Введение к работе
Актуальность работы
Проблема теплоэнергосбережения становится с каждым годом все более актуальной для России в связи со снижением запасов топливного сырья, ростом мировых цен на энергоносители, удорожанием разработки месторождений нефги и газа на Севере, износом теплоэнергетического оборудования и рядом других причин. До настоящего времени научные основы сбережения энергетических ресурсов в конкретных системах и установках, использующих тепло, не разработаны.
Одним из перспективных научно-технических направлений, реализация которого может дать значительный эффект является создание систем обеспечения теплового режима в промышленных теплоэнергетических устройствах и в установках, использующих тепло, на базе тепловых труб (ТТ) и термосифонов (ТС). Известны многие варианты возможного применения ТТ в системах теплоэнергосбережения. Но практическая реализация этих вариантов невозможна без достаточно глубокого теоретического исследования и анализа процессов тепло- и мас-сопереноса в тепловых трубах, являющихся элементами систем теплоэнергосбережения. Для рационального использования ТТ необходим аппарат прогнозирования пространственных температурных полей в этих устройствах с учетом основных значимых факторов и физических процессов, протекающих в тепловых трубах в условиях взаимодействия последних с элементами технической системы, в которую они встроены.
При моделировании теплопередачи, учитывающем влияние условий подвода энергии к внешней поверхности тепловой трубы на температурное поле корпуса ТТ, можно оценить эффективность работы тепловой трубы, а также спрогнозировать оптимальные схемы передачи теплоты к ТТ от источника тепловыделения. В реальных же условиях, из-за неоднородности температурного поля, трудно обеспечить равномерную по окружной координате интенсивность подвода тепла в зону испарения ТТ. Поэтому теоретический анализ закономерностей процесса теплопереноса в рассматриваемой системе с учетом изменения условий теплообмена по угловой координате является актуальным.
До настоящего времени также остается открытым вопрос об эффективности применения тепловых труб с корпусами или капиллярными системами из композиционных и керамических материалов. Такие материалы наряду с очевидными недостатками (например, относительно низкая теплопроводность многих композитов) обладают и очевидными достоинствами (например, низкая плотность и хорошая смачиваемость большинства композитов). По этим причинам для объективной оценки целесообразности применения композиционных материалов для изготовления корпусов или фитилей тепловых труб необходим анализ температурных полей в поперечных сечениях ТТ с учетом перетекания тепла по окружной координате в типичных условиях работы.
Цель работы
Целью работы является математическое моделирование температурных полей в поперечных сечениях системы «источник тепловыделения - соединительный элемент - тепловая труба» с учетом основных значимых факторов и процессов.
Основные задачи исследования
-
Численное моделирование процессов теплопереноса в поперечном сечении системы «источник тепловыделения - соединительный элемент - тепловая труба», проходящем через зону испарения хладагента и зону тепловыделения технической системы с учетом основных факторов и процессов, протекающих при работе тепловых труб.
-
Численное моделирование температурного поля термосифона - элемента системы охлаждения высокотемпературных металлургических печей.
-
Анализ влияния неоднородности граничных условий на внешнем контуре ТТ на температурное поле корпуса и фитиля трубы.
-
Анализ тепловых режимов системы «источник тепловыделения - соединительный элемент - корпус тепловой трубы - капиллярная система ТТ» с элементами, изготовленными из композиционных материалов с существенно более низкими коэффициентами теплопроводности по сравнению с алюминием или алюминиевыми сплавами.
-
Анализ влияния условий теплообмена на внешней границе блока «соединительный элемент - тепловая труба» на температурное поле тепловой трубы.
-
Численное моделирование нестационарного двумерного теплопереноса в системе «источник тепловыделения - соединительный элемент - тепловая труба» с учетом наличия термических сопротивлений на границах соединения элементов.
-
Численное моделирование температурных полей ТТ в аварийных режимах работы при наличии участков осушенной поверхности испарения хладагента.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем: 1. Впервые решена двумерная нелинейная нестационарная задача теплопереноса в поперечном сечении системы «источник тепловыделения - соединительный элемент - тепловая труба» при выделении в ТТ корпуса, капиллярной структуры и парового канала с учетом теплового эффекта испарения хладагента^ зависимости скорости испарения от температуры поверхности и давлвния-парвв^-неоМіорбдности теплофизических харак-
теристик области решения, реальной конфигурации каждого элемента рассматриваемой системы и неоднородности граничных условий на внешней поверхности трубы.
-
Впервые установлено, что при проектировании термосифонов, работающих в системах охлаждения высокотемпературных промышленных установок, следует учитывать перепад температур по окружной координате и форму соединительного элемента, который оказывает существенное влияние на температурное поле термосифона.
-
Впервые установлено, что в тепловых трубах с корпусами и капиллярными структурами из металлов или сплавов с высокой теплопроводностью, изменение температуры по окружной координате может не учитываться при анализе процессов в тепловых трубах, а неоднородность граничных условий на внешней поверхности трубы из металлов не оказывает существенного влияния на температурное поле тепловой трубы и интенсивность процесса испарения хладагента в реальном диапазоне изменения параметров.
-
Впервые обоснована возможность применения керамических материалов для изготовления корпусов и фитилей низкотемпературных тепловых труб, что позволяет существенно расширить перечень используемых в тепловой трубе материалов и хладагентов.
-
Проведен анализ влияния на значения характерных температур клеевых соединений между источником тепловыделения и соединительным элементом, а также между соединительным элементом и корпусом трубы. Выявлен характер изменения температур по угловой и радиальной координатам при наличии термических сопротивлений и условий теплообмена на ненагреваемых границах тепловой трубы.
-
Обоснована конструкция соединительного элемента, который может эффективно, по сравнению с другими возможными реальными вариантами, использоваться на практике с минимальной материалоемкостью.
-
Впервые проведен численный анализ аварийного режима работы тепловой трубы с частичным осушением капиллярной структуры. Выделен режим саморегулирования тепловой трубы.
Практическая значимость
Полученные новые результаты по математическому моделированию процессов теплопереноса в фитильных тепловых трубах и термосифонах могут быть использованы при разработке и усовершенствовании теплообменников для утилизации в промышленности теплоты: узлов и блоков печей для плавки руды, высокотемпературных печей в металлургической промышленности, плавильных аппаратов конвертерного типа, отходящих производственных газов; а также для определения оптимальных режимных и геометрических параметров
систем обеспечения теплового режима на базе тепловых труб радиоэлектронных систем и электронной техники.
Разработанная математическая модель и методика численного моделирования температурных полей в тепловых трубах и термосифонах используются в учебных процессах кафедры теплофизики и гидромеханики Томского политехнического университета и кафедры теплогазоснабжения Томского государственного архитектурно-строительного университета.
Достоверность результатов
Обоснованность и достоверность полученных результатов следует из проведенных проверок используемых методов (проверка аппроксимационной сходимости и устойчивости решений), подтверждается сравнением с известными экспериментальными данными.
На защиту выносится
-
Новая постановка задачи теплопереноса в системе «источник тепловыделения - соединительный элемент - тепловая труба» с учетом реальных физических процессов.
-
Алгоритм численного расчета температурных полей в системе «источник тепловыделения - соединительный элемент - тепловая труба» в геометрически сложных областях.
-
Новые численные результаты расчета температурных полей в системе «источник тепловыделения - соединительный элемент - тепловая труба»
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на X Юбилейной Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: «Современная техника и технологии» (Томск, 2004г), на III Семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (Барнаул, 2003г), на IX Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2003г ), на XXV11 Сибирском теплофизическом семинаре (Москва - Новосибирск, 2004г.), на Международной конференции по математике и механике (Томск, 2003г.), на Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2004г.), на Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Горно-Алтайск, 2004г.), на 2-ой Международной научной конференции «Ракетно-космическая техника' фундаментальные и прикладные проблемы» (Москва, 2003г.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы представлены в 10 работах, список которых представлен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации
