Введение к работе
Актуальность проблемы. В свое время Карно установил, что КПД идеальной тепло-эй машины не зависит от свойств рабочего тела. Однако, последующие исследования оказали, что как принципиальные схемы реальных машин так и их энергетическая эф-ективность в значительной мере зависят от этих свойств. В настоящей диссертации іновное внимание уделяется проблеме использования образующихся в контуре маши-ы твердых рабочих тел, изучению их теплофизических свойств, и, в частности, доказы-ается, что путем активизации процессов образования и обеспечения длительного суще-гвования особой формы капиллярно-пористой структуры в твердой фазе возможно соз-ание холодильных и криогенных машин непрерывного действия, в контуре которых абочее тело претерпевает фазовые превращения «пар - жидкость - твердое тело - пар», анее это не допускалось и считалось, что появление твердой фазы ведет к прекраще-ию циркуляции и остановке машины. Последнее накладывало существенное ограниче-ие на выбор рабочего тела, температурные уровни, энергетическую эффективность и ругие теплотехнические характеристики холодильных и криогенных машин.
Таким образом, актуальность рассмотренной проблемы определяется тем, что ее ешение позволяет создать новое поколение машин, в которых допускается переход ра-очего тела в твердое состояние, а также позволяет расширить число используемых ра-очих тел.
Связь работы с научными программами. Диссертационная работа выполнена в рамах плана госбюджетных НИР Министерства образования Украины на 1997-1999 гг., шфр НИР: ВИК-97/3, название - «Исследование условий образования подвижных ка-иллярно-пористых структур в твердых хладагентах, их термодинамических и теплофи-нческих свойств» (Приказ Министерства образования Украины от 13.02.97., №37).
Работа также в свое время выполнялась в соответствии с распоряжением Прези-иума АН СССР на 1988 г. в рамках НИР «Квант», гос. per. № 01880071450, название -Разработка и исследование охладителей ФЭУ и матриц ПЗС».
Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является разработка ового научного направления в области холодильной и криогенной техники, связанного созданием сублимационных холодильных машин, в контуре которых рабочее тело мо-сет переходить в твердое состояние в виде особой динамической капиллярно-пористой груктуры.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
используя двуокись углерода С02 как рабочее тело, теоретически и эксперименталь-о исследовать условия и процессы возникновения и длительного существования в конуре холодильной машины твердой фазы хладагента с динамической капиллярно-ористой структурой (КПС), изучить ее специфические особенности, теплофизические войства, происходящие в ней процессы тепломассопереноса;
определить характер взаимодействия и взаимовлияния структуры и проходящих че-ез нее тепловых потоков;
разработать конструктивные элементы холодильных и криогенных машин, обеспечи-ающие возникновение и существование пористой твердой фазы без нарушения цирку-яции, а также реализующие ее многофункциональные возможности;
- изготовить и экспериментально исследовать опытные образцы, определить рацио нальные области применения холодильных машин, работающих с твердым хладагентом.
Научные положения, доказываемые в работе.
-
Обнаруженный в контуре холодильной машины эффект образования пористой струк туры твердого хладагента, сопровождающийся процессами кристаллизации и сублима ции на ее границах, и определение условий длительного существования структуры, по зволяют снять запрет на возникновение твердой фазы и создать непрерывно действую щие машины, в которых рабочее тело осуществляет фазовые переходы «пар - жидкость твердое тело - пар».
-
При теоретическом анатазе процессов структурообразования и исследовании тепло массопереноса капиллярно-пористую структуру твердого хладагента целесообразю представить в виде множества расположенных в твердом скелете независимых микрока пилляров, которые могут рассматриваться как открытые тепловые трубы с сосредото ченными и распределенными источниками и стоками тепла и массы, функционирующи ми в зонах дросселирования, испарения, конвективного переноса и десублимации.
-
Структура и теплофизические параметры капиллярно-пористого твердого хладагент обладают свойствами самоорганизации и саморегулирования, которые выражаются том, что она самостоятельно приводит в соответствие тепловую нагрузку, расход и гео метрические параметры блока твердого хладагента.
-
Интенсивный тешюмассоперенос в подвижной капиллярно-пористой структуре твер дого хладагента обеспечивает высокие значения ее эффективной теплопроводности.
-
Многофункциональный характер капиллярно-пористой структуры твердого хладаген та позволяет в одном конструктивном узле решить задачи разделения полостей высоког и низкого давления, создания эффективного рекуперативного теплообменника, регул» руемого дросселя и теплообменника нагрузки.
Научная новизна и научные результаты.
-
Впервые получены экспериментальные данные, позволившие установить основны качественные закономерности процессов возникновения и длительного существовани твердой фазы рабочего тела на газопроницаемой поверхности, расположенной в контур холодильной машины.
-
Разработана теория процессов образования и существования подвижной катиищ но-пористой структуры твердого хладагента в контуре холодильной машины.
-
Выявлены новые закономерности изменения структуры, геометрии и эффективно теплопроводности пористого твердого хладагента в зависимости от интенсивности прс цессов кристаллизации и сублимации на его границах, а также определены критически значения тепловых потоков, выше которых структура теряет способность саморегулирн вания.
-
Определены экспериментальные тепловые, температурные, динамические, гидра] лические и габаритно-массовые характеристики открытых баллонно - сублимационнь охладителей (БСО).
-
Впервые получены опытные данные по теплообмену при сублимации С02 в узы щелях пористого газопроницаемого теплообменника в условиях, когда твердый блс хладагента прижат к поверхности сублимации разностью давлений.
5 Достоверность научных результатов, научных положений и практических рекомен-[аций подтверждена удовлетворительным согласованием расчетных и эксперименталь-[ых теплотехнических и габаритно-массовых характеристик опытных образцов БСО, а акже хорошим совпадением теоретических и опытных температурных полей в хлада-енте.
Практическое значение работы.
-
Разработанные в диссертации теория образования и существования капиллярно-ористой структуры в контуре холодильной машины, расчетные соотношения для опре-еления рабочих характеристик охладителей, а также программы и алгоритмы позволи-и создать простые и достаточно точные инженерные методы проектирования баллонно сублимационных охладителей открытого типа.
-
Полученные экспериментальные рабочие характеристики опытных образцов субли-[ационных охладителей могут использоваться как основной материал при их разработке
определении рациональных областей применения.
3. Предложены способ работы, схемы и конструктивные узлы разомкнутых и непре-
ывно действующих сублимационных холодильных машин, в которых происходят фазо-
ые переходы «пар - жидкость - твердое тело-пар».
4. Опытные образцы БСО успешно использованы при выполнении НИР - «Разработка
исследование охладителей ФЭУ и матриц ПЗС», входящей в план бывшей АН СССР
гос. per. № 01880071450, УДК 536.48,621.596).
Апробация работы.
Основные положения и результаты исследования изложены в 36 печатных работах,
том числе доложены на десяти проходивших в США, Англии, Нидерландах, Италии,
[ндии, Португалии и Чехии Международных конференциях, из которых б опубликова-
ы в трудах конференций и 5 представлены в виде тезисов, а также на 10-и конференци-
х, проходивших в Украине и странах СНГ.
Личный вклад автора подтверждают 22 самостоятельные научные публикации. В их изложены теоретические модели, математическое описание и результаты экспери-ентальных исследований опытных образцов охладителей, в которых хладагент приоб-етает твердую пористую структуру.
Структура и объем работы.