам соответствующей аппаратуры обуславливает актуальность рйзработки методов расчета их рабочих и ресурсных характеристик, в частности, методов, позволяющих учитывать наличие и постепенное накопление неконденсирующегося газа (НКГ), как одной из основных следствий различных процессов старения, протекающих в замкнутых испарителъно-конденсационнмх устройствах.

■ С другой стороны, известно, что замкнутые испарительно-конденсационные устройства различных типов, содержащие НКГ, в частности, разнообразные конструкции газорегулируемых тепловых труб (ГРТТ) и системы на их основе позволяют решать самые разноплановые задачи управления тепловым режимом различных обьектов, часто, гораздо проще, чем другими известными способами. Однако, наряду с этм, возможности такого рода систем далеко не исчерпаны, что делает актуальной разработку новых технических решений, в том числе, предназначенья для обеспечения точного термостатирования различных обьектов.

Рассмотренные положения определяют актуальность .диссертационной работы.

Цель_раОотн - решение следующих задач:

разработать математические модели, позволяющие вести расчеты' стационарных рабочих режимов различных типов замкнутых испарительно- конденсационных устройств при наличии НКГ в их рабочих полостях;

разработать методику моделирования длительной • работы замкнутых испарительно-конденсационных устройств в изменяющихся условиях функционирования, с учетом протекающих в них процессов старения,-

исследовать основные характеристики ГРТТ с электрической обратной связью, предназначенной для прецизионного термостатирования и основанной на применении оригинального метода регулирования, существенно повышающего точность ■такого рода

систем.

Hayчная_новизна. Впервые разработаны /математичесние модели для расчета стационарных характеристик тепловой трубы (ТТ) предельного режима и контурной тепловой трубы (КТТ). Для обычной ГРТТ разработана математическая модель, позволяющая вести расчет при заданных значениях тепловой нагрузки и количества НКГ и нелинейных граничных условиях в зоне конденсации, для различных конструктивных модификаций при умеренных затратах машинного времени. Разработана методика моделирования длительного Функционирования замкнутых испарительно-конденсационных устройств с учетом изменяющихся внешних условия у. различных процессов старения, протекающих в их рабочих полостях. Предложен нозый принцип термостатирования с использованием ГРТТ с электрической обратной связью, позволяющий существенно повысить точность термостатирования. Получены расчетные соотношения для некоторых основных характеристик такого термостата.

Практическая_уенность. На основе разработанных математических моделей созданы программы для ЭВМ, позволяющие вести расчот рабочих и ресурсных характеристик различных типов замкнутых испарительно-конденсационных устройств. Разработанный метод термостатирования, использующий ГРТТ с электрической обратной связь», составляет основу для создания прецизионных систем термостатирования, предназначенных для исследовательских и технологических целей.

Реализацм я _раОоты_в_прожтленности. Результаты работы были применены при разработке и создании автономных энергетических установок с органическими рабочими телами, работающих по циклу Ренкина, в НПО "Тбилисиэлектропривод", а также при разработке двухфазных контуров на капиллярной тяге' в НПО им. Лавочкина.

¿§1°Р-§ьщдсит_на_защиту: , I. Математические модели для расчета стационарных рабочих характеристик различных типов замкнутых испарительно-конденсационных устройств;

2. Методику моделирования длительного функционирования замкнутых испарительно-конденсационных устройств с учетом изменяющихся ^внешних условий и различных процессов старения,

протекающих в них;

3. Оригинальный метод термостабилизации, основанный на использованиии ГРТТ с электрической обратной связью, позволяющий существенно повысить точность термостатирования, расчетные соотношения для некоторых основных характеристик термостата, использующего этот принцип.

^Р°бация_рабохы. Основные результаты работы докладывались:

1. На конференции "Ресурсосберегающие технологий на базе тепловых труб"(г. Киев 1987 г.).

2. На 18-ой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ИТТФ АН УССР <г. Киев, 1988).

3. На 28-ой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ЗНИНа им. Г-МКржижановского (г. Москва, 1988).

1. На конференции "РРМСОТЕРгМ-88" (г. Прага, 1988 г.).

5. На конференции "ЕС1-88" <г. Шеньян, КНР, 1988 г.).

6. На подотраслевом семинаре "Современные проблемы теплофизического обеспечения электрофизических установок" (г. Сухуми, 1990 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных ' работ, в том числе -монография, .получено одно авторское ' свидетельство и одно положительное решение' ВНИИГПЗ по предполагаемому изобретению.

Структура_и_оОьем_работы. Диссертация состоит из введения, четырех гпав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Основной текст изложен на 107 страницах машинописьного текста, содержит 34 рисунка и 5 таблиц. Библиография содержит 73 наименования литературных источников.

содержание работы

•

В_05Рвди_главе рассмотрено современное состояние уровня развития замкнутых испарительно-конденсационных теплопередающих устройств. Разработаные и применяющиеся в различных областях техники, основанные на принципе ТТ теплопередающие и терюрегулирующие устройства, позволяют достичь качественного прогресса в автономности и надежности соответствующих тепловых систем. Устройства рассматриваемого типа нашли применения также при создании нового поколения систем термостатирования, в том числе прецизионных. Существенные достижения имеются и в создании методов расчета систем рассматриваемого типа. В работах Бинерта, Маркуса/ Галактионова и др. предложены. математические модели разнообразных конструктивных вариантов ГРТТ и разработаны программы для расчета устройств на их основе. Созданы методы расчета и прогнозирования характеристик надежности тепловых систем на, основе ТТ.

Проведенный анализ состояния разработки проблемы позволил также выявить задачи, решение которых необходимо на современном этапо развития данного направления теплотехники. Все еще не совершенны, в частности, существующие математические модели ГРТТ, не позволяющие при приемлемых затратах маиинного времени вести расчет с учетом зависимости коэффициента теплопередачи в зоне конденсации от температуры стенки ТТ, вести расчет при заданной тепловой нагрузке и массе НКГ. На исследованы вопросы влияния НКГ на работу ТТ предельного режима и К'ГТ. Не разработань! методы моделирования длительной работы ТТ с учетом переменных во времени условий их функционирования. Дальнейшего прогресса требует и техника термостатирования, в частности, в направлении дальнейшего повышения точности термотатирования.

В конце первой главы сформулированы соответствующие выводам обзора задачи исследования.

главе изложены математические модели, разработанные автором для расчета стационарных рабочих характеристик различных типов замкнутых испарительно-конденсационных устройств.

Одномерная математическая модель для расчета ГРТТ сотоиг из дифференциального уравнения температурного поля для блокированной газом части ТТ, учытивающего перенос тепла . т еплопроводностью и диффузией ппрэ. В качестве условии однозначности выступают два

балансовых соотношения: для количества ННГ и количества подводимого и отводимого тепла, в которых учтено изменение температуры поверхности корпуса и парциального■ давления НКГ вдоль блокированного газом участка зоны конденсации. Численная реализация модели предусматривает итерационный поиск температуры торца зон&! конденсации, при кавдом значении которого пошаговым, з сторону зоны испарения, численным решением уравнения температурного поля блокированной зоны, ищется длина блокированной зоны, при котором удовлетворяется баланс количества тепла. Далее, после достижения баланса количества подводимого и 'отводимого от зоны конденсации тепла проверяется баланс количества газа для найденного значения длины блокированного участка и в случае, если балансовое '^соотношение не выполняется, выбирается другое значение температуры торца зоны конденсации. Модель позволяет вести расчет различных конструкций (с горячим газовым резервуаром, с холодным газовым резервуаром, с обратной связью и. тд.), при не лине кик условиях теплоотдачи из зоны конденсации (например излучением), и что важно, при заданных значениях тепловой нагрузки и количества НКГ. Результаты расчетов по предлагаемой модели удовлетворительно совпадают с • расчетными и экспериментальными результатами других авторов.

Отличие предельного режима ТТ от обычного режима работы состоит в том, что в - предельном режиме теплоносителя хватает лишь на части зоны испарения, примыкающей к транспортной зоне, а остальная часть зоны испарения остается сухой. Схема гладкостенной гравитационной ТТ при предельном режиме, в случае наличия в рабочем тракте НКГ, изображена на рис.1. При построении математической модели принимаем, что поверхность зоны испарении и пар до сечения полного испарения конденсата имеют.температуру Ти весь обьем,. ограниченный стекающей пленкой конденсата, имеет температуру, равную температуре насыщения при давлении в рабочей полости. С поверхности зоны конденсации тепло отводится в среду с температурой

при п остоянном коэффициенте теплоотдачи. Температуры и концентраций в кавдом поперечном сечении считаются неизменными.

Математическая модель сводится к двум уравнениям баланса, массы теплоносителя и количества НКГ. Уравнение баланса массы теплоносителя можно представить в виде

M-Mj + Ma + Ms+M^ + Ms + Me'» <i>

где: M) , Ma , Мз , массы теплоносителя в стекающей пленке конденсата,соответственно, в зоне конденсации, испарения ^ транспорта, а И^ , Ms • Мб . массы пара теплоносителя соответственно, в несмоченнои части зоны испарения, в смоченно! части и в блокированной газом зоне, (V] - масса заправленного теплоносителя. Все эти величины, в рамках принятых допущений однозначно определяются режимными и конструктивными параметрами i двумя величинами, подлежащими определению: длиной блокированной участка и температурой насыщения

Уравнения баланса количества НКГ с учетом парциальноп давления пара теплоносителя в кавдом сечении зоны, блонированно НКГ, имеет вид:

Р(Тн)~Р[Т(х)] ,

- (XX » (2)

RT:

х

где: ТС3*-) -распределение температуры в блокированной зон! определяемое теплопроводностью корпуса.

Система уравнений (1),<2) .содержит две неизвестные величш-и Ти >ее численное решение не представляет принципиальнс трудности.

К наибоше интересным результатам реализации изложение модели следует отнести обнаруженное повышение стабилизирую® характеристик при наличии резервуара неконденсирующегося газа, ч-позволяет создавать на основе рассмотренного режима точные простые системы термостатирования. На рис.2 в качестве примера да: зависимость температуры насыщения *Тн от температуры ~[о А предельного режима ТТ при наличии и отсутствии НКГ:

Контурные (антигравитационные) ТТ находят все более широк применение, однако вопросы влияния НКГ на их характеристи недостаточно исследованы. Изложенная в работе математическая моде для расчета стационарных рабочих режимов газосодержашей контуры

ТТ основана на следующем положении: часть НКГ, находящаяся в рабочем тракте, блокирует часть зоны конденсации, часть находится в свободном от жидкого теплоносителя объеме компенсационной полости, и' часть растворена в теплоносителе. В стационарном рабочем режима имеет место концентрационное равновесие между раствором газа в конце зоны. конденсации, блокированной газом, и раствором в компенсационной полости. С учетом этого математическая модель стационарного режима контурной ТТ сводится к трем уравнениям: к " уравнению баланса количества тепла, уравнению баланса количества ННГ, и упомянутому условию концентрационного равновесия. Уравнение баланса тепла в одномерном приближении аналогично соответствующему уравнению для ГРТТ. Уравнение баланса количества НКГ включает все части газа, находящиеся в компенсационной пблости, в конденсаторе и в растворенном виде в теплоносителе. Условие концентрационного равновесия определяется условиями .массопередачи из парогазовой смеси к пленке конденсата, стекающей через блокированную зону конденсатора.

Расчеты, проведенные для контурной ТТ с теплоносителем -водой и двумя типами НКГ, один из которых хорошо растворим в теплоносителе (С02 ), а другой практически не растворим ( Нз), показали, что наличие хорошо растворимого газа придает . допольнительнью стабилизирующие свойства контурной ТТ (Рис.З), что , легко объяснить, поскольку жидний теплоноситель, поглошая газ при повыпхзнии даления и' выделяя ее при снижении выступает в качестве резервуара НКГ.

В последнем разделе главы рассмотрен конденсатор автономной энергетической установки, при наличии в ней НКГ. В этом случае, как свидетельствуют расчеты, существенную роль играет перенос тепла вдоль блокированной газом зоны, не только теплопроводностью корпуса, но и стекающим конденсатом, что при естественном воздушном охлаждении существенно меняет профиль температуры вдоль блокированной газом зоны. Отметим, что учет этого обстоятельства может оказатся необходимым и при расчете конденсаторов других замкнутых испарительно-конденсационных устройств, например • контурной ТТ.

Рлретеи_главе изложена методика моделирования длительного функционирования замкнутых испарительно-конденсационных устройств с учетом происходящих в них процессов старения и изменяющийхся

внешних условии.

Предлагаемая математическая модель долговременного функционирования основана на ряде исходных предпосылок. Считается, что технология изготовления и средства выходного контроля готовых изделии практически полностью исключают возможность внезапного отказа ТТ. Считается также, что изменения технических параметров во времени целиком обусловлены протекающими в ней различными физико-химическими процессами старения, кинетические закономерности которых известны. В результате суммарного действия процессов старения наступает отказ ТТ из-за выхода какого-либо технического параметра за границы поля допуска.

Процесс непрерывной работы ТТ в модели представляется как/ совокупность последовательных стационарных состояний, в каадом из которых изменения, происшедшие как внутри тепловой трубы, так во

внешних условиях, достаточно малы. Последняя предпосылка .делает

/

очевидным и ограничение модели. Продолжительность ^/кавдого состояния должна быть много больше продолжительности ..переходного процесса устройства, определяемого его тепловой и 'диффузионной инерционностью. Отметим, что последнее условие-'' соблюдается в большинстве реальных случаев работы ТТ. /

Последствия различных процессов старения суммируются на всей прошедшей последовательности состояний и ' Параметры каждого нового состояния расчитываются с учетом всех■происшедших до этого момента изменении, как внутри ТТ, так и во-внешних условиях. В свою очередь на основе определенного для текущего интервала времени состояния ведется расчет интенсивности и суммарного эффекта старения в течении данного интервала. Укрупненная блок-схема модели изображена на рис А Отметим важное требование к блоку расчета температурного поля: расчет должен вестись при заданных значениях условий работы и количества НКГ. Отметим, что модели из предыдущей главы удовлетворяют этому требованию.

В следующих разделах главы приведены примеры моделирования работы конкретных конструкций замкнутый испарительно-конденсацконных устройств, в частности, результаты моделирования длительной работы ГРТТ и ТТ предельного режима в" виде гладкостенного термосифона из нержавеющей стали с водой в качестве теплоносителя, на основе хорошо изученных закономерностей процессов старения для этого сочетания теплоноситель - конструкционный материал. Рассмотрен пример моделирования ГРТТ с палладиевым

геттером для поглощения водорода. На рис.5, дан график изменения температурь! насыщения во времени при различных количествах

г

палладиевого геттера. Хоропс зидно, что применение геттера может существенно повысить ресурс ТТ.

' . Дан также пример моделирования с использованием регресионной модели второго порядка для расчета температурного поля предельного режима ТТ. Совпадения результатов моделирования с использованною регресионной моделью с результатами при использовании математической модели подтверждает возможность вести моделирование для замкнутых испарительно-конденсационных устройств к в случае отсутствия их математического описания, опираясь на результаты опытов, достаточных для построения регресионной модели.

§_ч§1§§Р120_глав§ представлены принцип работы, соотношения для расчета некоторых важных характеристик и конструкция прецизионного термостата, использующего оригинальный способ работы ГРТТ с электрической обратной сзязыа.

Для пояснения принципа работы рассмотрим профили температурь; в зоне конденсации ГРТТ при незначительном изменении температуры насыщения (рис. 6). Несмотря на соответствующее незначительное перемещение границы раздела пар-парогазовая смесь, в определенном фиксированном переходном сечении перепад температуры - ДТ^ весьма значителен, что равноценно усилении изменения температуры насыщения. В диссертации на основе'одномерной модели ГРТТ получено следующее расчетное соотношение для коэффициента усиления:

к ЗТ» ., (Тн-Тс)Угр^ /тУю.сх-

где,- К - коэффициент усилениям, \/г.р. - обьем горячего газового резервуара, В&т и £псоответственно, площадь сечение стенки зоны конденсации и парового канала ' в зоне . конденсации, -теплопроводность материала стснки, (уС - коэффициент теплоотдачи с поверхности зоны конденсации, Ъ - теплота испарения теплоносителя, (^•-газовая постоянная пара теплоносителя, Рнар- наружный диаметр

зоны конденсации. /

Рачеты по полученному соотношению показывают, что вполн достижимы коэффициенты усиления порядка 10^ и более. На основ одномерной модели получены также соотношения для других ванны характеристик термостата, в частности, для времени выхода н рабочий режим и для учета влияния количества НКГ на уровен стабилизируемой температуры. В диссертационной работе описан экспериментальное устройство, позволяющее проведение измерени коэффициентов усиления, и представлены результаты опытое демонстрирующие существенность этого' эффекта. В частлости, путе; фиксации градиента температуры на корпусе ТТ (сглаживающего эффек в связи с продольным* перетоками -тепла по стенке) измерен: коэффициенты усиления, достигающие 10"\

Рассмотрена такав конкретная конструкция термостата использующего предложенный принцип терморегулирования. Схематкческ конструкция изображена, на. 'рис.7. Представленная комлановк позволяет вынести термостатируемую полость и свободно выбират: обьем газового резервуара, обеспечивая тем самим требуемую точност: термостатирования. Рассмотрены и некоторые Вопросы, связанные I заправкой и настройкой термостата.

ВЫВОДЫ

I. Разработаны математические модели стационарных рабочи: режимов различных типов замкнутых испарительно- конденсационны устройств, содержащих во внутренних полостях некондесирующиес: газы, таких, как газорегулируемыэ тепловые трубы, контурны тепловые трубы, тепловые трубы предельного режима и конденсатор: автономных энергетических установок на цикле Ренкина I органическими рабочими телами. Реализация моделей на 'ЭВМ при покош соответствующего програмного обеспечения позволяет вести расчет пр: заданном количестве неконденсирующегося газа и при •известны значениях других исходных параметров устройств.

2- Результаты моделирования позволяют дать качественную 1 количественную характеристику влияния неконденсирующегося газа н; работу испари!ельно-конденсационных устройств. Показано, 1

Маетности, что в тепловой труОэ, раОотющей в предельном режиме, Йаличиа неконденсирующегося. газа позволяет существенно повысить Точность стабилизации температуры насыщения теплоносителя тепловой ^рубы. В случае контурной тепловой трубы к: аналогичному эффекту повышения точности стабилизации температуры приводит наличие хорошо растворимого э теплоносителе неконденсирующегося газа. Наличие хв Нерастворимого в теплоносителе газа на теркостабилизациочкке Характеристики влияет гораздо слабее.

3. На основе предложенных математических моделей разработана Прогр&мма, позволяющая прогнозировать'изменения рабочих параметров при функционировании замкнутых ' испарительнс-кондзксационных устройств в течение длительного ресурса при переменных во зрекечи условиях работы вплоть до наступления отказа 'устройства. . Моделирование ресурса проводится с учетом протекающих в устройстве физико-химических процессов' старения и при наступлении отказа Устройства программа вместе со временем наработки на отназ задает Такет та информации о причинах (вида) отказа. Построена рзгресиснная Модель для расчета температурного поля замкнутого йспарительно'кондексационного устройства, позволяющая при наличии определенных данных физического эксперимента существенно сократить Ьбьем вычислений. Проведено моделирование ресурса тепловой трубы Ьри наличии ' геттера неконденсирующегося газа, способного Существенно повысить наработку на отказ определенных видов тепловых *руб. .

1. Предложен оригинальный способ термостабилкзаци на основе Ьазорегулируемой тепловой трубы с электрической обратной связья к разработана конструкция прецизионного термостата, использующего отот способ. Способ основан на использовании эффекта многократного Усиления изменения температурь: насыщения фронтом раздела пар - газ, ¡тозволяющего существенно повысить точность термоотатирования.

Результаты работы были приманены при разработке и создании автономных энергетических' установок на цикле. Ренкина с органическими рабочими телами з НПО "ТбилисиэлектроприБод" и циркуляционных систем на капиллярной тяге в НПО им. Лавочкина.

V 14 •

Рис. I. Схема предельного ренима гладаостенЕОй ТТ пра наличаа НКГ.

5)

Рис. 3. Зависимость температуры пара в КТТ от масси НКГ: I - Q.= 20 Вт; 2 - Ol = 120 Вт; а) - Н2; б) - С02

Рис. 1.

I. Блок-схема моделирования длительной работы

400

360

320

О <000 2000 3000 4000 5000

Ряс. 5. Изменение температуры насыщения ГРТТ во времени при различных количествах палладиевого геттера: I - трс1= 0; 2 - 0,1 г; 3 - 0,2 г; 4 - 0,3 г; 5 - 0,5 г.

йас. 6 Схема усиления изменения температура насыщения

Ряс. 7. Конструкция разработанного термостата на оонове ГРТТ с электрической обратной связью: I - хермостатяруемая полость; 2 - паровая рубашка; 3 - основной нагреватель; 4 - резервуар НКГ; 5 - регулируемый нагреватель; 6 - рубашка водяного охлакдешш; 7 - датчик температуры

/ Списдк_пубшкаций_пд_тем§_аиссертац

1. Шекриладзе ИГ., Гогишвили ГБ., Хуцишвили ТГ. Моделирование функционирования тепловой трубы а течении ресурса // Доклад на международной конференции ЕСГ88. Шеньян(КНР), 1988 г.

2. Иекриладзе ИГ., Гогишвили ГБ. Моделирование работы тепловой трубы // Доклад на специальной'сессии "Р1МЗОТЕКМ-88"Прага 1988 г .

3. "Тепловые трубы для систем' термостаОилизации/ ИГШекриладзе, ИГ-Авагашвили, ГБГогишвили и др-М.Знергоатомиздат, 1991.-176 с.ял.

1. Шекриладзе ИГ., Гогишвили ГБ. Разработка прецизионной системмы термостатирования на основе газорегулируемой тепловой трубы У/ Современные проблемы теплофизического обеспечения электрофизических установок / Материалы подотраслевого

теплофизического семинара Сухуми 1991 г. С.II8-121.

5. Гогишвили ГБ., ТутСеридзе КГ. Прецизионный стабилизатор температуры на основе предельного режима термосифона,-Труды- ГТУ, 1990, N 6(362), С.87-90.

6. АС. СССР. N1168153 Газорегулируемая тепловая труба' / Шекриладзе ИГ., Гогишвили ГБ., Русимвиш ДГ.