Содержание к диссертации
Введение
Глава первая. Физические основы теплопередачи в тепловых трубах
1. Принцип работы тепловой трубы Ус?
2. Примеры применения тепловых труб в электронных аппаратах 20
3. Тепловые трубы - стабилизаторы температуры 23
4. Газонаполненные тепловые трубы 26
Глава вторая. Стационарный тепловой режим газонаполненной теп ловой трубы 45
5. Коэффициент усиления ГТТ 4^5
6. Проектирование ГГТ 58
Глава третья. Динамические характеристики 62
7. Влияние источника теплоты 62
8. Изменение температуры среды ^Ч
9. Колебание температуры охлаждающей жидкости
Глава четвертая. Термостатирование объектов с помощью. №
Математическая модель термостата Яг
Оценка времени выхода термостата в стационарный режим
Глава пятая. Экспериментальное исследование термостатирующих устройств
2. Стенд для проведения экспериментальных исследований и конструкции
З. Стационарный тепловой режим
4. Динамические характеристики
5. Термостаты с типовым
6. Термостаты специальной конструкции /56
Заключение
Литература
- Примеры применения тепловых труб в электронных аппаратах
- Проектирование ГГТ
- Колебание температуры охлаждающей жидкости
- Оценка времени выхода термостата в стационарный режим
Введение к работе
Актуальность проблемы. Высокая точность и надежность являются основными требованиями, которые предъявляются к работе современных объектов приборостроения. Во многих случаях это требование сводится к необходимости обеспечить соответствующий тепловой режим функционирования для наиболее термозависимых элементов, блоков или устройств в целом. Поэтому особое значение приобретает задача термостабилизации различных объектов.
В последние годы предметом интенсивных исследований являются термостатирующие устройства, использующие испарительно-конден-сационный принцип переноса теплоты. Данный принцип реализуется в газонаполненных тепловых трубах (ГПЛ газонаполненных термосифонах (ГТС) . Это устройство позволяет с высокой эффективностью решать следующие задачи: обеспечивать перенос большого количества теплоты при малых перепадах температур и минимуме тепловых потерь; разделять в пространстве тепловой поток на несколько трактов с различной нагрузкой; трансформировать плотность теплового потока, т.е. осуществлять возможность ее увеличения или уменьшения; выравнивать и регулировать температуру объекта; и реализовать устройство с функцией теплового диода и т.д.
Предшественником тепловой трубы является так называемая труба Перкинса - замкнутый вытянутый полый сосуд частично заполненный жидкостью. При подводе теплоты извне жидкость в ней испаряется: пары переносятся к другому концу трубы, конденсируются и под действием сил гравитации жидкость возвращается в исходное положение. Эти устройства термосифоны были изобретены Перкинсом в 1897 г. и использовались в хлебопекарном производстве, а затем нашли другие применения. В 1942 г. в США был выдан Гоглеру патент на усовершенствование термосифона, на внутренние стенки которого был уложен пористый фитиль, позволивший возвращать жидкость в исходное положение за счет капиллярных сил. Возможности такого устройства существенно расширились, т.к. оно стало способно работать при различной ориентации в пространстве и даже в отсутствии сил гравитации. Спустя двадцать лет в 1963 г. Гровером, комиссия по атомной энергии США., вновь изобретено аналогичное устройство и им же впервые был введен термин тепловая труба. В шестидесятые годы проведены обширные программы работ по исследованию тепловых труб в США, Великобритании, ФРГ, Франции, Италии, а также в СССР, Чехословакии, Югославии. В это же время ряд фирм в США развернули серийное производство тепловых, преимущественно высокотемпературных, труб. В 1973 г. состоялась первая международная конференция по тепловым трубам в Штудгарте (ФРГ) и они повторяются с периодичностью 2-3 года в различных странах мира.
Семидесятые годы характерны для этой области техники накоплением опыта, развитием физических исследований, отработкой технологии, расширением областей использования тепловых труб и их возможностей. Охвачен весь диапазон используемых в процессах теплообмена температур - от гелиевых до 3000°С, области их применения включают в себя атомную энергетику, космическую и реактивную технику, гражданское строительство, пищевую промышленность и т.д.
В семидесятые годы стала появляться монографическая литература по тепловым трубам. В 1972 г. у нас был издан сборник работ иностранных авторов "Тепловые трубы" под редакцией проф.Э.Э.Шниль-райна, позволивший советскому читателю оперативно ознакомиться с наиболее интересными работами западных исследователей. В СССР вышло несколько прекрасных книг по тепловым трубам. Одной из первых является, пожалуй" брошюра В.Б.Елисеева и Д.И.Сергеева
"Что такое тепловая труба?", изданная в 1971 г., авторы которой знакомят читателя с принципом работы рассматриваемого устройства, некоторыми вопросами технологии и использования тепловых труб. Год спустя в 1972 г. выходит в свет небольшая книга Л.Л.Васильева и С.В.Конева "Теплопередающие трубки". Авторы основное внимание уделили низкотемпературным тепловым трубам, анализу протекающих в них процессов, особенно исследованию транспортных свойств капиллярнопористых фитилей. Рассмотрены различные области применения тепловых труб в том числе в электронной промышленности.
Развитие этих работ содержится в книге "Низкотемпературные тепловые трубы", изданной в 1976 г. под общей редакцией доктора техн. наук Л.Л.Васильева. В этом же году выходит в свет под редакцией проф. Г.И.Воронина книга "Низкотемпературные тепловые трубы для летательных аппаратов". В этом труде обобщаются работы по анализу процессов переноса в капиллярнопористых структурах, математическому описанию физических процессов в тепловых трубах, конструированию и технологии изготовления тепловых труб. Большое внимание уделено применению низкотемпературных тепловых труб в различных системах летательных аппаратов. Дальнейшая систематизация материалов, посвященных исследованию тепловых труб содержится в книге М.Н.Ивановского, В.П.Сорокина, И.В.Ягодника "Физические основы тепловых труб", вышедший в 1976 г. В ней подробно рассматриваются сложные процессы гидродинамики кипения и конденсации жидкости в капиллярнопористых структурах, нестационарные тепловые режимы тепловых труб и методы их расчета. В 1979 г. на русский язык была переведена книга Н.Д.Дано, Д.В.Рея "Тепловые трубы", в которой основной акцент сделан на технологические аспекты проблемы. Книга представляет несомненную ценность для инженеров, занимающихся практическим изготовлением и использованием тепловых труб. Все большее применение тепловые трубы в последние годы находят при охлаждении и термодатировании радиоэлектронной аппаратуры. Этим вопросам посвящена вышедшая в 1979 г. книга В.А.Алексеева и В.А.Арефьева "Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования радиоэлектронной аппаратуры". Авторы обобщают в книге многочисленные иностранные и отечественные публикации, а также свои собственные результаты. Характерным является стремление авторов применить комплексный подход при решении проблемы обеспечения необходимого теплового режима электронных устройств с помощью тепловых труб, являющихся лишь одним из элементов конструкции. Следует отметить также работы, которые выполнены в Киевском политехническом институте под руководством д.т.н. М.Г.Семены по исследованию и внедрению тепловых труб с металловолокнистыми фитилями [36І
Заметим, что в аннатируемых выше работах преимущественно рассматривались процессы, происходящие только в тепловой трубе, За двадцать лет исследований тепловых труб накопился большой объем информации по различным аспектам проектирования, испытания, технологии, применения тепловых труб. Существенное развитие получила область теории тепло-массообмена, связанная с гидродинамикой, конденсацией и испарением в капиллярнопористых структурах. Сделаны первые шаги системного подхода при проектировании различных устройств, одним из элементов которых является тепловая труба. За это время уменьшился оптимизм в перспективах применения тепловых труб и в то же время определенных областях техники эти устройства эффективно используются. Всему этому способствовали усилия исследователей, конструкторов, технологов, работающих во многих странах над рассматриваемой проблемой, а также важную роль сыграли авторы книг по тепловым трубам. Огром ный объем информации по тепловым трубам требует тщательного анализа, переработки, отсеивания морально устаревших или просто недостаточно корректно выполненных работ, иными словами требуется обогащение информации, что и составляет основную задачу монографической литературы. Из приведенного выше краткого обзора следует, что было бы крайне самонадеянно охватить в данной работе все перспективные области применения тепловых труб, всевозможные их конструкции или пытаться описать сложные физические процессы в этих устройствах. Поэтому с самого начала ограничим задачу и остановимся только на низкотемпературных тепловых трубах, используемых в приборостроении и прежде всего в электронной технике. Однако это задача достаточно обширна и нашла хотя бы частичное свое отражение в последней из аннатируемых книг L 1 j •
В предлагаемой работе будет рассмотрена более общая конструкция тепловой трубы, так называемая газонаполненная тепловая труба (пт). Это устройство включает в себя как обычную тепловую трубу, так и дополнительный резервуар с неконденсирующимся газом. В нерабочем состоянии тепловой трубы этот газ наравне с парами жидкости равномерно распределен по всему объему парового пространства. При подведении теплового потока к зоне испарания пары теплоносителя оттесняют неконденсирующийся газ в- зону конденсации, где образуется поверхность раздела газ-пар, которая делит зону конденсации на две части. Изменение температуры в испарителе приводит к изменению давления пара и соответствующему изменению площади конденсации. Можно реализовать аналогичный процесс, изменяя тем или иным способом температуру баллона с неконденсирующимся газом; далее возможно использовать активное регулирование рассматриваемого процесса и т.д. Следовательно, ГТТ яв ляется управляемой ТТ и обладает по сравнению с ней большими возможностями. Такие устройства рассматривались в литературе, и в частности в некоторых из цитируемых выше книгах . Однако им посвящено мало внимания и почти не разбирается сложный динамический режим работы ГТТ. Этим вопросам будет поавящена значительная часть предлагаемой работы. Второй особенностью работы является комплексный подход при анализе теплового режима объектов: температура которых регулируется, термостатируется. Иными словами, рассматривается динамический тепловой режим всего объекта, составной частью которого является ГТТ. Такое решение задачи развивает общую схему по синтезу систем обеспечения теплового режима радиоэлектронных аппаратов, которая была затронута в анноти-руемех выше работах
Примеры применения тепловых труб в электронных аппаратах
Тепловая труба (ТТ) - устройство, предназначенное для переноса теплоты с одного конца трубы в другой за счет использования скрытой теплоты фазового превращения теплоносителя, помещенного внутри герметичного объема.
Распространение получили две разновидности теплопередающих устройств: гладкостенная труба (двухфазный термосифон) рис.1а и капиллярно пористая труба рис.16. Оба варианта труб во многом сходны между собой и различаются узлами возврата конденсата. Основными элементами трубы являются герметичный корпус I длиной Ь и диаметром о , заполненный рабочей жидкостью 2, и ее насыщенным паром 3. Внутренняя полость фитильной трубы содержит в качестве дополнительного элемента капилярно-пористую структуру 4, внутри капилярных каналов которой размещается рабочая жидкость, засасываясь туда под действием лапласовых сил.
Если труба не подвергается воздействию направленного теплового потока и имеет изотермическое поле, давление t пара внутри полости соответствует температуре р трубы. При увеличении температуры давление насыщенного пара растет и система "жидкость-пар" сохраняет состояние динамического равновесия. Если на один из концов трубы воздействует внешний тепловой поток \К , а второй конец подключен к теплообменнику, способному отнимать поток теплоты гг , то изотермичность трубы нарушается. В зоне действия потока т\ произойдет повышение температуры рабочей жидкости, и давление пара в трубе начнет возрастать. 3 зоне теплообменника температура трубы несколько понизится, іар окажется по отношению к ней пересыщенным ж он начнет конден-зироваться на внутренней холодной поверхности, передавая ей зкрытуго теплоту фазового перехода. Потери пара будут непрерывно восстанавливаться за счет испарения жидкости в нагреваемой зоне грубы и уноса из нее теплоты расходуемой на ее испарение.
Внутри трубы возникает направленный поток пара, которому сопутствует значительный тепловой поток. Поток пара uWat и тепловой поток гп связаны между собой соотношением: где X - удельная теплота парообразования.
Тепловая труба является замкнутой системой, поэтому перенос массы рабочего вещества в потоке пара должен компенсироваться обратным потоком конденсата. В термосифоне возврат жидкости из зоны конденсации в зону испарения осуществляется под действием гравитационных сил: капли жидкости стекают по внутренней поверхности трубы под действием силы тяжести. Область термосифона ограничена, он может работать только в поле силы тяжести, когда зона испарения ниже зоны конденсации.
В фитильной трубе конденсат возвращается в зону испарения (к участку нагрева) по капиллярам под действием сил поверхностного натяжения. Капиллярная система гфитиль может транспортировать жидкость как в поле тяжести, так и при отсутствии гравитационных сил. Более того, она способна противостоять силе тяжести, поэтому возможности фитильных труб оказываются существенно шире, чем у термосифона.
Термосифон и фитильная труба несколько различаются также по условиям испарения и конденсации рабочего вещества. В термосифоне жидкость обычно испаряется через толстый слой в режиме кпения, а конденсируется на открытую гладкую поверхность трубы. фитильной трубе испарение и конденсация происходят из пор ка-иллярной структуры, причем для обеспечения нормальной работы, ажио, чтобы процесс испарения оставался всегда поверхностным, ак как образование пузырьков пара внутри фитиля нарушает его со-ущую способность, и труба может выйти из строя.
Итак, внутри тепловой трубы происходит сложный процесс взаи-освязанного тепломассопереноса. Даже незначительный перепад тем-ературы на концах трубы приводит к нарушению динамического рав-овесия между фазами рабочего вещества и в полости трубы возника-т два противоположно ориентированных потока вещества: через цент-альное сечение канала, от горячего конца к холодному движется по-ок пара, а по стенке или фитилю обратно стекает поток конденсата. : стационарных условиях потоки пара и жидкости полностью компенси-уют друг друга 6\Лц-с СІУл УХ. и внутри трубы устанавливается замк-утый циркуляционный поток рабочего вещества, интенсивность которого растет по мере увеличения температурного перепада на концах епловой трубы.
Циркуляция жидкости и пара между пространственно разделенны-и зонами испарения и конденсации, благодаря наличию теплоты фа-ового перехода, сопровождается возникновением значительного на-равленного теплового потока.
Функции носителя скрытой теплоты парообразования в трубе вы-голняет поток пара, причем величина переносимого теплового пото-:а оказывается, согласно (I), тем больше, чем интенсивней поток [ара ( Ofan/ofC ), и чем значительнее удельная теплота парооб-)азования рабочей жидкости ( X, ). Известно, что все жидкости в [окритической области обладают большой теплотой парообразования, гоэтому пространственно разделенный испарителъно-конденсацион-ий массоперенос на линии насыщения отличается очень высокой теп ювой проводимостью даже при малых перепадах температуры L 32 J. )бычно процессы теплопроводности вдоль трубы по корпусу оказыва-зтся пренебрежимо малыми в сравнении с действующим внутренним :епломассопереносом.
Капиллярно-пористая тепловая труба, как уже отмечалось, конструктивно отличается от гладкостенной наличием фитиля. Фитиль )бычно располагается непосредственно на внутренней поверхности рубы, закрывая ее поверхность, включая зоны испарения и конденсации.
Рассмотрим основные варианты используемых в настоящее время сапиллярных структур. На рис.2а показан фитиль из нескольких слоев, свернутой в трубку сетки L 1 » изготовленной из металла или стеклоткани. На рис.26 показан фитиль, изготовленный спеканием металлических проволочек малого диаметра L i (так называемая юталловолокнистая структура). Фитиль может быть выполнен на внутренней поверхности трубы в виде продольных канавок (рис.2в)[ 1 Санавки могут быть открыты или закрыты проницаемым экраном (сет-сой) от парового пространства.
Проектирование ГГТ
Конструтивно, резервуар с газом может находиться в любом месте системы термостатирования, однако, температурные условия его работы оказывают значительное влияние на точность регулирования. В зависимости от его температурных условий, газонаполненные тепловые трубы подразделяются на трубы с "холодным" и "горячим" газовым резервуаром [23].
Под "холодным резервуаром условно понимают такие температурные условия его работы, при которых температура газа ниже либо равна температуре внешнего хладагента в зоне конденсации. Поток пара в этом случае проникает в резервуар и конденсируется на его стенках. При таких температурных условиях работы трубы теплоноситель постоянно перетекает в резервуару произойдет t осушения фитиля в зоне испарения. Поэтому для нормальной работы ТТ, такой резервуар выполняется с пористой структурой на его стенках рис.9, а которая соединена с фитилем трубы.
Во втором случае резервуар имеет температуру выше температуры хладагента в зоне конденсации не имеет фитиля и заполнен сухим инертным газом (рис.9,б). Тепловая труба с "горячим" резервуаром позволяет получить более стабильную температуру объекта при колебаниях его температуры среды. Это объясняется отсут- . ствием в "горячем" резервуаре паров рабочей жидкости, которые усиливают влияние температуры парогазовой смеси на давление в системе. Можно ослабить влияние температуры среды неточность поддержания температуры объекта, если поместить резервуар в паровое пространство трубы или максимально приблизив его к участку ипарения
Резервуар, который помещают в паровое пространство, не только изолируется от воздействия температуры среды, но и тер-мостабилизируется, что очень важно при прецизионном поддержании температуры объекта. Однако, изготовить устройство, реализующее данный способ размещения резервуара, для многих практических случаев очень сложно, так как, приходится конструтивно связывать объект, трубу и достаточно габаритный резервуар. Гораздо проще разместить резервуар вблизи источника теплоты (рис.10). При таком размещении его температура оказывается выше температуры хладагента в зоне конденсации, он изолирован от воздействия температуры среды, но на его работу оказывает влияние источник теплоты, что тоже не всегда допустимо.
Возможно значительно повысить точность стабилизации температуры источника теплоты, применив ГТТ с обратной связью. Последняя позволяет связать температуру источника с переменным параметром трубы, регулируя которой, можно поддерживать его температуру на заданном уровне при различных возмущающих воздействиях со стороны объекта или окружающей среды. Управляющими параметрами, воздействующими на температуру в зоне испарения, могут быть расход и температура хладагента в зоне конденсации или объем и температура инертного газа, йскуственно воздействовать на условия теплообмена трубы в зоне конденсации сложно и малоэффективно, так как реакция трубы на эти возмущения слабая. Поэтому такой способ регулирования не нашел практического применения. Значительно проще и эффективнее воздействовать на температуру испарителя через инертный газ, регулируя его объем или температуру L 8 J.
Принципиальная схема работы ГТТ с электромеханической обратной связью показана на рис.11. Резервуар 4 с инертным газом в данной системе имеет форму сильфона, который снабжен механическим приводом. Отклонение температуры источника от заданного значения регулируется чувствительным элементом 2, сигнал от которого через усилитель 3 воздействует на механическое устройство, которое изменяет объем и давление инертного газа. Инертный газ воздействует на положение границы раздела "пар-газ" так изменяя температуру пара в трубе, чтобы скомпенсировать отклонение температуры источника от начального значения.
Электрическая обратная связь значительно проще механической и состоит из чувствительного элемента 2, маломощного усилителя электрических сигналов 3 и нагревателя 4. Принцип действия ГТТ с электрической обратной связью показан на рис.12. Например, при уменьшении температуры объекта по сигналу датчика 2 включается дополнительный источник теплоты 4 в области инертного газа. Увеличение температуры газа влияет на положение границы раздела "пар-газ", вызывая увеличение температуры пара. Возрастание температуры пара позволяет сохранить температуру объекта на прежнем уровне.
Колебание температуры охлаждающей жидкости
Конструкция и эксплуатационные характеристики газонаполненной тепловой трубы для конкретного объекта определяются в основном условиями в стационарном тепловом режиме.
Из приведенных в разделе 4 схем, видно, что ГТТ может быть либо частью конструкции системы термостабилизации (рис.15), либо представлять самостоятельную конструкцию термостата (рис.16). Поэтому тепловой режим ГТТ определяется условиями работы всего устройства. В любых схемах термостата требуется определить максимальное отклонение температуры объекта от заданного значения при изменении внешних температурных условий. Кроме того, необходимо при заданных требованиях теплового режима объекта выбрать общую схему и размеры термостата и конструктивные материалы. При расчете теплового режима ГТТ для индивидуальной конструкции термостата определяется температура поверхности трубы в области источника теплоты при постоянных внешних тепловых условиях ее работы и максимальное отклонение температуры при температурных колебаниях. Расчет теплового режима термостатирующего устройства с типовой ГТТ (рис.15) сводится к последовательному подбору основных размеров ГТТ и оболочек термостата. В этом случае выбирается некоторая базовая конструкция, на основании которой предварительно определяется температура трубы на участке испарения, температура резервуара с инертным газом и его объем. Опыт показывает, что при проектировании термостатов удовлетворительная точность, как правило, получается даже если ограничиться анализом среднеповерхностных температур отдельных элементов конструкции.
Целесообразно в начале провести анализ стационарного и нестационарного тепловых режимов отдельной ГТТ, а затем рассмотреть систему термостатирования совместно с ГТТ. Напомним, что ГТТ выполняет две функции - отводит теплоту от объекта и стабилизирует зго температуру. Поэтому расчет ее теплового режима проводиться в два этапа.
Сначала ГТТ рассматривают как обычную тепловую трубу и на эсновании известной максимальной тепловой нагрузки делают выбор предполагаемых теплоносителей и определяют пористую структуру.
На втором этапе устройство рассчитывают с газом и проводят эценку геометрических параметров фитиля и корпуса трубы. Анализу теплового режима обычных труб посвящено большое коли чество специальной литературы , поэтому здесь не 5удем останавливаться на данном вопросе, а основное внимание уде пим особенностям стабилизации температуры с помощью ГТТ.
Как обычная, так и газонаполненная тепловая труба может иметь произвольную форму, однако теоретический анализ проведем для тонкостенного цилиндра, к которому с помощью капиллярной трубки подсоединен резервуар произвольной формы. Такая модель схематически представлена на рис.18 и состоит из корпуса (к) толщиной (1 . Внутренние стенки корпуса и резервуара выложены капиллярно-пористым материалом, (п), толщина которого Пп ; считаем, что фитиль полностью насыщен жидкостью.
На поверхности трубы на участке длиной М действует источник теплоты плотностью CU , а конденсация происходит на участке трубы 31 , длина транспортного участка К г. .
Как указывалось в разделе I, труба работает либо в испарительном режиме, либо в режиме кипения, в зависимости от плотности источника теплоты CL . Ограничимся анализом режима испарения, при котором испарение жидкости происходит с внешней поверхности пористого покрытия и процесс переноса теплоты через толщу этого покрытия происходит преимущественно благодаря теплопроводности. Поэтому пористый материал можно считать гомогенным телом с эффективной теплопроводностью оЛп .
В газонаполненной тепловой трубе можно выделить пять характерных областей (рис.18). Область "I" - часть трубы длиной м , іа поверхности которой действует источник теплоты Си .Поверхность трубы на этом участке характеризуется температурой \iU{ . Геплота от источника проходит через стенку толщиной Пц4 Ьп и уно-зится потоком пара с температурой Тр , и давлением Ы . В дальнейшем рассматриваются только короткие трубы К.г Ц+1»г+ Ьзи) /г1]0 ЇЛИ паровые камеры. В них пар имеет малый перепад давления между участками испарения и конденсации и соответствующая неравномерность температуры между ними оказывает пренебрежимо малое влияние за перенос теплоты от участка испарения к участку конденсации[32 J. Іозтому внутреннее пространство трубы с радиусом R(. длиной ІД lit. 4 ОС. можно рассматривать как канал, через который эсуществляется изотермический перенос массы.
Для уменьшения потока теплоты вдоль стенки трубы, последнюю стремиться выполнить небольшой толщины из малотеплопроводного материала. В этом случае тепловое сопротивление корпуса и фитиля по голщине значительно меньше теплового сопротивления от участка испарения до участка конденсации трубы. Следовательно, можно не учитывать кондуктивного влияния температуры охлаждающей жидкости 3 на температуру трубы \1М в области источника L\ и задача становится одномерной.
Оценка времени выхода термостата в стационарный режим
Применение газонаполненной тепловой трубы для термостабилизации приборов, работающих в повторно-краковременных (циклических) тепловых режимах, а также оценка возможной аварийной ситуации прибора требует знания ее динамических характеристик.
Напомним, что на ГТТ могут воздействовать различные возмущения: источник теплоты Wl , температура Тз жидкости в теплообменнике и температура l f среды, окружающей резервуар с газом, динамические характеристики ГТТ будем искать для каждого возмущения отдельно полагая два других неизменными. Итак, предположим, что изменяются мощность Wi Ь\) источника тешготы, a Т C-Oftst. U U COio&t составим для этого случая уравнение нестационарного теплооомена.
Рассмотрим участок I ГТТ , работающий в режиме испарения, т.е. в условиях, когда вся толщина Пп фитиля пропитана жидкостью и с поверхности происходит интенсивный унос испаряющейся жидкости. Это позволяет предположить равенство температуры \ь\н внутренней стенки трубы и пара Tt , т.е. Тэги- р и считать, что падение температуры происходит только по толщине Пп пористой структуры (рис.19).
Сформулируем для участка I испарения закон сохранения энергии: поток теплоты W fe)расходуется на увеличение энтальпии корпуса трубы Cw (d hwjdjz пористой структуры CnpTflfiУсМи перенос через эту структуру внутрь трубы C5n(Ts -Тьпу, т.е.
Здесь приняты следующие обозначения: lsw ) Ьп{ - среднеповерхностные температуры корпуса трубы и пористой структуры, Ivrn - среднеобъемная температура пористой структуры, On - тепловая проводимость через пористую структуру, С щ , -м - полные теплоемкости участка корпуса трубы и пористой структуры.
Далее этот поток идет на изменение энтальпии иНкуСгС корпуса и уносится в теплообменник сИаПос(Т5Ка-Тз) , т.е. пх(тг-Ц= + Ш(т« -Т»), (41) где (лъ - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубы к теплообменнику; ІЗ - температура теплообменника; Ъкз - температура стенки трубы на участке конденсации. Заметим, что при составлении уравнений (40) и (41) было принято допущение, аналогичное (29) о линейном распределении температуры в пористой структуре Ъ/ПЪ - О, Б (TsK + Tf J . (42) Энтальпия ппз участка пористой структуры длиной ОС равна JL l\/tl x . (43) где Спи Пи - удельная теплооемкость и масса пористой структуры длиной 1 ЭЦ . Запишем также значение энтальпии Нкъ участка корпуса трубы длиной ОС Н»- с TLXT где С к. и И V. - удельная теплоемкость и масса корпуса трубы длиной V Ък. Раскроем уравнения (40) и (41) сохранения энергии для участка конденсации трубы с учетом уравнений (41), (43), (44), помня при этом, что длина X участка конденсации изменяется во времени ы Для замыкания системы уравнений (38), (45), (46) воспользуемся термодинамическим соотношением, устанавливающим связь между изменением длины А X участка конденсации при колебании температуры дТь пара, вывод которого приведен в приложении I. л , (47) Запишем начальные условия для основных параметров, входящимх в уравнения (38), (45), (46) W1 Со) W( ; Т ф) =Тр; Тьци()-Т$14 ; 0) - 3t . (48) и напомним, что в начальный момент времени -О ГТТ уже находится в рабочем испарительном режиме и переносит некоторое количество теплоты Wi . Система уравнений (38), (45), (46), (47) является замкнутой и позволяет определить температуру поверхности трубы в области I источника теплоты в нестационар l -г1 Т1 ном режиме. При этом основные параметры W» , If , \ъ\& , I -г1 ОС , Irs ГГТ будут соответствовать исходному стационарному режиму трубы, анализ которого дан в разделе 5.
Решение системы уравнений будем проводить в два этапа. На первом - каждая переменная величина X записывается через свое значение в начальный момент времени X и приращение /Лл Т. 6. Xfei) - X + ЛХ «На втором этапе из уравнения, описывающего нестационарный процесс, вычитаем это же уравнение, записанное для исходного стационарного режима. Получившиеся уравнения описывают динамический процесс для приращений параметров над их значениями в исходном режиме.
Похожие диссертации на Методы расчета тепловых режимов систем термостатирования с газонаполненными тепловыми трубами
