автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Разработка и исследование двухфазных теплопередающих устройств с капиллярной прокачкой теплоносителя

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ - УПИ

На правах рукописи

ПАСТУХОВ Владимир Григорьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХФАЗНЫХ ТЕПЛОПЕРЕДАЩЖС УСТРОЙСТВ С КАПИЛЛЯРНОЛ ПРОКАЧКОЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Специальность 05.14.05 - Теоретические основы теплотехники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1994

Работа выполнена в Инстиуте теплофизики Уральского отделения РАН, г.Екатеринбург.

Научный руководитель - кандидат технических, заведующий лабораторией Ю.Ф.МАЙДАНИК.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В.Н.КОРОЛЕВ.

кандидат физико-математических наук, доцент Ю.Е.ДОЯГИРЕВ

Ведущее предприятие - Научно-производственное объединение

"Энергия"( г.Калининград. Московской обл.)

Защита состоится " А " Марта 1994 г. в ]2_ час 00 мин, на заседании специализированного совета, шифр К.063.14.09, при теплоэнергетическом факультете . Уральского государственного технического университета - УШ в ауд.7710У

Отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, УГТУ - УШ, ученому секретарю института.

Автореферат разослан " 3 " 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, - , _

доцент 1/ Ь Л.К.ВАСАНОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Одной из наиболее важных я слокных задач, шникакшх при создании" современной техники, является обеспечение епловых режимов оборудования. Эффективность применяемых методов и стройств передачи и перераспределения тепла в значительной степени пределяэт эксплуатационные характеристики технических объектов.

К числу наиболее эффективных средств передачи тепла относятся епловые трубы (ТТ), работа которых основана на осуществлении амкнутого испарительно-конденсационного цикла теплоносителя. Однако, озникаюцие по мере развития техники требования не могут быть довлетворены ТТ традиционных типов. Существенные ограничения тепло-ередающей способности возникают как при работе в поле массовых сил, случае неблагоприятной ориентации, так и при увеличении расстояния ешгопереноса или величины передаваемой мощности. Значительно увели-ить теплопередатеую способность удается в конструкции контурных епловых труб (КТТ), характеризующихся локальным размещением капил-ярной структуры (КС) в зоне испарения и раздельным транспортом паро-ой и жидкой фаз теплоносителя. Конструктивные особенности делают КТТ ерспективными для разработки на своей базе двухфазных тешюпередаю-их контуров (ДФК КН), обладающих разветвленной конфигурацией. При-енительно к космической технике, предъявляющей повышенные требова-ия к степени автономности, массово-габаритным параметрам, ресурсу аботы и надежности, ДФК КН представляют серьезную альтернативу еплопередакщим контурам с механической прокачкой теплоносителя.

. При разработке ДФК КН возникает ряд задач, таких как опти-изация конструкций капиллярных насосов(КН) и коллекторных конденса-ионных теплообменников, поиск схемных решений конфигурации развотв-енных систем в целом, выбор оптимальных способов регулирования, Зеспечение устойчивости работа в пускосых и переходных режимах, азработка и уточнение расчетных моделей и др.

Связь диссертации с указанными научно-техническими задачами гсределяет ее актуальность.

Диссертационная работа выполнялась в. соответствии с координа-ионным планом КИР Научного совета РАН по комплексной проблеме 1.9.1. Теплофизика и теплоэнергетика" по научному направлению 1.9.1.3. ."Интенсификация теплообмена в .энергонапряженных установках", а акне планами хозяйственных договоров с промышленными предприятиями.

Целью работы является разработка схем ДФК КН, конструкций зновных элементов, уточнение условий работоспособности и моделей

физических процессов на основе результатов экспериментальных исследований.

Научная новизна. Впервые разработаны авторегулируемые схемы ДОК КН и получены рабочие характеристики при наземных и натурных(летных) испытаниях. Определены и аналитически сформулированы условия работоспособности, вытекающие из требования незакипания теплоносителя в центральных полостях КН.

Разработан. и экспериментально исследован ДФК КН активного регулирования. Изучены процессы пусковых рожимов и разработана основа ИХ физических к аналитических моделей. Разработаны методы надежного запуска ДФК КН при низких плотностях теплового потока.

Практическая ценность. Проведены обширные экспериментальные исследования двухфазных теплопередающих контуров с капиллярной прокачкой теплоносителя, которые дали возможность получить надежные рекомендации по выбору конструкции важнейших элементов и общей конфигурации разветвленных схем.

Автор защищает: I) Результаты экспериментальных исследований авто- и активнорегулируемых схем ДФК .КН; 2) Физическую формулировку условий работоспособности и метод их аналитического определения; 3) Физическую модель процесса запуска ДФК КН активного регулирования. 4) Методы обеспечения надежного запуска ДФК КН и связанные с ними технические решения.

' Апробация работы. .Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции по применению тепловых труб в народном хозяйстве (Москва, 1989 г.), на Международной Еколе-семинаре "Тепловые трубы : теория и практика" (Минск, 1990 г.), на межреспубликанском совещании ассоциации "Тепловые трубы" по разработке к применению тепловых труб в космической технике (Екатеринбург, 1992.г.). на 7 и 8 Международных конференциях по тепловым трубам (USSR.-1990, China.-1992 ),на 22 и 23 Мзкдукародных конференциях по системам жизнеобеспечения (Ш&.~1992,-1993,). .

■' Публикации. Основное содержание изложено в 9 статьях и докладах, при выполнении работы подучено 3 авторских свидетельства на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глаз, заклшения, библиографии и приложений. Работа изложена на 156 страницах, в том числе 127 страниц в основном тексте, включая 42 рисунка и 6 таблиц; б приложениях 20 страниц, 30 рисунков, 3 таблицы. Список использованной литературы состоит из 90 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИИ

Обзор литературы показывает, что ни теоретических, ни экспери-гентальных исследований, направленных на разработку разветвленных :хем КТТ до настоящего времени не проводилось. Имеющиеся конструкции СТТ и способы их работы предполагают наличие шлей массовых сил тэзвиташонной или инерционной природа. Вместе с тем за рубегш, мавнкм образом в США, ведутся активные исследования разветвленных взухфазных теплопередаюцих контуров с капиллярными насосами для сосмаческого применения, получившее название CPL*. Имея ряд общих физических принципов с КТТ. CPL отличается наличием дополнительных функциональных элементов, разветвленностью зон испарения и конденсата, способам работа и регулирования. К основным недостаткам таких сснтуров откосят относительно малую величину капиллярного давления, 5То негативно отражается на массово-габаритных параметрах, и -^устойчивость работы в нестационарных и пусковых режимах.

На основании изучения литературных данных и исходя из условий использования в космической технике было выбрано два основных направления исследований: -разработка разветвленных схем ДФК КН на основе конструкционных и физических принципов КТТ, обладающих высокой: эффективностью и полной автономностью 'работы ; - разработка разветвленных ДФХ КН с системой активного регулирования, позволяющей осуществлять с высокой точностью управление и стабилизацию температуры объектов теплового контроля.

Проведение работ з обоих направлениях связывалось с решением слэдуюсях конкретных задач :

1. Разработать конструкции высоконапорных КН и различных сборок на их основе, позволяющее создавать капиллярный напор до 30 кПа и ¡зыте на ряде низкотемпературных теплоносителей.

2. Экспериментально исследовать рабочие характеристики ДФК КН в широком диапазоне условий теплоотвода, включая радиационный теплосброс.

3. Разработать и подготовить экспериментальный модуль для проведения летных испытаний .

4. Исследовать пусковые и переходные режимы ДФК КН с целью решения проблем; 'Запуска и повшения устойчивости работы.

5. На основе результатов экспериментальных исследований провести уточнение физических моделей процессов работы и расчетных методик.

1-CPL - Capillary Pamd loop (контур с капиллярной прокачкой).

- 5 - ■

2. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОРЕГУЛИРУЕМЬ СХЕМ ДВУХФАЗНЫХ КОНТУРОВ С КАПИЛЛЯРНЫМ НАСОСАМИ

Реким авторегулирования был определен для КТТ как спосо работы, осуществляемый только за счет конструктивных особенностей физических механизмов, заложенных в принципе действия. Проявлена этого режима заключается в способности устройства стабилизироват температуру в некотором диапазоне изменения тепловой нагрузки ил условий теплоотвода.

На основе конструкции КТТ было разработано и изготовлено окол десяти различных вариантов ДФК КН. Конструктивные параметры основ ных семи вариантов совместно с реализованными в исследованиях уело виями теплоотвода представлены в таблице I. Развит;» исходной схем КТТ заключалось в разветвлении теплообменных зон (испарения и конце: саши) путем параллельного включения дополнительных секций. Послед ние варианты ДФК КН имели по три КН и конденсаторы коллекторное типа, включенные в контурн по г-схеме (рис.2). Во всех конструкция: КН в качестве напорной КС применялась титановая металлокерамическа, структура с максимальным радиусом пор 5..5,5 мкм и пористость] 58..62$. С целью обеспечения контакта жидкой фазы теплоносителя с К1 в предпусковом состоянии и режимах, работы с разделом фаз в полостя: (ПО) КН, последние имели набивку из высокопористого ячеисгог< материала(ВПЯЩ с максимальным радиусом пор около 300 мкм.

Методика проведения экспериментов заключалась в полученш теплогранспортных характеристик на основании измерений температур п< контуру и величины тепловых нагрузок при различных условиях охлаждения. Ориентация контуров во всех экспериментах - горизонтальная.

Оптимизация заправочной дозы теплоносителя производилась п< двум критериям : минимуму рабочей температуры пара и способностз запуска с малых "значений тепловых нагрузок (до 9 Вт) из максимапьнс захолокенного состояния (до -70°С в барокамере).

Анализ результатов наземных исследований показал, что :

- параллельное разветвление теплообменных. зон приводит к увеличена теплопередапцей способности устройства за счет экономии капиллярногс напора и расширению функциональных возможностей, позволящиз осуществлять отвод тепла от источников с различной интенсивностью;

- следует различать рекимы работы контура с наличием паровой фазы I ПО и без нее. В первом случае размеры парового пузыря и его местоположение определяют работоспособность КН. В условиях микрогравитации, когда распределение фаз определяется в основном термокашшшрнымг

- б -

Таблица I. Конструктивные параметры Д4К КН и условия теплоотвода

Параметр номер ДЖ

I 2 3 4 5 6 7

теплоноситель аммиак фреонII ацетон аммиак фреон!I аюжж аммиак

дана тепло-переноса, м 1.0 1,1 0,58 2.3 1.04 ъЛ 2,2

кол-во КН. шт. I I 2 3 3 3 3

зона нагрева: диам..длина, мм-мм 24.100 24-100 24-70 24-100 24»100 24-100 24-100

паропровод: нэр.диам." .стенка,мм>мм 5-0,5 5-0,5 6-1 6-1 G-Ï 6-1 6-1

трубный конденсатор /кольцавал зазор/: бол.диам.■ мал.дяем.• •длина,мм 24,5-■22,3' • 200 22,5-■20,5-190 27,5-25.0 -140 •34.0 ■32.0 .216 - - -

коллекторный конденсатор: число трубок, ат. размера трубок - - - - 10 600-6- 10 550-6- 6 1000.6

длина-нар.диам ■станка, мм .1 ■ I -I

перовой кодл-р -//- , мм коте, кодл-р -//- , мм 900-6-■I 940> 6--Г 950-6-• I 940-6" ■ I 540*12 -I 600-6--г

способ отвода тепла : -пда.охл.: . Од,л/час /г0,С 100/ . /3*10 100/ /-20+30 180/ /20+40 1СО/ /-10+0 100/ /10+15 - -

-св.конв.(атм) t0. С - - - 18+22 18+23

-излучение' в оарокамерв m юл.эгаак -70+0 -70+0

конструкционный материал- нера.сталь карта Ш8НЮТ

Рис.1.Принципиальная схема ДФК .46

I- КН; 2- паропровод; 3- разъемное соединение; 4- трубный пучок коллекторного конденсатора ; 5 - плоское радиационное ореб-рение; в - ветвь переохлаждения конденсата: 7-кондексатоггоовод; Д - датчик абсолютного давления ( • - расположение термопап)

ТстХ

50 4« 30 20 10

I 1 п"

.....:"!/>; 7 •

- : У-'//

____У- -.Г,-о"С

У/, /Сг^ -------

- - /—| - - ■—•-78 -

л л—' 1 1 I 1

Рис.2. Зависимости температуры стенок КН ДФК № (тз=21Г г) от суммарной тепловой нагрузки при различных условиях охлажде-дения ( теплоноситель - аммиак)

--- - тэплосброс свободной

конвекцией на воздухе, —- - излучение на холодный экран с темп.Г

2К> ГЙ.!т у-Ю4 Вт/и1

эффектам, приводящими к локализации паровой фазы на впитывающей поверхности КС, следует ожидать ограничений рабочего диапазона устройства ;

- обеспечение надежного запуска• делает необходимым увеличение дозы заправки, что в свою очередь в номинальных режимах работы приводит к блокированию значительной части объема конденсатора жидкостью. Приведенные на рис.2 характеристики показывают, что режим относительной стабилизации температуры явно наблюдаются в случае, когда можно предполагать возможность перераспределения яркости между ПО и конденсатором (характеристика при Ге=-?0'С);

- коллекторная схема конденсатора имеет существенные температурные неравномерности, приводящие к неэффективному использованию геплооб-мекной поверхности. Для повышения эффективности работы конденсатора необходим анализ величины гидравлических неоднородностей и поиск оптимизационных решений.

Для проведения летных испытаний был разработан совместно с НПО "Прикладной механики" экспериментальный модуль, схема которого показана на рис.3. Модуль включал в себя три КН, объединенных алюминиевой плитой размерами 130»100«33 мм. Тепловая нагрузка изменялась дискретно (40,80 и 120 Вт)."Теплоноситель - фреон-И. Испытания проходили на спутнике связи "Горизонт". Температура радиационного фона циклически изменялась в интерзале от -70 до +30°С. Рабочая темпера-турно-временная характеристика модуля представлена на рис.4. Видно, что амплитуда колебаний температуры плиты значительно меньше изменений фоновой температуры. Это свидетельствует о работоспособности устройства.

Летные испытания подтвердили основные результаты наземных исс-

о

Рис.3.Принципиальная'схема модуля

I- плита с КН; 2- конденсатопро-вод; 3- дополнительный радиатор;

4- панель основного радиатора ;

5- паропровод

Т (Л)- датчики температуры

(ТЭП 018-05) ; Л1 - датчик абсолютного давления (2МД-15ТС); Д2 - датчик относительного давления (ИКД6ТЗФ)

Рис.4. Темпеоатурно-временная характеристика модуля гпзн фиксированной тепловой нагрузке <2=80 Вт

о - 2101,102; х - И05;

о - ПОЗ; в - И04

Прим.: нумерация датчиков соответствует рис.3

20 25

Т.час

ледований, касавшихся вопросов запуска и возможности блокирования паром КС в рветмах с двухфазным состоянием теплоносителя в полостях КН.

3. УСЛОВИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ АВТОРЕГУЖРУШЯ СХЕМ ДВУХФАЗНЫХ КОНТУРОВ С КАПИЛЛЯРНЫМИ НАСОСАМИ, ЭЛЕМЕНТЫ РАСЧЕТА

Экспериментальные исследования показали, что наряду с основным условием работоспособности, выраженным капиллярными ограничениями, необходимо выполнение дополнительных условий.

Первоо из них связывает значения внутренних объемов различных элементов контура с дозой заправки. В частности для схемы с N одина-

. новыми КН объемы полостей доляны быть тзавны

+ . (I)

ПК1 min J

где тз = PK(?min)-( V-? ~ Упо ), ен - степень осушения конденсатора, необходимая для формирования поверхности конденсации пара при заданных внешних условиях теююсброса и величине тепловой нагрузки, AT = Т - Тт1г1 - диапазон изменения температуры теплоносителя от предпускового до рабочего состояния.

Второе условие накладывает ограничения на температуру впитывающей поверхности HC m v v .„

1ВП % s к N •

Данное условие исключает из рассмотрения режимы работы с двухфазные состоянием теплоносителя в полости. С использованием извэстногс выражение1 для ТБЕ, условие (2) приведено к виду

-- fi - (г./ г ) г кс S1 > -Ш- - ат . 13)

«охл^ковд . J «W) 'тп •

Выполнение соотношения (3) для рассматриваемых схем обеспечивает работоспособность ДФК КН в стационарном рекиме, но не гарантируен успешности запуска.

Актуальным для оптимизации коллекторных схем конденсаторов былс проведение систематических исследований, позволяющих дать оцекк! гидравлических неоднородностей. Разработанная методика расчетг основывалась на следующей физической модели: ••

- поступащий в конденсатор пар является насыщенным;

- необходимая для конденсации поверхность определяется толькс внешним теплообменом и расходом теплоносителя;

- паро содержание. теплоносителя на выходе из конденсатора равно нули.

Математическая формулировка задачи сведена к системе уравнений, связывающих давления в узлах разветвленной гидравлической схемы < потерями давления меаду ними. Система замыкается условием постоянства массового расхода теплоносителя в конденсаторе. 1 результате выполнения расчетов установлено влияние геометрически: параметров конденсатора и схемы его включения в контур на величин; гидравлических неоднородностей. Это позволило обосновать технически! решения по повышению эффективности коллекторных конденсаторов. Ода

- Ферштатер Ю.Г., Майданик Ю.Ф. Анализ температурного поля в капиллярной структутэе "антигравитационной" тепловой трубы //Инн:. 5ИЗ. ВУРН.- 198?.- T.3I.-.S2.- С.203-207.

из них заключается в размещении пористых вставок в трубках пучка перед входом в жидкоегной коллектор. Данные расчетов качественно подтверждаются результатами тепловизионных исследований экспериментального конденсатора.

Одно из вахных приложений разветвленных зон испарения -обеспечение изотермичносги протяженных поверхностей. Это может быть достигнуто объединением нескольких КН общей плитой из теплопроводного материала. Для выяснения вопросов, связанных с выбором колнества КН, конфигурации и материала плиты при заданной величине изотермичное™ поверхности, был проведен расчетный анализ температурного поля на основе решения двумерного уравнения теплопроводности.

4. РАЗРАБОТКА И ЭКСЛЕРИШГГАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АКГИВНОРЕГУЛИРУЕМЫХ ДВУХФАЗНЫХ К0НТУР03 С КАПИЛЛЯРНЫМИ НАСОСАМИ

Экспериментальные исследования проводились на стенде, включавшем в себя контур, систему вакуумной откачки, подготовки и заправки теплоносителем, а ' тавде измерительную систему, принципиальная схема контура вместе с измерительной системой представлена на рис.5. Конструкция контура позволяла' осуществлять отработку компоновочных решений и элементной базы и обеспечивать

Рис.5. Принципиальная схема ДФК КН блока

и измерительного

I - сборка КН; 2 - паровой коллектор сборки КН;3- датчик абсолютного давления ;

• 4 - паропровод; 5 - пусковой КГ (ПКН);5 - датчик относительного давления ; 7 - конденсатор ;8 - гидроаккумулятор (ГА);9- вентиль ГА; 10 - трубопровод ГА;

II - конденсагопровод ;

12 - рубашка охлаждения ;

13 - жидкостной коллектор ' сборки КН; 14-рубавка охлаждения конденсатора ; 15-трубопроводы охлаждения; М- местоположение термопар

А,В,С-точки подключения трубопровода ГА для раз личных схем. Буквенные обозначения: ИЗ - цифровой вольтметр; ПТ - потенциометр; БИ - блок измерения мощности; БР - блок реле; БП - блок электропитания; БСР - блок сопряжения-распределения; ЦПУ - цифропечатаю-щее устройство; PC - расходомер; ИК - информационные каналы; ТС1,2 - термостаты

регулирование путем управления температурой гидроаккумулятора (ГА). Эксперименты проводились с различными сборками, содержащими от I до 5 КН. Их основные варианты представлены на рис.6. Неизменными оставались конфигурация конденсатора и транспортных каналов: паро- и конденсатопровод. имели длину около 5 м и внутренние диаметры 6 и 4мм соответственно. В качестве исходной КС использовалась никелевая металлокерамическая структура с максимальным радиусом пор I мкм и пористостью 65$. Теплоносители: фреон-П, фреон-152А и аммиак. Методика исследований состояла в получении характеристик стационарных резапиов при фиксированных Тга в диапазоне +20. .+50'С, а такке - нестационарных режимов в виде временных зависимостей показаний датчиков температуры и давлений.

Установлено, что данный способ регулирования достаточно эффективен и позволяет осуществлять управление температурой в широком диапазоне изменения тепловых нагрузок и условий теплоотвода. Представленные на рис.7 характеристики показывают, что стабилизация температур КН сохраняется вплоть до наступления капиллярных ограничений или ограничений по условиям теплоотвода, когда происходит осушение конденсатора.

Анализ пусковых режимов показал, что запуск КН из затопленного состояния сопровождается перегревом и взрывообразннм вскипанием теплоносителя с послэдумцими пульсациями давления в контуре. Установлено, что эти колебания инициируют парообразование в полостях

Рис.6. Принципиальные схемы-сборок КН

а.- схема сборки трех КН с подключением трубопровода ГА к надкостному коллектору .(3);

б .--//— к полостям ШГ через коллектор (7);

в.- схема "холодной" плита на пяти КН.

I- паровой коллектор;-2 - КК; 3 - жидкостной коллектор; 4 - место соединения с трубопроводом ГА; 5 - место соединения с конденсатшрозодом; 6 - соединение с паропроводом; 7 - коллектор; 8 - термопара;. 9- шита с КН; Ю - пластика нагревателя;II - паз для вывода термопарных проводов; 12-секции пленочных нагревателей (• - местоположение термопар)

Рис.7. Зависимость средних температур стенок КНог гешювой нагрузки при раз-тачшх температурах ГА [ аммиак, ГА подключен к полостям КН)

I - Г = ЗО'С; 2 - 40'С;

3 - 50 С )хлакдение водой: Гохл=Ю±2 О,

- GQZJ = 100 л/час, " <W 200 л/чао

б

гт ZQ.Вт "у.кЬт/н1

¡Н, препятствуя тем самым успешному запуску. Особенно ярко это ¡роявляется при малых значениях плотности подводимого теплового гагока 0,5 Вт/см2). Предложены и исследованы два метода запуска, кжижаюцие значения допустимых пусковых нагрузок. Первый из них »стоит в предварительной подготовке поверхности раздела фаз в зонах ¡спарения КК с помощью дополнительного пускового капиллярного насоса гебольтих размеров. Этот способ позволил снизить плотности пусковых агрузок до 0,18 Вт/см2. Второй метод заключается в организации ;ынужденной конвекции в полостях КН в момент запуска. Конструктивно то достигалось путем подключения ГА непосредственно к полостям :асосов. Рис.8 показывает, что в этом случае запуск сопровождается адением температур в полостях. В результате удалось уменьшить усковые плотности до 0,1 Вт/см2.

ис.8. Темпвратурно-временные зависимости запуска при одновременной подаче тепловой нагрузки на КН (аммиак, ГА подключен к полостям КН)

= <з£ = 0% = 25 Зт

(отсчет времени ведется с момента включения нагрузки)

40

U,

• л гаа

с

• ко

} "VT^

13

ГУ"

з

4

Максимальное достигнутое значение передаваемой модности составило 3 кВт и было получено йа сборке из трех КК при использовании аммиака в качестве теплоносителя. Термостабилизируемая шшта испытывалась на фреоне-152А. Максимальная мощность составила 1,2 кВт, а степень .неизотермичности поверхности - 5°С. Последняя величина примерно в 2 раза превысила расчетные значения и • обусловлена в первую очередь неравномерным распределением контактного термического сопротивления между плитой и нагревателем.

5. АНАЛИЗ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

АКТИВНОРЕГУЛИРУЕШХ ДВУХФАЗНЫХ КОНТУРОВ С КАПИЛЛЯРНЫМИ НАСОСАМИ

На основе физической модели запуска, построенной яз базе экспериментальных данных, разработана методика расчета минимально допустимых пусковых нагрузок. Процесс запуска КН из затопленного состояния включает в себя три основные стадии. Первая из них -разогрев КН после подачи тепловой нагрузки, при котором в КН формируется нестационарное поле, температур. Из решения нестационарного уравнения теплопроводности получено выражение, определяющее максимальную разность температур между внутренней и внешней поверхностями КС в зоне нагрева

LTkc = Wr"CJ - 1(r,.i) = —-- (rf - гг.) . (4)

.кс а 1 4 \гг

Формула (4) справедлива для'времен разогрева т »3+4 с. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с данными экспериментов.

Вторая стадия.запуска - возникновение паровой фазы, что математически выражается соотношением, аналогичным (2). В процессе запуска температура ГА может временно понижаться до некоторого значения !Гга mln. Кроме того,. значения допустимых перегревов жидкости в пароотводных каналах ДГЦ и в полости КН могут различаться. Полагая и комбинируя (4) с условием незакипания, получаем

следующее выражение для плотности минимальной пусковой нагрузки

» 'Гга - Тга min * D)4 Wi " Ф" (5) Расчетные оценки, выполненные по (5), дают значения а , =0..1,37 Вт/см'1 при D= Q..2 С и rra-rraraiil= 0--4 С. Эксперимент дает близкие значения <jmln = О,38..О.53 Вт/см* и подтверждает справедливость сделанных предположений.

Анализ стационарных режимов, заключающийся главным образом в определении рабочей температуры пара, для регулируемых схем ДФК КН значительно облегчается тем, что давление в контуре определяется

- и -

давлением ГА. Тогда давление пара в зоне парообразования можно определить соотношением Р_ = Р„а + ЛР„ „„, где ДР„ - потери давле-

ц га и-га П""Г з г

ния на участке от между зоной парообразования ГА. Полагая пар насыщенным, его температуру можно определить следующим образом

= V™ + ЛРп-га> = Гга + ЛРп-га /"ЭТ |„ • (6)

Результаты расчетов в сравнении с экспериментом представлены на рис.9. Видно, что расчет качественно верно описывает поведение Т , однако в области относительно больших тепловых нагрузок дает заниженные результаты". Причина этого состоит в неучитываемом расчетом перегреве пара, который может иметь место в зоне испарения КН. На рис.9 приведена также кривая капиллярных ограничений, рассчитанных традиционно по уравнению Рк ^ = ЕДР^.

Рис.9. Зависимость тем-певатута пара ДФК от Ее-личины*суммарной тепловой нагрузки для различных температур ГА

( фоеон-152а, плита) Охлаждение водой: GQ2J =

=100 л/час, т = Г0±2°С;

OZJI

расчет,

т„:с

50

ДО

30

. ч „ ! 1 1 с \ ° о 1 °__X

1 2 „ \ о / 1\ 1 о ° Ь° о О о ц

1 » „ \ о ' . \ о ° JJi

>-—■О , ' '.' 1 I- ---1--1 - - ; . , \ , '.1 . ; i.i.i.i.i.

0 - эксперимент;

1 - Т„ = 20°С, 2 - ЗО'С,

3 - 40°С, 4 - 50 С; 21>

---- капиллярные «о зоо 500 тоо 900

ограничения

Наряду с капиллярными ограничениями работоспособность ДЕК лимитируется степенью переохлаждения жидкости, поступающей в КН. Исходя пз условия Еезакипания теплоносителя на. впитывающей поверхности КС (2) показано, что выполнение условия

Гга *

ДГ„ - 8-ДТ

где

е = ( гуг2)

■(7)

(1-В)

позволяет избежать возникновения паровой фазы в полостях КН. Кроме того, очевидна необходимость следующего дополнительного условия

Твх < тШТа ,Тра* АГН) . . (8)

На рис.10 приведены экспериментальные данные режима при ?га=20°С, для которого максимальные значения мощности в интервале 450..500 Вт связаны как раз с вскипанием жидкости в полостях КН. Хорошо видно, что расчет ограничений по условиям (7), (9) достаточно точно определяет 5 . Расчет проведен при следующих параметрах: Хкс=0,3 м, г,/г2=0,45, \8№)=10 Вт/м-К. 42^1.7 С, ¿Гп= Гга- 3*,

Рис.10. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчета расчета по ограничениям на температуру возвратного штока теплоносителя ( фреон-152а, плита)

Т Г|20°С, охлакдение еодой:

С охй100 л/час- Т <шГ10±2°С Эксперимент: о - Гп , © - ГЕ2

Расчет- по усл. (7,8)

100 200 300 ¿00 500

где - экспериментальное значение температуры пара.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты работы состоят в следующем :

1. Разработаны и экспериментально исследованы авторегулируемые схемы ДФК НН разветвленной конфигурации с длиной теплопереноса от I до 2 метров и передаваемой мощностью до I кВт.

2. Сформулированы и аналитически определены условия работоспо-. собЕости авторегуллруемых схем ДФК КН, заключающиеся в соблюдении сооткоиения мэзду объемами контура и количеством заправляемого теплоносителя а предотвращении образования- паровой фазы в центральных полостях капиллярных насосов.

3. Разработана и создана экспериментальная установка на базе компьютерной измерительной системы для исследования ДФК КН активного регулирования с длиной теплопереноса 5 метров и мощностью до 3-4 кЗт.

4. Экспериментально исследованы рекикы активного регулирования ДФК КН посредством управляемого гидроагскумулфувдего объема. Установлено, что данный способ регулирования позволяет обеспечить значения коэффициента регулируемости в пределах от Ю"2 до 10~3°С/Вт в пироком диапазоне изменения тепловых нагрузок и условий тешзоотвода от конденсатора.

5. Проведены экспериментальные и аналитические исследования эффективности работы конденсационных теплообменников коллекторного типа. Найдены и подтверждены тепловизионными исследованиями технические решения по их оптимизации.

6. Разработаны основы физической и математической моделей процесса запуска, которые допускают расчет - минимальных тепловых нагрузок, реализующих запуск. Получено, что определяющее влияние на

осуществление запуска, наряду с теплофизическими и геометрическими параметрами капиллярной структуры, имеют колебания температур и давлений, сопровождающие запуск, и значения допустимых перегревов теплоносителя.

Разработаны методы и найдены технические решения, обеспечивающие надежность Запуска ДФК КН при низких плотностях теплового потока величиной менее 0,1 Вт/см2.

7. Определены аналитически и подтверждены экспериментально ограничения работоспособности ДФК КН активного регулирования з стационарных режимах, вытекающие из условия незакипания теплоносителя в полостях капиллярных насосов. Полученное функциональное соотнояениэ позволяет определить максимально допустимую температуру теплоносителя на входе в капиллярные насосы с учетом перегревов паровой и жидкой фаз теплоносителя с испаряющей и впитывающей сторон капиллярной структуры, соответственно.

8. Разработаны и исследованы на различных теплоносителях (фреон-П, фреон-152а, .аммиак) Еысокоязпорные КН с увеличенной длиной активной зоны (до 200+300 мм), позволяющие создавать напор до 40 кПа (аммиак, 30°С) и обладающие высокой интенсивностью теплоотдачи'(а =10+25 кВт/м2 °С).

9. Разработана и исследована в составе ДФК конструкция термо-стабилизируекой платы размерами 300»400 ш с* величиной неизотермич-ности тепловоспринимающей поверхности до 5 "С при тепловой нагрузке до 3 кВт. Установлено, что получешгая величина неизотэрмкчности в значительной степени определяется неравномерным распределением ксн-* тактного термического сопротивления мезду источником тепла и плитой.

Результаты работы в виде ряда технических решений по конструкциям элементов ДФК КН, экспериментальных и расчетных данных по их характеристикам использована' в НПО "Прикладной механики" при проектировании систем теплового регулирования автономных приборов космических, аппаратов и системы, предназначенной для назеигай отработки тепловых режимов оборудования.

Основное содержание диссертации опублинозано в работах:

1. Исследование теплопроводности капиллярных структур тепловых труб/ Кускоз Г.В., Майданик Ю.О., Пастухов В.Г.// Термодинамические свойства метастабильных систем и кинетика фазовых превращешй.-Свердловск: УЩ АН СССР. 1935.'с.71-79.

2. Пастухов В.Г., Майданив Ю.О., Серштатер Ю.Г. Исследования рабочих характерней® водяной "антигравитационной" тепловой трубы большой длины.// Известия АН СССР - Энергетика и транспорт. -1987.

М. С.142-146.

3. Контурные тепловые трубы: разработка, исследование, элементы инженерного расчета/ Ыайданик Ю.Ф., Ферштатер Ю.Г., Пастухов В.Г.

// препринт. - Свердловск: УрО АН СССР. 1989. 51 С.

4. Разработка и исследования двухфазных теплопередающих контуров с капиллярной прокачкой теплоносителя/ Пастухов В.Г., Майда-яик Ю.Ф.", и др.// Институт теплофизики УрО АН СССР. Свердловск; 1989. 20 С. Деп. в ВИНИТИ. 16.01.89.-Jt 725-Б89.

.5. Гидродинамика коллекторных конденсаторов контурных тепловых труб/ Ферштатер Ю.Г..Пастухов В.Г.,Майданик Ю.Ф.//сб. Тепловые трубы и тепловые насосы: Минск, АНК ИТМО им. А.В. Лыкова, АН FB. 1991. C.I2I-I30.

6. Development, analytical and experimental Investigation oí loop heat pipes/ Maidanlk Yu.F., Fershtater Yu.G. .Pastukhov V.G., et al.//Prep. Tth Int. Heat Pipe Conl. Minsk, USSR. 1990.-D21P.

7. Thermoregylatlon of loops with capllary pumping ior space use/ Maidanlk Yu.F., Fershtater Yu.G..Pastukhov V.G., et al.// Prep. 22th Int. Coni.on Environmental Systems. Seattle, USA. 1992. Pap. 921169. 6 p. 1 .

8. Development and Investigation oí two-phase loops with high-pressure capillary pumps lor spase application/ Maidanlk Yu.F., Fershtater Yu.G..Pastukhov V.G., et al.// Prep. 8th Int. Heat Pipe Coni.-Beijing, China. 1992. Pap. C2. Tp.

9. Experimental and theoretical investigation oí startup regimes oí two-phase capillary pumped loops./ Fershtater Yu.G..Pastukhov' v.G.,Chernysheva M., Maidanlk Yu.// Prep.-23rd Int. Coni. on Environmental Systems. Colorado Springs, USA, 12-15 July,.1993. Pap

10. A.c. Я 1395927 СССР, МКИ4 F28 DI5/00. Тепловая труба / Ю.Ф.МаЯданик, В.Г.Пастухов. Опубл. 15.05.88; Бюл.Ш8.

11. А.с. А 1560975 СССР, ШШ4 F28 DI5/00. Способ заправки тепловой труби / О.Ф.Майданик, В.Г.Пастухов, В.Ф.Чернышов и др. Опубл. 30.04.90; Бш.Жб,.

' 12. А.с. .«1626798 СССР, (Ш4 F28 DI5/00. Теплопередающее устройство / Ю.О.Майдакик, В.Г.Пастухов, В.Ф.Чернышов и др.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ср - теплоемкость, Дк/кг-К; С - объемный расход, л/час; g - массовый расход, кг/с; р -плотность, кг/м3; Ха- эффективная теплопроводность смоченной КС, Вт/м-К; % - время, с; q - плотность теплового потока, Вт/м2; Q - тепловой поток, Вт; Т - температура,°С; L -тепло- 18 -

та фазового перехода, Дж/кг; г1, г2 - внутренний и наружный радиус капиллярной структуры; я - масса заправляемого теплоносителя, кг;

V - объем; - суммарный объем контура; Рк та2- максимальное капиллярное давление; 2ДР - сумма потерь давления во внешнем относитель-

1 гл л

но КС контуре; 2ДР^- суммарные потери давления; р = — [д~~Т~]р ~ коэффициент объемного -расширения жидкости; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м%; 5К0НД- поверхность конденсации, м2; АГН - нуклеа-ционный перегрев жидкости,"С. Индексы: ст - стенка КН, по - полость КН, п - пар, к - жидкость, в - насыщение, к - конденсатор, пп - паропровод, охл - охлаждение.■

Редакционно-нздагельский отдел УГГУ-УШ 620002, Екатеринбург, УГГУ-УПИ, 8-й учебный корпус Ротапринт УГГУ-УШ1. 620002, Екатеринбург, ЛТУ-УПИ, 8-2 уч.корпус

Бумага

Уч.-изд.л. 1,01

подписано'в печать 02.02.94

Тирак 100

Плоская печать

Формат 60x84 I/I6 ъ Усл.п.л. 1,13

Заказ 53 Бесплатно