Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния исследований тепло- и массопереноса в ТТ 15
1.1. Гидродинамика парового потока 16
1.2. Тепломассообмен в парогазовой области тепловой трубы при наличии неконденсирующегося газа 25
1.3. Устойчивость течения в зоне испарения 31
1.4. Устойчивость течения в зоне конденсации 34
1.5. Объемная конденсация и структура парового потока 37
1.6. Влияние радиации на структуру парового потока 42
1.7. Динамика переходных процессов в ИКТ 44
1.8. Методы расчета физических ограничений теплопереноса 47
1.9. Практика расчетов жидкометаллических ТТ 49
1.10. Кипение и конденсация в электрическом поле 51
1.10.1 Механизмы интенсификации теплообмена
электрическим полем при конденсации 51
1.11. Повышение эффективности функционирования ИКТ 57
1.12. Теоретические основы ЭГД ИКС 58
1.13. Методика построения электрогидродинамических испарительно - конденсационных систем (ЭГД - ИКС) 64
1.14. Сбор конденсата на теплообменной поверхности и его возврат в зону испарения 66
1.15. Применение неоднородного электрического ПОЛЯ для прокачки теплоносителя в зону испарения 74
1.16. Изменение переносных свойств фитилей электрическим полем 77
1.17. Исследование теплообмена в поле центробежных сил 79
1.18. Исследование тепло-и массопереноса во вращающейся ТТ 82
1.19. Выводы к главе 1 84
1.20. Постановка задачи исследования механизмов переноса тепла, массы и импульса в ИКТ 86
Глава 2. Экспериментальная установка для исследования нестационарных температурных полей в жидкометаллических тепловых трубах 88
2.1. Оборудование и аппаратура 88
2.2. Система измерений 89
Глава 3. Результаты экспериментального исследования тепло- и массопереноса в жидкометаллических тепловых трубах 93
3.1. Решение обратной задачи нестационарной теплопроводности 93
3.2. Анализ результатов расчета 101
3.3. Выводы к главе 3 109
Глава 4. Обоснование выбора оптических методов исследования гидродинамики и структуры парового потока в ИКТ 110
4.1. Влияние гетерофазных флуктуации на показатель преломления рабочей среды 110
4.2. Флуктуации энтальпии 114
4.3. Рассеяние света в рабочей среде 115
4.4 Разработка методики расшифровки интерферограмм 116
4.5. Разработка методики определения энтальпии неравновесного парового потока в ИКТ 118
Глава 5. Экспериментальный стенд для оптической визуализации течения неравновесного парового потока 123
5.1. Приборы и оборудование экспериментального стенда 123
5.2. Рабочий участок (модель ТТ) 125
5.3. Минимизация дифракционных искажений в рабочем участке 127
5.4. Настройка интерферометра 128
Глава 6. Результаты экспериментального исследования оптических неоднородностей в неравновесном паровом потоке ИКТ 131
6.1. Результаты визуализации неравновесного парового потока. 131
6.2. Обработка результатов эксперимента по визуализации течения 132
6.3. Определение энтальпии неравновесного парового потока 134
6.4. Определение содержания НКГ в ТТ 141
6.5. Гидродинамика парового потока 142
6.6. Устойчивость парового потока в ИКТ 148
6.7. Гидродинамика парового потока при наличии НКГ 149
6.8. Структура парового потока 150
6.9. Обсуждение результатов эксперимента по структуре неравновесного парового потока 155
6.10. Оценка степени метастабильности неравновесного парового потока 163
6.11. Скачок конденсации при запуске ТТ 164
6.11.1. Результаты визуализации теневым методом 164
6.11.2. Влияние скачка конденсации на переходные процессы в ИКТ 166
6.11.3. Динамика переходных процессов в ИКТ 169
6.12. Параметрическая оценка кинетики образования зародышей жидкой фазы в неравновесном паровом потоке ИКТ 172
6.13. Оценка погрешности интеференционных измерений 174
6.14. Выводы к главе 6 176
Глава 7. Термодинамический подход к проблеме создания ИКТ 181
7.1. Термодинамический цикл ИКТ 181
7.2. Физические механизмы интенсификации теплопереноса 187
7.2.1. Взаимодействие струй на межфазной границе 187
7.3. Термодинамический подход к проблеме интенсификации теплопереноса 189
7.4. Влияние полей сил инерции 195
7.6. Выводы к главе 7 196
Глава 8. Мониторинг тепловых ресурсов естественной среды и ноосферы 198
8.1. Мониторинг тепловых ресурсов естественной среды 198
8.2. Динамика глобальных климатических процессов и их влияние на распределение охлаждающего импульса атмосферы 200
8.3. Мониторинг тепловых ресурсов ноосферы 204
8.4. Выводы к главе 8 206
Глава 9. Концепция построения принципиальных схем ИКТ для утилизации тепловых ресурсов естественной среды и ноосферы 208
9.1. Анализ энергетической эффективности ИКТ 208
9.2. Оценка энергетической эффективности предлагаемых схем ИКТ 213
9.3. Роль бинарных смесей для получения новых теплофизических свойств ИКТ 216
9.4. Расчетная схема ИКТ 220
9.5. Пример расчета однокомпонентной пароэжекторной холодильной машины на основе ИКТ 221
Выводы к главе 9 228
Основные результаты и выводы 230
Литература 233
Приложения 247
- Методика построения электрогидродинамических испарительно - конденсационных систем (ЭГД - ИКС)
- Разработка методики определения энтальпии неравновесного парового потока в ИКТ
- Обсуждение результатов эксперимента по структуре неравновесного парового потока
- Термодинамический подход к проблеме интенсификации теплопереноса
Введение к работе
Стремительное развитие ноосферы сопровождается ростом энергопотребления и, как следствие этого, деградацией естественных энергетических ресурсов, прежде всего, запасов нефти и газа. В современных условиях мировое сообщество считает одной из своих приоритетных задач создание глобальной системы энергетической безопасности. Это вынуждает многие государства создавать свои собственные национальные проекты по развитию технологий утилизации вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) и естественных низкопотенциальных источников энергии.
Рис.1. Полное (Е) и приходящееся на
душу населения (е) потребление энергии 25 в мире за последние 150 лет и прогнозы
энергопотребления с указанием года 20 публикации.
- Института атомной энергии, 1987 г.
- Международного института
10 прикладного системного анализа, 1981 г.
- Межправительственной комиссии по 5 изменению климата (РСС), 1984 г.
ш- Лаборатории глобальных проблем
0 энергетики МЭИ, 1991 г.
1850 1900 1950 2000
Мониторинг естественных низкопотенциальных источников энергии, таких как солнце, тепло грунта, грунтовых вод, биомассы, охлаждающего импульса атмосферного воздуха, показывает, что их энергии оказывается достаточно для решения большинства народнохозяйственных задач. Например: обогрев почвы и воздуха животноводческих комплексов в холодное время года, размораживание грунта при строительстве, погрузке и разгрузке на железнодорожном транспорте и морских судах. Обогрев почвы в теплицах позволяет получать урожаи клубники до 50 т/га (на 400% больше, чем в
необогреваемом грунте), картофеля - до 30 т/га, при высоком качестве клубней и на месяц раньше контрольного срока [1,2].
Известна проблема потери прочности оснований дорог, фундаментных устоев мостов и зданий в районах вечной мерзлоты. Она может быть успешно решена замораживанием грунта за счет естественного охлаждающего импульса атмосферного воздуха [3]. Замораживание и охлаждение грунта также целесообразно для создания подземных аккумуляторов холода, используемых в летнее время для продуктовых складов - холодильников или в системах кондиционирования помещений, промышленных зон, горнорудных шахт, [4].
Актуальна также проблема загрязнения атмосферы продуктами антропогенного происхождения, в их числе, например, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Утилизация тепла выхлопных газов ДВС транспорта могла бы частично снять остроту данной проблемы [6].
Термостабилизация таких теплонапряженных объектов как зеркала технологических лазеров или СВЧ - устройств, рис. 1, требует утилизации высоких удельных тепловых потоков q ~ 100 * 1000 Вт/см .
Многие из вышеперечисленных проблем могут быть решены с помощью испарительно-конденсационных устройств (ИКТ). Классическими представителями устройств данного типа являются тепловые трубы (ТТ). Они являются эффективными проводниками тепла, внутреннее термическое сопротивление которых составляет ~ 0,01 К/Вт. С их помощью можно не только передавать тепловой поток на значительные расстояния, но и собирать вместе рассеянные источники энергии малой плотности, трансформировать их в локальный источник повышенной плотности и наоборот [1,2].
Круг задач, решаемых с помощью ТТ традиционного исполнения, достаточно широк, но ограничен в силу теплофизической природы ТТ. Так, например, их нельзя использовать в качестве теплового насоса.
Мощным стимулом для развития исследований и применения их результатов на практике были работы, посвященные интенсификации тепло- и массопереноса воздействием на паровой поток и жидкость полями различной природы, ультразвуковыми волнами [121], электрическими полями [85]. Особое значение имеют работы, посвященные исследованию процессов кипения и конденсации в пористых теплообменниках [109,110, 122-124], и новые подходы к проектированию капиллярно-пористых структур [78].
Рис.2. Теплообменное устройство
Новые теплофизические свойства можно придать ТТ путем обоснованного изменения термодинамического цикла работы этих устройств. Следствием этого является возникновение потребительских качеств, ранее им недоступных [6-9].
По определению создателей тепловых труб - это теплообменные устройства, в которых замкнутая циркуляция теплоносителя обеспечивается капиллярными силами фитиля или массовыми силами.
Но замкнутая циркуляция теплоносителя может обеспечиваться
физическими факторами другой природы. Например, неоднородным
электрическим полем. Тогда такие устройства называются
электрогидродинамическими испарительно-конденсационными системами
(ЭГД-ИКС). В данной работе будут рассматриваться все известные
воздействия для обеспечения эффективной работы предлагаемых
устройств, например - эксергетические ресурсы парового потока. Поэтому
им следует дать и более общее определение. В дальнейшем, при
изложении материала, необходимого для обоснования таких устройств,
они будут называться испарительно-конденсационными
теплообменниками (ИКТ).
В этой связи возникает необходимость выявить факторы,
ограничивающие максимально достижимый теплоперенос, наметить пути
обоснованного изменения принципиальной схемы парожидкостного
тракта, определить целесообразность использования физических факторов,
интенсифицирующих теплоперенос: электрических полей,
электромагнитных волн, естественной радиоактивности в пределах допустимых доз, рассмотреть целесообразность использования бинарных смесей, реакций абсорбции - десорбции, и так далее [6].
Целью работы является исследование механизмов переноса массы, тепла и импульса в испарителъно-конденсационных теплообменниках для объективного обоснования концепции построения новых теплотехнических устройств, предназначенных для утилизации тепловых ресурсов естественной среды и ноосферы. Поставленная цель достигается путем
1. исследования механизмов переноса тепла, массы и импульса в ТТ
и получения необходимых для построения новых теплотехнических устройств (ИКТ) следующих данных:
- факторов, ограничивающих максимально достижимый теплоперенос;
путей и рациональных методов интенсификации теплопереноса в ИКТ;
принципиальных схем ИКТ, расширяющих их теплофизические свойства и потребительские качества;
2. мониторинга тепловых ресурсов:
- естественной среды;
- ноосферы;
3. обоснования концепции построения новых принципиальных схем
ИКТ для утилизации тепловых ресурсов естественной среды и
ноосферы и рассмотрения в качестве примеров конкретные
принципиальные схемы теплотехнических аппаратов.
Решение поставленной цели позволяет:
расширить область применения ИКТ в народном хозяйстве,
снизить капитальные затраты на производство энергетического оборудования,
увеличить энергетическую эффективность существующих теплообменных устройств,
получить новые потребительские качества теплообменных устройств (холодильных машин, тепловых насосов),
утилизировать тепловые ресурсы естественной среды,
утилизировать тепловые ресурсы ноосферы.
Методика построения электрогидродинамических испарительно - конденсационных систем (ЭГД - ИКС)
В настоящее время возрос интерес к крупногабаритным тепловым трубам для утилизации большой тепловой мощности при высоких удельных тепловых нагрузках. Такая потребность чаще всего возникает в новейшей радиоэлектронной аппаратуре, СВЧ-устройствах и зеркалах лазера. Подобные устройства должны эффективно работать в режимах запуска и переходных режимах. В СВЧ - устройствах необходимо утилизировать удельные тепловые потоки q 1 кВт/см . С такой задачей могут справиться только тепловые трубы с жидкометаллическими теплоносителями (натрий, ртуть и др.). В зеркалах лазера помимо требования к снятию высоких удельных тепловых нагрузок в зоне испарения до q = 10 -г 10 Вт/м требуется обеспечить приемлемый уровень термодеформаций порядка А = Х/20, где Я = 10,6 мкм - длина волны излучения СОг лазера. Это условие выполнимо только при высокой изотермичности испарителя и использовании низкотемпературных теплоносителей (вода, спирт и др.). При этом степень изотермичности конденсатора не оговаривается отдельно в том случае, если это не отражается на главном - уровне термодеформаций отражающего слоя [78].
Увеличение габаритов и рост удельных тепловых нагрузок, передаваемых ТТ, приводит к существенному росту радиального числа Рейнольдса Rer = Vr/v до значений Rer 10. Этот фактор особенно важен для ТТ с относительно малой длиной конденсатора LJd 20, так как в таких трубах существенны инерционные эффекты в паре. Они могут привести к положительному градиенту давления в конденсаторе, приводящему к отрыву пограничного слоя и возникновению зон возвратного течения. Кроме того, существенно влияние Rer и на режим течения.
В настоящей главе рассматриваются работы отечественных и зарубежных авторов, посвященные теоретическому и экспериментальному изучению гидродинамики и структуры парового потока в ИКТ с LJ5 20. Эти работы рассматриваются с точки зрения использования ИКТ в СВЧ -устройствах, зеркалах технологических лазеров и в устройствах для утилизации тепловых ресурсов естественной среды и ноосферы.
Общий случай газодинамики пара в ИКТ может быть описан уравнением Навье - Стокса при соответствующих граничных условиях, характерных для тепловой трубы. При отсутствии внешнего потенциального поля градиент давления пара Р связан со скоростью потока Wуравнением: Первое теоретическое исследование тепловой трубы опубликовано в работе Коттера [10]. В этой работе использованы результаты работы Юана и Филькенштейна для радиальных чисел Рейнольдса Rer « 1. Соотношение для определения падения давления на испарительном участке представлено в виде разложения в ряд, в котором Rer фигурировало в качестве параметра. Расчеты показали, что для Rer « 1 профиль аксиальной скорости вдоль испарителя близок по форме к параболе пуазейлева течения. При Rer » 1 профиль аксиальной скорости не параболический, а пропорционален cos(n/8)(r/R)2. Для Rer » 1 Коттер использовал градиенты давления, полученные Найтом и Мак-Интером [19]. Зоны испарения и конденсации он рассматривал отдельно. Из характера профилей давления был сделан вывод о том, что для высоких скоростей течения инерционная составляющая давления на участке конденсации восстанавливается частично. Было найдено, что коэффициент восстановления давления К равен 4/к. Это означает, что общее падение давления в ТТ АР должно быть значительно больше, чем при учете вязких сил. Террил и Томас [11] провели анализ ламинарного течения со вдувом и оттоком в цилиндрической ТТ с постоянной пористостью. Численным интегрированием они нашли двойные решения во всем диапазоне чисел Rer, кроме области 2,3 Rer 9,1, где Берман [12] не получил решения для прямоугольного и кольцевого каналов. Это означает, что эффект восстановления давления на участке конденсации, независимо от формы канала, приводит к возникновению зон возвратного течения с неподобными профилями скоростей. Дополнительные решения как для малых, так и для больших значений Rer, найдены методами теории возмущений и совпадают с результатами, полученными численными методами. Квейл и Леви [13] выполнили теоретическое и экспериментальное исследование в трубе со всасыванием через пористую стенку. Решение было получено путем разложения в степенные ряды функции тока и последующего численного интегрирования для ламинарного течения несжимаемой жидкости. Исследование выявило существование областей с нулевыми касательными напряжениями на стенке и зон возвратного течения для Rer » 2,5. Эксперименты, проведенные этими авторами, показали, что зоны возвратного течения неустойчивы, и в них возможен переход к турбулентному режиму течения. Для всей ТТ в целом анализ газодинамики парового потока выполнен Бэнкстоном и Смитом [14]. В двумерной постановке для случая ламинарного течения в цилиндрической ТТ решены уравнения сохранения массы и количества движения методом конечных разностей на основе допущения о функции тока и завихренности, которое позволяет исключить давление как независимую переменную. Результаты получены для 10 2 Rer 103. Сходимость и точность метода зависела от выбора граничных условий для завихренности в каждой отдельной области. С возрастанием числа Rer отклонения от течения Пуазейля появляются сначала на конденсаторном участке. При Rer 2 возникает возвратное течение. Ломаке и Стегер [15] указали на трудности, связанные с использованием функции тока и завихренности. Они показали, что конвективные члены являются наиболее существенными в уравнениях движения.
Разработка методики определения энтальпии неравновесного парового потока в ИКТ
Если на мельчайших зародышах, находящихся в паре, возникает электрический заряд, то его присутствие существенно влияет на конденсацию пара и вызывает рост даже самых маленьких капель. То есть, наличие зарядов способствует превращению капли докритического размера {гкр г) в сверхкритическую {гкр г) и, таким образом, стабилизирует зародыши в сравнительно ранний период их развития [53].
Влияние электрического заряда на конденсацию вызвано тем, что помимо объемного и поверхностного членов, в уравнении свободной энергии существенную роль играет и энергия электрического поля, зависящая от размеров капли [53,58]. В. Томсон [58] сделал предположение о том, что заряд е на поверхности жидких капель распределен равномерно. При этом условии поверхностная энергия капли 2ш2а возрастает на величину е/2г, и термодинамический потенциал системы оказывается равным:При очень малых значениях радиуса капли г работа, необходимая для возникновения зародышей новой фазы, уменьшается и может стать отрицательной даже при (рХ2 (pxi, то есть даже в случае, когда новая фаза является менее устойчивой, чем старая. Таким образом, при наличии заряда капли будут образовываться и расти не только в пересыщенном паре, но и в паре, не достигшем насыщения. Эффект образования мельчайших капель, которые конденсируются на ионах, используется в камере Вильсона для обнаружения следов быстрых ионизирующих частиц. Если пространство камеры, заполненное парами какой либо жидкости, внезапно адиабатически увеличить, то из-за понижения температуры при адиабатическом расширении пары в камере окажутся несколько пересыщенными. Пролетающая радиоактивная частица создает в таком паре ионы, которые становятся центрами конденсации.
Серьезная критика в адрес модели состояния парового потока, основанной на предположении о существовании термодинамического равновесия, содержится в работе [60]. В ней говорится, что в основу таких подходов положено упрощенное представление о том, что конечным состоянием эволюции термодинамической системы является состояние устойчивого термодинамического равновесия. Эти представления лежат в основе преобладающего числа современных методов расчета ИКТ. Общее сопротивление тепло- и массопереносу в ТТ представляется как сумма пленочных сопротивлений в паровой и жидкой фазах, на границе раздела которых в качестве конечного состояния эволюции системы принимается состояние устойчивого термодинамического равновесия. Некорректность таких положений следует из того, что «термодинамическая система, заключенная в дистилляционную колону и при неизменных условиях на своих границах обменивающаяся массой и энергией с окружающей средой, стремится вовсе не к равновесному, а к стационарному неравновесному состоянию», [60].
Более подробный анализ позволяет установить, что включение в исходную систему уравнений материального баланса и баланса энергии не в дифференциальной, а в интегро-дифференциальной форме, тем более без учета кинетики образования новой фазы, накладывает ограничения на возможные направления изменения состояний паровой и жидкой фаз в паровом потоке по длине ТТ, в то время как те же уравнения в дифференциальной форме, с учетом 1.12, по своему смыслу ограничений не налагают.
Именно такая ситуация имеет место при расчетах процессов тепло- и массопереноса в ТТ, в которых балансовые уравнения с самого начала применяются в интегральной форме. Создание расчетной модели течения двухфазной среды с учетом указанных выше особенностей представляет чрезвычайно трудоемкую задачу из-за недостатка экспериментальных данных о структуре парового потока в ТТ.
Вывод. В литературе нет достаточных теоретических и экспериментальных данных о состоянии парового потока в ТТ. Необходимо накопление экспериментальных данных для построения достоверной модели состояния парового потока. Развитие систем обеспечения теплового режима устройств различного народно-хозяйственного назначения (СОТР) усиливает интерес к исследованию нестационарных процессов тепломассообмена в ИКТ. Изменение тепловой нагрузки или условий теплоотвода вызывает перестройку гидродинамики парового потока, что влияет на теплоперенос в целом. Для практического применения ИКТ в системах СОТР важно определить критерии надежности и оптимальную программу переходных режимов (запуск ИКТ, переход с меньшей тепловой нагрузки на более высокий уровень). Указать оптимальный ход переходного процесса можно только при тщательном теоретическом и экспериментальном изучении пусковых свойств ТТ (как базового элемента ИКТ). Наибольшую остроту имеет вопрос запуска ТТ из замороженного состояния теплоносителей. Это особенно касается жидкометаллических ТТ. Проводимость замерзшим теплоносителем практически отсутствует. Время выхода на режим здесь наибольшее. Процессы тепло- и массопереноса в этом случае имеют существенное отличие от тех, что происходят в ТТ при непрерывной циркуляции теплоносителя во всем объеме парожидкостного тракта. Этой проблеме посвящено незначительное количество работ [61-67].
В работах [44, 61-65] показано, что пусковые характеристики ТТ с жидким теплоносителем зависят от конструкции фитиля, стартовой температуры, термического сопротивления конденсатора. В экспериментах [44] ТТ с каналами, покрытыми сеткой, успешно выходили на стационарный режим работы. В то же время, запуск ТТ с открытыми канавками иногда срывался из-за уноса теплоносителя с межфазной поверхности в результате взаимодействия встречных потоков пара и жидкого теплоносителя.
Обсуждение результатов эксперимента по структуре неравновесного парового потока
Полученное соотношение (1.20) показывает, что увеличение мощности стекающей пленки за счет её ускорения, либо появления дополнительного вектора скорости, пропорционально пятой степени достигаемой при этом интенсификации. Таким образом, при достижении пятикратной интенсификации затраты энергии со стороны поля составили бы около 100 Вт.
Приведенные оценки наглядно свидетельствуют, что реальное действие поля, возможно, опосредовано влияет на гидродинамику, однако непосредственно ускоряющим фактором не является. Многие исследователи отмечают появление неустойчивости пленки конденсата по мере увеличения напряженности электрического поля [75]. При этом коэффициент теплоотдачи может возрасти в 3 раза. Причем независимо от метода образования неустойчивости (электрическим полем или механическим воздействием) результаты интенсификации оказываются одинаковыми при близких параметрах неустойчивости, что указывает на определяющую роль процессов, протекающих на границе раздела фаз пар - жидкость.
При больших напряженностях поля пленка конденсата разрушается, происходит её срыв с поверхности конденсации в паровое пространство, что приводит к уменьшению толщины пленки и, как следствие, к увеличению коэффициента теплоотдачи. В исследованиях [75] интенсификация связывается именно с уменьшением толщины пленки, однако существуют режимы, когда удаляется 96% пленки, а коэффициент теплоотдачи возрастает лишь в 2,8 раза. Поэтому только изменением толщины пленки объяснить имеющиеся экспериментальные данные не удается. Образование в электрическом поле регулярной волновой структуры также вызывает уменьшение некоторой эффективной толщины пленки конденсата. Из фотографий видно явное увеличение поверхности пленки конденсата, однако по существующим оценкам оно составляет не более 2-3 раз.
Под действием неоднородного электрического поля происходит увеличение скорости течения пленки конденсата, что приводит к некоторой интенсификации теплообмена [79], но значительного увеличения таким путем не достичь.
Свойства ИКС изменяются при управлении процессами кипения и конденсации, а также напорно-расходными характеристиками насосов, транспортирующих жидкий теплоноситель из зоны конденсации в зону испарения. При определенных условиях движение пара также может быть ограничено. Выше отмечалось, что в основном эти процессы являются лимитирующими факторами в отношении передаваемой плотности теплового потока.
В зависимости от функциональных назначений ИКС и конструктивных особенностей лимитирующим может быть любой из перечисленных процессов или их сочетание. Например, в паровом канале мощность ИКС может быть ограничена вязкостным или звуковым пределом [80]. При организации противотока пара и конденсата могут происходить срыв конденсата, его торможение и возврат паровым потоком в зону конденсации, ограничивающие мощность, передаваемую ИКС.
Отводимый тепловой поток в зоне испарения, как правило, ограничивается наступлением пленочного кипения. Максимальная плотность теплового потока - критический тепловой поток при кипении в большом объеме - может быть определена по формуле и зависит от геометрии, поверхности теплообмена и её состояния, вязкости жидкости, недогрева и др. Изменяя эти условия, можно уменьшить период наступления кризиса кипения и увеличить qKp. Кроме того, как уже отмечалось, кипение на капиллярной структуре позволяет получить практически постоянную интенсивность теплообмена при кипении во всем диапазоне пузырькового кипения. В связи с этим предельные характеристики ИКС определяют экспериментально [81], и полученные данные могут служить основой для определения обогащенных зависимостей. В зоне конденсации ограничения связаны с интенсивностью процесса, которая на вертикальной гладкой поверхности определяется формулой (1-8) (пленочная конденсация). При правильном выборе конструкции ИКС наибольшим термическим сопротивлением обладает именно зона конденсации. Для увеличения коэффициентов теплоотдачи используют разные методы, например, оребрение поверхности теплообмена, создание условий капельной конденсации, различные силовые воздействия (в том числе электрических полей) на плёнку конденсата.
Ограничения мощности, связанные с возвратом жидкого теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения, связаны с выбором способа его транспортирования и предопределяются напорно-расходными характеристиками метода. При ограничении мощности ИКС из-за транспорта теплоносителя необходимо принять меры по улучшению характеристик методов его доставки.
Термодинамический подход к проблеме интенсификации теплопереноса
Жидкий диэлектрик втягивается в область с большей напряженностью поля, поэтому, создавая неоднородное электрическое поле с повышающейся напряженностью от зоны конденсации в сторону зоны испарения, можно как увеличивать интенсивность теплообмена в соответствующих зонах, так и обеспечивать транспорт теплоносителя в зону испарения. Этот принцип может быть реализован различными приемами.
Наиболее просто это реализуется, если высоковольтный электрод изготовлен с изменяющимся сечением [77] так, чтобы межэлектродное расстояние было переменным (уменьшалось бы в сторону зоны испарения). Для расширения диапазона регулирования теплопередачи между теплообменной поверхностью и высоковольтным электродом может быть расположен дополнительный перфорированный электрод, установленный также с зазором.
На рис. 1.21а схематично изображена предлагаемая ИКС, содержащая заземленный герметичный корпус 1 с зонами испарения 2 и конденсации 3, расположенный по оси корпуса электрод 4, заземленный на диэлектрических опорах 5. Между электродом 4 и стенкой корпуса 1 установлен дополнительный перфорированный электрод 6, образующий с ними зазоры 7 и 8 переменного сечения, уменьшающегося соответственно в направлении зон конденсации и испарения. Опоры 5 образуют диэлектрический кольцевой разъем в каждой ветви трубы. Электрод 4 может быть выполнен в виде стержня, конуса или шара. В номинальном режиме электроды 4 и 6 находятся под одним потенциалом и конденсат под действием поля всасывается в зазор 8 между электродом 6 и корпусом 1 в направлении зоны испарения 2, где при подводе тепла теплоноситель испаряется и пар конденсируется в зоне конденсации 3. Изменяя потенциалы на электродах 4 и 6 и их взаимное соотношение, можно регулировать тепловой поток в ЭГД-ИКС в широком пределе. Кроме того, данная система позволяет организовать разветвленную сеть испарительных участков (рис. 1.216). При этом интенсивность теплообмена каждой зоны испарения регулируется автономно. Для одного участка подобной системы исследована теплоотдача зоны испарения (рис. 1.21 в). Сетку 6 в этом случае отключали, а высокое напряжение подавали только на электрод 4.
В отсутствие поля при работе против сил тяжести коэффициент теплоотдачи не превышает 2x10 Вт/м К (рис. 1.21 в), причем предельные тепловые потоки резко уменьшаются даже при незначительном превышении испарителя над конденсатором. Вероятно, в отсутствие поля ИКС работает при частично осушенном фитиле, поскольку при включении поля (кривая 3) наблюдается существенный рост коэффициента теплоотдачи до 4x103 Вт/м2 К, то есть до величин, характерных для полностью смоченного фитиля в режиме термосифона. Таким образом, неоднородное электрическое поле позволяет увеличить теплопередающие и предельные характеристики ЭГД-ИКС.
Неоднородное электрическое поле можно создавать цепью из последовательно соединенных высоковольтных резисторов, установленных в паровом канале, причем концы цепи и её участки между резисторами подключены к соответствующим секциям электрода по мере их удаления от зоны испарения. На рис. 1.21 показана ЭГД-ИКС, содержащая герметичный цилиндрический корпус 1 с паровым каналом 5 и зонами испарения 2, конденсации 8 и транспорта 10. В зоне транспорта 10 стенка корпуса 1 выполнена из чередующихся диэлектрических участков 6 и секций 5 электрода, крайняя из которых, примыкающая к зоне испарения 2, подключена к источнику тока с помощью высоковольтного ввода 11. В паровом канале 3 установлена цепь 4 из последовательно соединенных высоковольтных резисторов 9, причем концы цепи 4 и её участки между резисторами подключены к соответствующим секциям 5 электрода по мере их удаления от зоны испарения 2. Корпус 1 в зоне конденсации 8 заземлен. На внутренней поверхности корпуса 1 может быть установлена капиллярно-пористая структура 7 из диэлектрического материала. Теплоноситель испаряется в зоне 2, пар конденсируется в зоне 8, откуда конденсат по капиллярно-пористой структуре 7 поступает в зону транспорта 10, в которой секциями 5 электрода с помощью резисторов 9 создано неоднородное электрическое поле с напряженностью возрастающей в направлении зоны испарения. Под действием пондеромоторных сил конденсат движется к зоне испарения 2. Однако отметим необходимость значительного потенциала, подводимого к цепи 4. Его можно снизить, если использовать переменное напряжение, а секции электрода соединить посредством конденсаторов и диодов по схеме умножения напряжения, служащих одновременно крепежными элементами секционированного электрода.
