Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”

Хайрнасов Сергій Манісович

УДК 536.248.2

ТЕПЛОГІДРАВЛІЧНІ ПРОЦЕСИ

В КонтурнИХ тепловИХ трубАХ з капілярним насосом на основі оксиду алюмінію

05.14.06 – Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі атомних електричних станцій та інженерної теплофізики Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Письменний Євген Миколайович,

НТУУ „КПІ”, декан теплоенергетичного факультету НТУУ “КПІ”, завідувач кафедри атомних електростанцій та інженерної теплофізики НТУУ “КПІ”

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор,

академік НАН України

Мацевитий Юрій Михайлович,

Інститут проблем машинобудування

ім. А. М. Підгорного НАН України,

директор

кандидат технічних наук, доцент

Косой Борис Володимирович,

Одеська державна академія холоду,

доцент кафедри технічної термодинаміки

Провідна установа: | Інститут технічної теплофізики НАН України,

м. Київ

Захист дисертації відбудеться „16” грудня 2003 р. о 15 годині на засіданні вченої ради Д26.002.09 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 5, аудиторія 307.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий „___” ______________р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.І. Коньшин

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема ефективної передачі теплової енергії і забезпечення оптимальних теплових режимів радіоелектронної апаратури, космічних апаратів, блоків електронно-обчислювальних машин, холодильної техніки, теплообмінного устатковання для малої енергетики, нетрадиційних та поновлюваних джерел енергії є актуальною у зв'язку з підвищенням вимог до зниження металоємності, габаритів і вартості зазначенного обладнання. На даний час до одних з ефективних теплопередавальних пристроїв, що складають основу систем забезпечення теплових режимів різноманітних апаратів, відносяться теплові труби.

Однак, слід відзначити, що в системах термостабілізації та охолодження об'єктів, які рухаються з прискоренням або у яких існує необхідність функціонування теплових труб при довільній орієнтації у полі сили тяжіння чи передавання значних теплових потоків, їх використання обмежене. В таких системах охолодження є перспективним застосування контурних теплових труб (КТТ).

Існуючий рівень розвитку технологій КТТ не дозволяє забезпечити їх повного використання, що в першу чергу обумовлено складністю досягнення надійності їх роботи. Для вирішення задач забезпечення надійності, підвищення ефективності та технологічності, а також зниження вартості КТТ необхідні конструкції, складені з доступних і високотехнологічних елементів. При цьому важливими є дослідження теплотехнічних і ресурсних характеристик, як самих конструкцій КТТ, так і їх складових елементів, зокрема капілярної структури (КС) *.

Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації тісно пов’язана з тематикою фундаментальних і прикладних досліджень, що проводяться кафедрою АЕС та ІТФ НТУУ “КПІ” у напрямку розробки високоефективних теплопередавальних систем алюмінієвих теплових труб і є складовою наступних науково-дослідних робіт:

1.

2. | № 0102U000310 “Створення спеціальних низькотемпературних теплових труб як складової частини комбінованої системи охолодження ІЧ-техніки виробів мобільного призначення“ з КП ”ЦКБ ”Арсенал” за програмою науково-дослідних робіт Міністерства промислової політики України в рамках Державної науково-технічної програми “Програма розвитку найбільш конкурентоспроможних напрямків мікроелектроніки в Україні”;

№ 0100U002018 “Теоретичні обґрунтування і створення нових капілярних структур та методів підвищення ефективності алюмінієвих випарювально - конденсаційних систем, що забезпечують економію

__________________________________________________

* Дисертаційна робота виконана при консультаційній допомозі

к.т.н. Рассамакіна Б.М. та к.т.н. Ніколаєнко Ю.Є. |

енергетичних і матеріальних ресурсів у екологічно чистих технологіях” за координаційним планом науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення теплової ефективності, надійності та покращення технологічних і вартісних показників КТТ шляхом використання в їх конструкціях біметалевих елементів і КС на основі оксиду алюмінію та визначення їх гідравлічних і теплових характеристик.

Для досягнення вищевказаної мети необхідно було вирішити такі основні задачі:

1.

2.

3. | Розробити КС на основі оксиду алюмінію, призначену для використання в капілярних насосах КТТ.

Провести експериментальні дослідження структурних, теплофізичних, капілярно-транспортних і міцностних властивостей розроблених КС.

Провести теоретичні та експериментальні дослідження теплових процесів в КТТ, капілярні насоси яких виготовлено із перспективних КС на основі оксиду алюмінію та розробити методи підвищення ефективності алюмінієвих КТТ.

4.

5. |

Розробити математичну модель процесів теплоперенесення для аналізу температурного поля корпуса КТТ.

Розробити рекомендації щодо інженерних розрахунків та технології виготовлення алюмінієвих КТТ.

Об’єктом дослідження є капілярні структури, контурні теплові труби.

Предметом дослідження є властивості капілярних структур, теплогідравлічні процеси в контурних теплових трубах.

Методи дослідження. Наведені у роботі наукові результати отримані шляхом експериментального дослідження властивостей КС та теплотехнічних характеристик КТТ на розроблених установках та стандартних приладах. При дослідженні властивостей КС використані наступні методи: для пористості та розподілу пор за розмірами – метод ртутної порометрії (прилад “ПорСайзер 9300”); для максимального діаметру пор та максимального капілярного тиску – метод витиснення рідини; для крайових кутів змочуваності – метод розроблений автором; для рідинної проникності – метод наведений у “ГОСТ 25283-82. Метод определения проницаемости газов и жидкостей”; для каркасної та ефективної теплопровідностей – методи квазістаціонарний динамічний (прилад “?-400”) і монотонного нагрівання (прилад “ИТЭМ-1”). Границя міцності при стисненні досліджувалась на установці “ТИРАТЕСТ 2150 R 16/88”. Дослідження теплотехнічних характеристик зразків КТТ при різних їх орієнтаціях у полі сили тяжіння проводились на створеному експериментальному стенді з інформаційно-вимірювальною системою. Вивчення теплових та гідравлічних процесів у КТТ проводились на

візуалізаційних двофазних контурах з капілярним прокачуванням теплоносія. Рішення математичної моделі одержано кінцево-різницевим методом та реалізовано на мові програмування Delрhi.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1.

2.

3.

4. | Вперше проведені, проаналізовані та узагальнені результати досліджень структурних, теплофізичних, капілярно-транспортних та міцностних властивостей розроблених КС на основі оксиду алюмінію, призначених для використання в капілярних насосах КТТ.

Вперше проведені комплексні експериментальні дослідження теплотехнічних характеристик КТТ з капілярними насосами, в яких застосовувались розроблені КС.

Розроблені методи підвищення ефективності алюмінієвих КТТ за результатами проведення фізичного моделювання теплових процесів в зоні випаровування КТТ;

Розроблено нову двомірну математичну модель процесів теплоперенесення для аналізу температурного поля корпуса КТТ.

Матеріал дисертації розширює аспекти наукових знань про теплові процеси в КТТ, зокрема в алюмінієвих. Виконана робота відкриває перспективи розроблення і виготовлення надійних та високотехнологічних КТТ.

Практичне значення результатів роботи. Проведені дослідження можуть бути використані при організації виробництва КТТ, а також для обґрунтування технічних рішень при проектуванні різноманітних систем терморегулювання радіоелектронної апаратури, космічних апаратів, блоків електронно-обчислювальних машин, холодильної техніки та теплообмінного устатковання для малої енергетики. Розроблена технологія виготовлення та нова конструкція алюмінієвої КТТ, які дозволяють забезпечити їх надійну роботу та підвищити теплову ефективність. Впровадження КТТ з капілярними насосами на основі оксиду алюмінію дозволить підвищити надійність і знизити вартість систем терморегулювання.

Результати роботи використані КП “ЦКБ “Арсенал” при проектуванні систем термостабілізації оптико-електронних приладів, які функціонують в умовах реверсування теплових потоків і підтверджені актом та висновками про впровадження розробки.

Особистий внесок здобувача. Наукові результати, які наведені у дисертаційній роботі, отримані особисто автором або при його безпосередній участі.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідались на Міжнародному семінарі “Теплотехніка-98” (м. Київ, травень 1998 р.), 11-th International Heat Pipe Conference (Japan, Tokyo, September 1999), 2-th Workshop “Non-compression Refrigeration & Cooling” (Ukraine, Odessa, October 2001), 12-th International Heat Pipe Conference (Russian, Moscow, May 2002).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в дев’яти друкованих працях, у тому числі шість у спеціальних фахових виданнях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 89 найменувань та 4 додатків. Основний зміст роботи викладений на 129 сторінках, у тому числі 51 рисунок та 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та завдання її вирішення.

У першому розділі розглядається сучасний стан розроблення КТТ – високоефективних теплопередавальних пристроїв, які мають широкі можливості використання у техніці та технологіях. В сучасних конструкціях КТТ використані результати наукових досліджень відомих вчених В.М.Кісєєва, Ю.Ф.Майданика, К.А.Гончарова, Г.Ф.Смірнова, В.М.Сасіна, А.A.M.Delil, J.Кu та інших.

У сучасних конструкціях КТТ найбільш розповсюджено використання КС, виготовлених на основі порошків титану і нікелю (табл. 1).

Таблиця 1

Властивості КС на основі титанових і нікелевих порошків

Мате-ріал по-рошку | Порис-тість, П | Середній діаметр пор,

dс, мкм | Проник-ність, К,

10-12, м2 | Теплопровід-ність, ?, Вт/м·К | Границя міцності при стиску, ?с, МПа

Титан | 0,42 – 0,60 | 5,2 - 10,0 | 0,25 - 0,72 | 1,42-2,45 (20 оС) | 20-40

Нікель | 0,53 – 0,73 | 1,0 - 2,2 | 0,09 - 0,41 | 1,78-4,08 (20 оС)

До теперішнього часу досліджена значна кількість конструкцій КТТ, які можуть функціонувати залежно від конструкції при температурах від -190 до +150 0С і мають термічний опір менше 0,1 К/Вт. Але це окремі експериментальні зразки чи зразки для спеціальної та космічної техніки.

Аналіз стану розвитку КТТ свідчить, що: не вирішені питання підвищення надійності КТТ; недостатньо вивчені процеси в КТТ з капілярними структурами на основі технологічних і доступних порошків оксидів та карбідів; не вивчені проблеми низької ефективності КТТ з високотеплопровідним матеріалом корпусу і не визначені шляхи їх

вирішення; не вирішені питання отримання розрахунку температурного поля корпусу КТТ. Вирішення наведених наукових проблем повинно створити надійну технологічну базу для впровадження КТТ у серійне виробництво.

У другому розділі розглянуті: дослідні зразки КС на основі оксиду алюмінію, експериментальні установки і методика дослідження структурних, теплофізичних, капілярно-транспортних і міцностних характеристик таких КС; дослідні зразки КТТ, експериментальна установка і методика дослідження теплотехнічних характеристик КТТ.

Для використання в КТТ було отримано КС - високопористу оксидну кераміку на основі ультрадисперсного порошку оксиду алюмінію із середнім розміром часток 0,5 ,0 мкм та дрібнодисперсного порошку оксиду алюмінію із середнім розміром часток 5  мкм. Для дослідження основних теплотехнічних характеристик КТТ з капілярним насосом на основі оксиду алюмінію були розроблені та виготовлені експериментальні зразки циліндричних КТТ (табл. 2) за конструкційною схемою, наведеною на рис.1.

Таблиця 2

Характеристики дослідних зразків КТТ з КС

Характеристика | Дослідні зразки КТТ

КТТ-С1 | КТТ-С2 | КТТ-С3 | КТТ-С4 | КТТ-А1 | КТТ-А2 | КТТ-А3

Матеріал корпусу | 10H

12X9T | 10H

12X9T | 10H

12X9T | 10H

12X9T | АД31 | АД31 | АД31

Матеріал КС | Аl2O3 | Al2O3 | Al2O3 | Al2O3 | Al2O3 | Al2O3 | Al2O3

Наявність теплового затвора | немає | немає | немає | немає | немає | є | немає

Довжина зони випаровування (Lв), м | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,02 | 0,05 | 0,03 | 0,03

Довжина зони конденсації (Lк), м | 0,15 | 0,15 | 0,20 | 0,20 | 0,25 | 0,07 | 0,07

Діаметр випарника (dв), м | 0,012 | 0,012 | 0,012 | 0,012 | 0,015 | 0,012 | 0,012

Діаметр парового каналу (dпк), м | 3·10-3 | 3·10-3 | 2·10-3 | 2·10-3 | 3·10-3 | 3·10-3 | 3·10-3

Діаметр рідинного каналу (dрк), м | 1,6·10-3 | 1,6·10-3 | 1,6·10-3 | 1,6·10-3 | 3·10-3 | 2·10-3 | 2·10-3

Довжина зони теплопередачі (L), м | 0,125 | 0,125 | 0,270 | 0,270 | 0,250 | 0,125 | 0,125

Тип конденсатора | Труба | Труба | Труба | Труба | Коаксіал | Коаксіал | Коаксіал

Пористість КС (П) | 0,64 | 0,64 | 0,64 | 0,63 | 0,69 | 0,64 | 0,64

Максимальний діаметр пор КС (dмакс),м | 11,1·10-6 | 11,1·10-6 | 10,6· 10-6 | 9,6·10-6 | 14,9·10-6 | 10,3·10-6 | 10,3·10-6

Проникність КС (К), м2 | 3,6 10-14 | 3,6 10-14 | 4,1 10-14 | 2,2 10-14 | 4,8 10-14 | 1,9 10-14 | 1,9 10-14

Ефективна теплопровідність КС (еф), Вт/мK (t=250С, ацетон) | 2,2 | 2,2 | 2,3 | 2,0 | 1,7 | 2,4 | 2,4

Рис.1. Основні елементи конструкції дослідних зразків КТТ: 1 – випарник; 2 – капілярний насос; 3 – конденсатор; 4 – компенсаційна порожнина; 5 – паровий канал; 6 – рідинний канал.

Автором запропонована нова методика визначення крайових кутів змочуваності на основі отриманих результатів по максимальному капілярному тиску методом витиснення рідини. Такий підхід дає можливість отримувати значення крайових кутів змочуваності для реальних КС з різними рідинами.

Для проведення експериментальних досліджень теплотехнічних характеристик КТТ було розроблено експериментальний стенд з інформаційно-вимірювальною системою [1], конструкція якого дозволяє враховувати особливості вимірювання теплотехнічних характеристик КТТ при заданих умовах її функціонування.

Третій розділ роботи присвячений результатам дослідження структурних, капілярно-транспортних, теплофізичних, міцностних характеристик розробленої КС та теплотехнічних характеристик КТТ і алюмінієвих КТТ, в капілярних насосах яких використовувались КС на основі оксиду алюмінію.

Типові функції розподілу пор за розмірами для КС КТТ, наведені на рис.2.

Рис.2. Інтегральна та диференційна криві розподілу пор за розмірами (d, мкм) для дослідної КС: а - з дрібнодисперсного порошку оксиду алюмінію; б - з ультрадисперсного порошку оксиду алюмінію.

За результатами експериментальних досліджень розподілу пор за розмірами для КС КТТ (рис.3) були отримані емпіричні залежності, які з похибкою ±18% дозволяють оцінювати максимальні (мінімальні) значення діаметрів пор від пористості КС:

- із дрібнодисперсного порошку оксиду алюмінію у діапазонах dмакс = 7 -18 мкм і dс = 2 - 6 мкм:

, (1)

, (2)

де П – пористість КС;

- із ультрадисперсного порошку оксиду алюмінію у діапазонах dмакс = 0,35 – 0,75 мкм і dс = 0,20 – 0,32 мкм:

, (3)

. (4)

Аналіз даних показав, що рідинну проникність можна розраховувати по відомій формулі з похибкою ± 20% для КС із дрібнодисперсного порошку оксиду алюмінію у діапазонах К = (2,4 – 12,6) · 10-14 м2 і КС із ультрадисперсного порошку оксиду алюмінію у діапазонах К = (0,015 – 0,045) • 10-14 м2

, (5)

де dеф – ефективний діаметр пор КС, м.

Рис. 3. Залежність максимального та середнього діаметрів пор від пористості КС:

а - на основі дрібнодисперсного порошку оксиду алюмінію; б – на основі ультрадисперсного порошку оксиду алюмінію; 1 – максимальний діаметр пор (dмакс); 2 – середній діаметр пор (dс); 3 – розрахунок максимального діаметра пор КС по (1) і (3); 4 – розрахунок середнього діаметра пор КС по (2) і (4).

На рис.4 наведені залежності безрозмірного коефіцієнта проникності (Ккс/dс2) від пористості розроблених КС.

Більш рівномірна структура КС з ультрадисперсного порошку оксиду алюмінію (рис.2) забезпечує більш високе значення Ккс/dс2 в порівнянні з КС на основі дрібнодисперсного порошку оксиду алюмінію.

Рис.4. Залежність безрозмірного коефіцієнта проникності від пористості КС: 1 – для КС з дрібнодисперсного порошку оксиду алюмінію; 2 – для КС з ультрадисперсного порошку оксиду алюмінію.

У табл.3 наведені узагальнені результати дослідження максимального капілярного тиску та крайових кутів змочуваності.

Таблиця 3

Результати дослідження максимального капілярного тиску та крайових кутів змочуваності

Робоча рідина | Тип порошку оксиду алюмінію, з якого виготовлена КС | dmax · 10 6, м | Дру, кПа | cos И

Метиловий спирт | Дрібнодисперсний | < 17,8 | > 5,5 | 0,95 - 1,00

Ультрадисперсний | < 1,1 | > 78,0

Етиловий спирт | Дрібнодисперсний | < 17,8 | > 5,0 | 0,92 - 0,98

Ультрадисперсний | < 1,1 | > 77,0

Ацетон | Дрібнодисперсний | < 17,8 | > 5,0 | 0,92 - 0,99

Ультрадисперсний | < 1,1 | > 80,0

Фреон 113 | Дрібнодисперсний | < 17,8 | > 4,0 | 0,88 – 0,94

Ультрадисперсний | < 1,1 | > 42,0

Дистильована вода | Дрібнодисперсний | < 17,8 | > 15,5 | 0,93 – 0,99

Ультрадисперсний | < 1,1 | -

За результатами експериментальних досліджень каркасної (кр) та ефективної (еф) теплопровідностей КС (рис.5) можна рекомендувати наступні залежності для їх розрахування:

- для КС з дрібнодисперсного порошку оксиду алюмінію з вихідним розміром часток 5 - 10 мкм у діапазонах лкр = 1,0 – 2,3 Вт/м•К і ?еф = 1,2 – 4,3 Вт/м•К з похибкою до ±10%:

, (6)

, (7)

де лм, лр – теплопровідності вихідного матеріалу та робочої рідини, Вт/м·К;

- для КС з ультрадисперсного порошку оксиду алюмінію з вихідним розміром часток 0,5 – 1,0 мкм у діапазонах ?кр = 0,7 – 1,6 Вт/м•К і ?еф = 0,8 – 3,2 Вт/м•К з похибкою до ±15%:

, (9)

. (10)

Рис.5. Залежність теплопровідностей кр та еф від виду робочої рідин і пористості та їх розрахункове значення:

а - для КС на основі дрібнодисперсного порошку оксиду алюмінію по (6), (7); б – для КС на основі ультрадисперсного порошку оксиду алюмінію по (8), (9); 1, 2 – теплопровідність кр КС; 3, 4 – теплопровідність еф КС, насиченої фреоном 113; 5, 6 – теплопровідність еф КС, насиченої ацетоном; 7, 8 – теплопровідність еф КС, насиченої метиловим спиртом; 9, 10 –теплопровідність еф КС, насиченої дистильованою водою; 11 – розрахункове значення теплопровідності еф КС, насиченої аміаком.

При дослідженні границі міцності при стисненні КС (ус) в діапазоні П = 0,55 - 0,75 були отримані наступні значення:

1. Для КС з дрібнодисперсного порошку оксиду алюмінію ус = 10 - 16 МПа.

2. Для КС з ультрадисперсного порошку оксиду алюмінію ус = 20 - 34 МПа.

За результатами експериментальних досліджень теплотехнічних характеристик КТТ (рис. 6, 7) можна зробити наступні висновки:

1. |

Експериментальні дослідження показали працездатність КТТ з капілярним насосом на основі оксиду алюмінію.

Рис.6. Термічний опір зразків КТТ-С3 з робочою рідиною ацетоном при перевищенні зони випаровування над зоною конденсації h = 0,3 м і температур у зоні випаровування (tв): 33 оС, 47 оС, 57 оС.

Рис.7. Температурне поле уздовж корпуса зразків КТТ при передавальній тепловій потужності Q = 30 Вт: 1 – КТТ-С2 (ацетон); 2 – КТТ-С1 (аміак); 3 – КТТ-А2 (ацетон); 4 – КТТ-А1 (ацетон); 5 – КТТ-С3 (дистильована вода); КП – компенсаційна порожнина.

Отримані результати теплотехнічних характеристик КТТ з новою КС в стаціонарних та динамічних умовах їх функціонування, виявлені і апробовані закономірності формування температурного поля КТТ в діапазоні робочих температур t = 10 – 150 оС з робочими рідинами: аміак, ацетон, метиловий спирт, фреон 113, дистильована вода. В діапазоні t = 10 - 70 оС можна рекомендувати в якості робочої рідини аміак; в діапазоні t = 70 - 150 оС – дистильовану воду.

2.

3.

4. | Максимальний тепловий потік, що передається, дослідними зразками КТТ з робочою рідиною ацетон більше 90 Вт. Для розрахування максимальних теплових потоків, що передаються КТТ, можна рекомендувати відому модель В.М.Кісєєва.

Дослідження мінімальних теплових потоків, які передаються КТТ, показали, що мінімальне їх значення у КТТ з аміаком, в якості робочої рідини, дорівнює 2 - 3 Вт; з ацетоном – 8 -10 Вт.

Дослідження впливу на теплотехнічні характеристики КТТ матеріалу корпуса випарника підтвердили, що тепловий вплив зони випаровування на компенсаційну порожнину найбільш критичним для мініатюрних КТТ і КТТ у корпусі випарника яких використовується матеріал з високою теплопровідністю. Експериментальні дослідження КТТ з відносно невеликою відстанню між випарником і конденсатором показали, що використання алюмінієвих сплавів у якості корпусу КТТ без ефективного теплового затвора [6] не може бути виправданим з точки зору отримання мінімального термічного опору КТТ (рис.7).

У четвертому розділі приведена двомірна математична модель температурного поля корпуса КТТ. Схема двомірної моделі теплоперенесення в КТТ показана на рис.8.

Рис.8. Схема двомірної моделі теплоперенесення в КТТ: а – схема теплоперенесення у КТТ; б – тепловий баланс для циліндричного елемента КТТ (випарника).

Математична модель створена при наступних основних припущеннях: КС у зоні випаровування КТТ цілком насичена робочою рідиною; паровий канал КТТ вільний від рідини; пара знаходиться в стані насичення; стінка корпусу є конструктивним елементом зон КТТ, по якій здійснюється перенесення теплоти теплопровідністю уздовж осі r та кута ?; КТТ функціонує в дограничних режимах.

Система диференційних рівнянь з частними похідними (10) - (15), що описує характер формування стаціонарного температурного поля корпуса КТТ і отримана на основі балансу теплових потоків (рис.8, б) для циліндричних елементів КТТ (рис.8, а), має вид:

- випарник (i = 1):

; (10)

- паровий канал (i = 2):

; (11)

- конденсатор (i = 3):

; (12)

- рідинний канал (i= 4), компенсаційна порожнина (i = 5),

тепловий затвор (i = 6):

. (13-15)

У формулах (10-15):

i – елемент КТТ; коефіцієнти ; ; - характеризують вплив геометричних параметрів і теплофізичних властивостей теплоносія і матеріалу стінки корпуса; Сі – питома теплоємність, Дж/кг.К; сi – щільність, кг/м3; лi – коефіцієнт теплопровідності, Вт/м.К; Fil, Fir – площа поперечного та повздовжнього перерізів, м2; бі – коефіцієнти тепловіддачі в зонах КТТ, Вт/м2•К; бо.і – коефіцієнти тепловіддачі між охолодженим середовищем і корпусом КТТ у зонах конденсації, рідинного каналу, компенсаційної порожнини та теплового затвора, Вт/м2.К; Тсті, Тп, То, Тр – температури стінки елементів КТТ, пари, навколишнього середовища, рідини, К.

Замикаюче інтегральне рівняння для температури пари (16) має вид

. (16)

Гідродинамічна умова функціонування КТТ (17)

, (17)

де ?Ткн – різниця температур між внутрішньою поверхнею стінки випарника та рідини у компенсаційній порожнини, К; Тs – температура насичення, К; рп – тиск пари, Па; Др – величина, яка складається із декількох складових: гідростатичного тиску; гідравлічних опорів в паровому каналі, конденсаторі, рідинному каналі і компенсаційної порожнини, що залежать від передавального теплового потоку, геометричних характеристик КТТ і теплофізичних властивостей робочої рідини.

Початкові умови на поверхні КТТ: . (18)

Аналіз результатів розрахування стаціонарного температурного поля корпусу КТТ (рис.9) показав, що розроблену двомірну математичну модель можна використовувати:

1.

2.

3. |

При розрахуванні температурного поля корпусу КТТ в докритичних областях її функціонування.

Для оцінювання ступеня перегріву компенсаційної порожнини в заданому режимі роботи КТТ та вибору (при необхідності) теплового затвора алюмінієвих КТТ.

Для оцінювання ізотермічності випарника, компенсаційної порожнини та конденсатора при нерівномірному підведенні (відведенні) теплоти.

У п’ятому розділі наведено методику розрахування теплотехнічних характеристик КТТ, розроблену за результатами комплексних досліджень зразків КТТ і узагальнення даних інших авторів; показано особливості завдань на розрахування і конструювання КТТ у системах забезпечення теплового режиму обладнання.

Рис.9. Результати розрахування двомірної математичної моделі стаціонарного температурного поля корпуса КТТ-С4 з теплоносієм аміак, h = 0,3 м: а - при нерівномірному теплопідведенні (Q (?) = 60 Вт); б - зіставлення результатів розрахування з експериментальними даними; КП – компенсаційна порожнина.

У додатках наведені: інформація про експериментальні зразки КС і КТТ; установки, на яких проводились дослідження; таблиці значень похибок вимірювань; таблиці результатів досліджень; акт впровадження результатів роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертації виконано нове вирішення науково-технічної проблеми, яка полягає в підвищенні теплової ефективності і надійності КТТ за рахунок застосування в їх капілярних насосах високотехнологічних капілярних структур на основі оксиду алюмінію та нових конструкторсько-технологічних рішень алюмінієвих КТТ. Для досягнення вказаних цілей дослідження носили комплексний характер і були спрямовані на узгодження властивостей та характеристик розроблених КС, конструктивних особливостей КТТ з вимогами, що пред’являються до них. Результати теоретичних, експериментальних досліджень теплогідравлічних процесів в КТТ дали можливість підвищити теплову ефективність і надійність алюмінієвих та мініатюрних КТТ, одержати методи розрахунку КТТ з капілярними насосами на основі оксиду алюмінію.

За результатами роботи можна сформулювати наступні основні наукові та практичні висновки:

1.

2.

3.

4.

5.

6. | Вперше досліджені та отримані структурні, капілярно-транспортні, теплофізичні і міцностні властивості розроблених КС на основі оксиду алюмінію: пористості, розподілу пор за розмірами, максимального капілярного тиску, крайових кутів змочуваності, рідинної проникності, каркасної та ефективної теплопровідності, міцності при стисненні в діапазоні пористості П = 0,58 - 0,72. Розроблені КС не поступаються за своїми техніко-технологічними характеристиками відомим зразкам, які застосовуються в капілярних насосах КТТ. При цьому високе відтворення їх характеристик та відносно проста технологія виготовлення дозволять підвищити надійність КТТ при їх виробництві.

В дисертації запропоновані системи залежностей для розрахування:

- максимального і середнього діаметрів пор КС (1) – (4) на основі дрібнодисперсного порошку оксиду алюмінію у діапазонах dмакс = 7 - 18 мкм і dс = 2 - 6 мкм та ультрадисперсного порошку оксиду алюмінію у діапазонах dмакс = 0,35 – 0,75 мкм dс = 0,20 – 0,32 мкм з похибкою ±18 %;

- каркасної та ефективної теплопровідності КС (6) – (9) на основі дрібнодисперсного порошку оксиду алюмінію у діапазонах ?кр = 1,0 – 2,3 Вт/м•К і ?еф = 1,2 – 4,3 Вт/м•К з похибкою ±10 %, та ультрадисперсного порошку оксиду алюмінію діапазонах ?кр = 0,7 – 1,6 Вт/м•К і ?еф = 0,8 – 3,2 Вт/м•К з похибкою ±15 %.

Для розрахування рідинної проникності розроблених КС із дрібнодисперсного порошку оксиду алюмінію у діапазонах К = (2,4 – 12,6) • 10-14 м2 і КС із ультрадисперсного порошку оксиду алюмінію у діапазонах К = (0,015 – 0,045) • 10-14 м2 можна використовувати формулу (5) з похибкою ±20 %.

Вперше досліджені теплотехнічні характеристики КТТ з новими КС в стаціонарних та динамічних умовах їх функціонування в діапазоні t = 10 - 150 оС і з робочими рідинами: аміак, ацетон, метиловий спирт, фреон 113, дистильована вода. Підтверджена можливість використання КС на основі оксиду алюмінію в капілярних насосах КТТ. Термічний опір таких КТТ Rтт менше 0,15 К/Вт при їх заповненні аміаком і при передаваємій тепловій потужності більше 20 Вт.

Виявлені і досліджені фактори, які впливають на зниження надійності та ефективності алюмінієвих КТТ. При цьому визначено, що використання матеріалів з високою теплопровідністю (алюмінієвих сплавів, сплавів міді) в якості корпуса КТТ без ефективного теплового затвора [10] не може бути виправданим з точки зору отримання мінімального термічного опору КТТ. Рекомендовано виготовлення теплового затвора із матеріалів з теплопровідністю не більше 20 Вт/м.К.

Вперше розроблена двомірна математична модель стаціонарного температурного поля корпуса КТТ (10) – (18), яка дозволяє в докритичних областях її функціонування оцінювати ізотермічність: випарника, компенсаційної порожнини і конденсатора при нерівномірному підведенні (відведенні) теплоти.

Запропоновані експериментальна та методологічна бази дослідження властивостей КС, теплотехнічних характеристик КТТ, які можуть бути використані у технологічному процесі виготовлення КТТ.

Розроблена нова технологія виготовлення алюмінієвих КТТ, яка дозволяє забезпечувати їх працездатність, більш високу ефективність та надійність в порівнянні з відповідними аналогами.

Розроблені науково-технічні основи методики конструювання КТТ з розробленими КС на основі оксиду алюмінію та методики проектно-конструкторських та теплових їх розрахунків. Методики апробовані при впроваджені конструкцій КТТ для системи охолодження оптико-електронних приладів для КП ”ЦКБ "Арсенал”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9. |

Хайрнасов С.М., Письменный Е.Н., Николаенко Ю.Е., Рассамакин Б.М. Экспериментальное моделирование контурной тепловой трубы // Тепловые режимы и охлаждение радиоэлектронной аппаратуры .– 1999. - №1. - С. 57-61.

Хайрнасов С.М., Руденький С.А., Николаенко Ю.Е., Письменный Е.Н., Рассамакин Б.М., Кресанов В.С. Исследование характеристик капиллярной структуры на основе алюминия для испарителя алюминиевой контурной тепловой трубы // Тепловые режимы и охлаждение радиоэлектронной аппаратуры .- 2001. - №1. - С. 95-97.

Николаенко Ю.Е., Рассамакин Б.М., Хайрнасов С.М. Контурные тепловые трубы с алюминиевым испарителем для комбинированных систем охлаждения РЭА // Технология и конструирование в электронной аппаратуре .- 2002. - №3. - С. 22-26.

Хайрнасов С.М., Рассамакин Б.М. Экспериментальные исследования рабочих характеристик алюминиевой профильной контурной тепловой трубы // Вісник Українського будинку економічних та науково-технічних знань .- 1998. - №8. - С. 37-38.

Рассамакин Б.М., Гомеля Н.Д., Хайрнасов С.М., Рассамакин А.Б. Исследование рабочих характеристик стальных и алюминиевых двухфазных термосифонов с водой // Промышленная теплотехника .- 2001. - Т.23. - №6. - С. 29-33.

Патент України. Від 10.01.2002. Випарювальна камера теплової труби / Рассамакін Б.М., Хайрнасов С.М., Ніколаєнко Ю.Є., Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., 2002 р.

Rassamakin В.М., Gomelya N.D., Khayrnasov S.M., Rassamakin A.B. Inhibitor Elaboration of corrosion and research of the working characteristics of aluminium thermosyphon operating with water // Proceedings of the 11-th International Heat Pipe Conference, Tokyo, JAPAN, September 12 - 16, 1999.

Rassamakin B.M., Khayrnasov S.M., Rudenkiy S.O., Nikolaenko Yu. Je., Alferova O.V. Results of Test of Aluminum Profiled Loop Heat Pipes // Proceedings of the 2-th Non-compression Refrigeration & Cooling, Odessa, Ukraine, 2001. - Р. 56-60.

Rassamakin B.M., Khayrnasov S.M., Pysmenny Ye. N., Smirnov H.F. Research and Development of Aluminum Loop Heat Pipes Operation Characteristics // Proceedings of the 12-th International Heat Pipe Conference, Moscow, Russia, May, 2002. - Р. 139-143.

У публікаціях [2, 3, 8, 9] автору належать проведення, аналіз та оброблення результатів експериментальних досліджень властивостей КС на основі оксиду алюмінію. У публікаціях [1 - 4, 6, 8 - 9] автору належать розроблення конструкцій дослідних зразків КТТ та проведення і аналіз результатів експериментальних досліджень їх теплотехнічних характеристик. У роботах [5, 7] автору належать проведення та аналіз результатів ресурсних досліджень системи „сплав алюмінію – дистильована вода”.

АНОТАЦІЯ

Хайрнасов С.М. Теплогідравлічні процеси в контурних теплових трубах з капілярним насосом на основі оксиду алюмінію. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. – Національний технічний університет України “КПІ”, Міністерство освіти та науки України, Київ, 2003.

Робота присвячена дослідженням в напрямках підвищення надійності та ефективності алюмінієвих та мініатюрних контурних теплових труб, шляхом використання в їх конструкціях доступних та недорогих матеріалів і елементів, отриманих за допомогою нових технологій. У роботі наведені результати експериментальних досліджень структурних, капілярно-транспортних, теплофізичних та міцностних властивості розробленої високопористої капілярної структури на основі оксиду алюмінію в діапазоні пористості 0,58 - 0,72 та максимальних діаметрів пор dмакс = 0,35 - 18 мкм; теплотехнічних характеристик контурних теплових труб з новою капілярною структурою в діапазоні робочих температур 10 оС - 150 оС. Розроблена нова конструкція алюмінієвої контурної теплової труби та технологія виготовлення, які підвищують їх надійність та ефективність. Наведена нова двомірна математична модель стаціонарного температурного поля корпусу контурної теплової труби.

Ключові слова: теплова труба, контурна теплова труба, капілярна структура, теплообмін, гідродинаміка.

АННОТАЦИЯ

Хайрнасов С.М. Теплогидравлические процессы в контурных тепловых трубах с капиллярным насосом на основе оксида алюминия. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. – Национальный технический университет Украины “КПИ”, Министерство образования и науки Украины, Киев, 2003.

Работа посвящена исследованиям в направлениях повышения надежности и эффективности миниатюрных и алюминиевых контурных тепловых труб, путем использования в их конструкциях доступных и недорогих материалов и элементов, полученных с помощью новых технологий.

В работе приведены результаты экспериментальных исследований структурных, капиллярно-транспортных, теплофизических и прочностных свойств новой высокопористой капиллярной структуры на основе оксида алюминия в диапазоне пористости 0,58 - 0,72 и максимальных диаметров пор dмакс = 0,35 - 18 мкм. Разработанная капиллярная структура по своим характеристикам не уступает известным образцам, полученным из порошков никеля, титана и нержавеющей стали. Предложены эмпирические зависимости для расчета максимальных и средних диаметров пор, каркасной и эффективной теплопроводностей полученной капиллярной структуры.

Приведены экспериментальные результаты теплотехнических характеристик контурных тепловых труб с новой капиллярной структурой в стационарных и динамических условиях их функционирования в диапазоне рабочих температур 10 оС - 150 оС и с рабочими жидкостями: аммиаком, ацетоном, метиловым спиртом, фреоном 113, дистиллированной водой.

Подтверждена возможность использования капиллярной структуры на основе оксида алюминия в контурных тепловых трубах.

Выявлены и исследованы факторы, которые вызывают снижение надежности и эффективности алюминиевых контурных тепловых труб. Разработана новая конструкция алюминиевой контурной тепловой трубы и технология изготовления, которые повышают ее надежность и эффективность.

Приведена двумерная математическая модель стационарного температурного поля корпуса контурной тепловой трубы, которая позволяет в докритических областях ее функционирования оценивать изотермичность испарителя, компенсационной полости и конденсатора при неравномерном подводе (отводе) теплоты.

Ключевые слова: тепловая труба, контурная тепловая труба, капиллярная структура, теплообмен, гидродинамика.

SUMMARY

Khayrnasov S.M. Thermal hydraulic processes inside loop heat pipes, which contains aluminum oxide based capillary pump. –Manuscript.

Thesis for scientific degree of candidate of technical science by specialty 05.14.06 – “Technical thermal physics and industrial heat power engineering”. National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2003.

The work is dedicated to the investigation of miniaturized and aluminum loop heat pipes reliability and efficiency increase by means of accessible and cheap materials and elements application, that can be got according to advanced technologies. Results of experimental research on structural, capillary transfer thermal physical and strength properties of the new developed aluminum oxide made capillary structure are submitted at the work. The aluminum oxide based capillary structure porosity is in 0.58 - 0.72 range and range of maximal pores diameters is 0.35 - 18 micrometers, heat power characteristics of loop heat pipes, which contains capillary structure are in 10 єC ч 150 єC temperature range.

The new design of aluminum loop heat pipe and production technology have been developed. The new developed two-dimensional model of loop heat pipe’s container stationary temperature field is given.

Key words: heat pipe, loop heat pipe, capillary structure, heat exchanger, hydrodynamics.