Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА ПЕРВАЯ. Анализ состояния вопроса. Обоснование задач исследования 13
1.1. Исходные положения. 13
1.2. Анализ литературных данных по процессам гидродинамики в канальных тепловых трубах . 21
1.3. Анализ литературных данных по процессам тепло- и массообмена в канавчатых структурах тепловых труб . 28
1.4. Анализ литературных данных по оптимизации тепловых труб и систем обеспечения теплового режима на их основе. 38
Выводы. 40
ГЛАВА ВТОРАЯ. Исследование термических сопротивлений канавчатых капиллярных структур методом электротепловой аналогии 43
2.1, Исходные положения 43
2.2, Установка и методика исследования термических сопротивлений смоченных канавок методом электротепловой аналогии 51
2.3, Результаты исследований термических сопротивлений канавок методом электротепловой аналогии 58
2.4, Тепловые модели теплопереноса при испарении с поверхности смоченных канавчатых структур. Обработка данных электромоделирования. 79
Выводы. 95.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Экспериментальные исследования термических сопротивлений канавчатых капиллярных структур 99
3.1. Экспериментальный стенд и методика опытного изучения характеристик тепловых труб с канавчатыми структурами 99
3.2. Экспериментальная установка и методика исследования теплообмена при испарении в канавках в условиях капиллярной подачи жидкости 105
3.3. Анализ погрешностей измерений 113
3.4. Результаты экспериментальных исследований теплообмена при испарении в канавках тепловых труб 117
3.5. Экспериментальные исследования на канавчатой поверхности 132
Выводы 142
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Оптимизация параметров канавчатых структур тепловых труб и
систем охлаждения на их основе.
Инженерная методика расчета 144
4.1. Исходные положения 144
4.2. Теплогидродинамическая модель оптимальной канавчатой капиллярной структуры ТТ по минимуму термического сопротивления 147
4.3. Оптимизация системы охлаждения с применением тепловых труб 160
4.4. Инженерная методика выбора параметров
системы охлаждения с тепловыми трубами 168
Выводы 173
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 175
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 177
ПРИЛОЖЕНИЯ 184
- Анализ литературных данных по процессам гидродинамики в канальных тепловых трубах
- Установка и методика исследования термических сопротивлений смоченных канавок методом электротепловой аналогии
- Экспериментальный стенд и методика опытного изучения характеристик тепловых труб с канавчатыми структурами
- Теплогидродинамическая модель оптимальной канавчатой капиллярной структуры ТТ по минимуму термического сопротивления
Введение к работе
Планами развития народного хозяйства, Директивами ХХУІ съезда КПСС предусмотрено интенсивное развитие радиоэлектро -ники, автоматики, вычислительной техники и других областей техники, связанных с использованием, передачей и преобразованием электрической энергии.
Общие тенденции развития определяются стремлением к микроминиатюризации, повышением компактности при одновременном улучшении таких функциональных характеристик, как надежность, помехоустойчивость, быстродействие и др. Вместе с тем растут плотности тепловыделения, что осложняет обеспечение теплового режима и требует изыскания новых прогрессивных принципов конструирования. Значительное число задач по обеспечению теплового режима РЭА можно решить на основе применения низкотемпературных тепловых труб (НТТ) при заметном снижении массы и габаритов системы охлаждения.
Многочисленные исследования процессов и характеристик НТТ, выполненные в нашей стране и за рубежом, показали перспективность применения НТТ с различными вариантами капиллярно-пористых структур: сетчатыми, металловолокнистыми, гофрированными, канавчатыми и др. Для подавляющего большинства капиллярно-пористых структур (фитилей) НТТ существует проблема обеспече -ния стабильного контакта между фитилем и корпусом ТТ. Эта проблема отсутствует в ТТ с канавчатыми фитилями, поэтому для тепловых труб с такими структурами можно рассчитывать на стабильность основных характеристик, что благоприятно сказывается на надежности системы охлаждения. Это преимущество в ряде случаев применения ТТ может оказаться решающим.
Подавляющее большинство исследований ТТ с канавчатыми структурами, в том числе с применением комбинированных конструкционных фитилей (с канавками и сетчатыми артериями, с канавками, покрытыми сетчатыми и спеченными структурами,и т.п.), в основном посвящены изучению гидродинамических характеристик при течении жидкости в канавках: условиям максимального массо-переноса, особенностям взаимодействия потоков пара и жидкости на границе раздела, зависимости коэффициента трения от формы канавки и места расположения мениска и т.д. и т.п.
Практически отсутствуют систематические исследования термических сопротивлений канавчатых поверхностей ТТ,в частности, на участках подвода тепла в достаточно характерном испарительном режиме. Имеющиеся отдельные данные разрозненны и не позволяют получить зависимостей коэффициентов теплоотдачи от основных факторов. Поэтому для произвольной формы канавки,различных сочетаний геометрических и режимных параметров оказывается невозможным расчет термического сопротивления ТТ с канавчатыми фитилями также, как расчет и оптимизация систем охлаж -дения, использующих указанные устройства.
Известные работы по определению оптимальных размеров канавчатых структур основываются на выборе в качестве критерия оптимальности максимальной тепловой мощности, что позволяет ограничиться анализом только основного гидродинамического уравнения ТТ. Между тем на практике обычно тепловая мощность для ТТ является величиной заданной, и критерием опти -мальности является полное термическое сопротивление ТТ - /? . Выбор в качестве условия оптимальности условия минимума /?тт требует разработки теплогидродинамической модели оптимизации канавчатой структуры. Постановка и решение подобной задачи не известны. Этими обстоятельствами определяется актуальность темы настоящей диссертационной работы.
Основная цель выполненных исследований со -стояла в получении зависимостей по расчету теплоотдачи на участке подвода тепла ТТ с канавками; по оптимальным парамет -рам канавчатых поверхностей и систем охлаждения с НТТ на основе экспериментальных, аналитических исследований и данных, полученных методом электротепловой аналогии.
В настоящей работе методом моделирования на электропро -водной бумаге процессов теплопроводности, происходящих при испарении в смоченных канавчатых структурах, получены в широком диапазоне изменения геометрических, физических и режимных па -раметров, данные по относительной эффективной теплопроводности Хэ/Хж» Эти данные обработаны с использованием условных теп -ловых моделей, качественно характеризущих механизм переноса тепла при испарении в смоченных канавках.
Таким образом, в широком диапазоне изменения геометрических, физических и режимных параметров получены данные по относительной эффективной теплопроводности Х^/Я^. Некоторые из полученных зависимостей могут быть использованы для расчета теплоотдачи на участках конденсации (треугольные и трапецеи -дальние канавки с плоским мениском). Полученные зависимости являются новыми.
В работе проведены экспериментальные исследования характеристик тепловых труб с канавчатыми поверхностями теплообмена на участке подвода тепла, показана перспективность приме -нения ТТ с канавками в качестве элемента конструкции прибор -ного шкафа, получены положительные результаты по работоспособности таких ТТ и рекомендации по совершенствованию технологии их изготовления. Данные по теплоотдаче на участках подвода тепла сопоставлены с расчетом.
Выполнены эксперименты по изучению теплоотдачи при испарении с канавчатой поверхности при независимом моделировании процесса теплоотвода и капиллярной подачи жидкости в условиях надежной визуализации контроля смачиваемости поверхности и т.п. Полученные опытные данные приемлемо согласуются с расчетами, основанными на использовании данных электромоделирова -ния и соотношений, полученных из основного гидродинамического уравнения ТТ с канавками. Предложенная методика и полученные результаты являются новыми .
При использовании известных допущений и ограничений впервые предложена теплогидродинамическая модель определения оптимальных параметров канавчатых структур по минимуцу термического сопротивления ТТ. На основе этой модели получены соотноше -ния для расчета оптимальных геометрических параметров канавок.
Впервые поставлена и численным методом на ЭВМ решена задача оптимизации параметров системы с тепловыми трубами для условий жидкостного охлаждения при использовании ТТ в качестве элементов конструкции приборного шкафа и при применении в ТТ канавчатой структуры, испытанной в опытах автора.
Результаты численной оптимизации, обработанные с применением известного коэффициентного метода, позволили предложить инженерную методику выбора параметров подобных систем охлаждения. Эти результаты и рекомендации по расчету термических сопротивлений ТТ с канавками, а также методики выбора параметров систем охлаждения с применением ТТ переданы промышленности и внедрены в практику проектирования, что подтверждается актом, представленным в приложении. Этим определяется практическая значимость данной диссертационной ра- боты.
Результаты исследований позволяют сформулировать следующие научные положения:
1. Теплоотдача при испарении с канавчатых поверхностей тепловых труб характеризуется относительной эквивалентной теп лопроводностью Хэ/Лж» определяемой соотношением вида для канавок прямоугольной формы и для треугольных канавок. Постоянные С7*& , и /п зависят от соотношения Лд./ Х„
2. Оптимальные параметры канавчатых поверхностей тепловых труб определяются из условия минимума их термического сопро - тивления, формируемого при совместном рассмотрении основного гидродинамического уравнения для ТТ с канавками, и полученных методами электромоделирования соотношений для относительной эквивалентной теплопроводности Хэ/Хж*
Исследования настоящей диссертационной работы согласуются с планами важнейших научно-исследовательских работ УССР, пре -дусматриваемых Постановлением Президиума АН УССР от 28.04.83г. №242 по проблеме "Теплофизика", раздел 1.9.7.6: "Тепломассообмен при двухфазных течениях, кипении и конденсации", тема: "Исследование теплообмена и гидродинамики в тепловых трубах и термосифонах в различных диапазонах температур. Разработка методов оптимизации их характеристик".
Тема и результаты диссертации полностью соответствуют программе комплексных исследований вузов Минвуза УССР на 1981-
1985 годы по направлению "Теплофизические проблемы создания высокоэффективных теплообменных аппаратов и повышение их на -дежности", тема: 02.01: "Исследовать закономерности теплооб -менных процессов в тепловых трубах и создать методику расчета и оптимизации теплообменных систем на основе тепловых труб".
Анализ литературных данных по процессам гидродинамики в канальных тепловых трубах
Особенность исследований гидродинамики жидкости в канавчатых структурах ТТ связана с практической невозможностью непосредственных измерений градиентов давления в открытых каналах малого размера. Поэтому все экспериментальные исследова -ния, результаты которых использовались для обоснования гидродинамических соотношений по расчету течения в канавках, имели своей целью определение максимальных тепловых потоков. К та -ковым относятся [з,9,17,18,24,30,39,40,50-54,62,6б].
Большинство авторов по результатам опытов делают вывод о правомерности определения градиентов статического давления при движении в канавках по уравнению Дарси с использованием в качестве характерного размера эквивалентного диаметра.
Установка и методика исследования термических сопротивлений смоченных канавок методом электротепловой аналогии
Для определения термических сопротивлений методом электротепловой аналогии использовалось моделирование температурных полей на электропроводной бумаге, основы которого подробно из -ложены в I 41J. Выбор технических средств и приемов для решения задач исследований термических сопротивлений смоченных канавок производился с учетом особенностей поставленной задачи. Эти особенности таковы:
1. Цель исследований состояла не в изучении температурных полей в смоченных канавках различных форм и свойств, а в опре -делении зависимостей термических сопротивлений канавок от всей совокупности влияющих факторов.
2. Необходимое число вариантов моделей для определения искомых зависимостей даже при использовании некоторых упрощающих предположений должно было составить сотни и даже тысячи. Поэтому оказалось технически сложным и даже нереализуемым изготовление множества моделей большого масштаба (размером 0,5-1,0 м) с неразъемным клеевым соединением на соответствующих участках металлических шин, что рекомендуется в I 41 I. Пришлось ориентиро -ваться на модели меньших масштабов общими размерами 0,15-0,80 м с обеспечением контакта между шинами и моделью путем механического прижима на вакуумном столе.
Это позволило набрать необходимые данные электромоделиро -вания в приемлемые сроки. Для того, чтобы оценить, насколько используемая методика электрического моделирования может повлиять на точность полученных результатов, было выполнено следуюшее:
І. Для некоторой выборки моделей электропроводной бумаги были выполнены измерения электрических сопротивлений при изготовлении моделей с приклеенными шинами лэ и на вакуумном столе /?Эг . Сопоставление результатов (рис.2.3) позволяло считать допустимым использование механического прижима на вакуумном столе.
2. Были выполнены модели нескольких типов в большом мае -штабе Q// 0j7 / ) и данные по относительной эффективной тепло -про водности Л3/Лж, полученные на таких моделях, сопоставля -лись с соответствующими данными по моделям малых масштабов.Заметных отклонений не обнаружено.
3. Проводились измерения электрических сопротивлений прямоугольных моделей, изготовленных из низкоомной электропроводной бумаги, и тех же моделей, но разрезанных и склеенных по методике склеивания, принятой в исследованиях. При сопоставлении соответствующих данных расхождений также не обнаружено.
Экспериментальный стенд и методика опытного изучения характеристик тепловых труб с канавчатыми структурами
Исследование характеристик плоской тепловой трубы проводилось на экспериментальной установке, схема которой изображена на рис.3.I. Эксперименты выполнялись на макете плоской ТТ, состоящей из испарительного участка 2 с артериальной структурой 3, транспортного участка и конденсатора 8. Конденсатор пред -ставляет собой теплообменник типа "труба в трубе". Поверхность теплообмена со стороны охлаждающей воды имеет оребрение.
Циркуляционный насос "Кама-2"-31 обеспечивает циркуляцию охлаждающей воды по контуру: конденсатор опытного участка -охладитель 15 - камера подогрева 18 - конденсатор. В охладителе размещен змеевиковый испаритель 16 фреонового компреесорно-конденсаторного агрегата 27 С&АК-ІДЕ. В качестве привода компрессора использован электродвигатель постоянного тока П 21-04 28 с широким диапазоном регулирования скорости вращения. Этим обеспечивается возможность плавной регулировки холодопроизво -дительности агрегата в широком интервале изменения температуры воды в охладителе.
Требуемые режимы работы холодильного агрегата устанавли -вались дроссельным вентилем 24 и изменением числа оборотов привода компрессора. Контроль за режимами работы холодильной установки осуществлялся по показателям манометров на всасывающей 25 и нагнетальной 26 линиях. В качестве электропусковой и регули -рующей аппаратуры в комплекте с двигателем П 21-04 использовался тиристорный усилитель У-252 29.
Теплогидродинамическая модель оптимальной канавчатой капиллярной структуры ТТ по минимуму термического сопротивления
Существующие методики выбора оптимальных параметров капиллярных структур тепловых труб, как отмечено ранее (глава I), носят частный характер и не учитывают особенность действия тепловой трубы как элемента системы охлаждения.
Эта особенность определяет при формировании задач оптимизации тепловых труб необходимость ориентироваться на те критерии оптимальности, которые естественны для системы охлаждения или даже в большей степени для той системы РЭА, для которой предназначена система охлаждения. Такими естественными крите -риями являются надежность, помехоустойчивость, массогабаритные характеристики и др.
Пусть Е - некоторый критерий оптимальности системы ох -лаждения, использующей тепловые трубы, а Х„3г3--., - некоторые независимые переменные конструктивные параметры ТТ, на -пример такие как толщина капиллярной структуры, характерные размеры капиллярной структуры (ширина, глубина и шаг прямоу -гольных канавок, угол треугольной канавки и т.п., число и размеры артерий для артериальных тепловых труб и т.д.).Оптимальные значения Хг определяются из известных условий
Но влияние тепловой трубы на такие параметры системы, как надежность, помехоустойчивость, энергозатраты, масса (если массой тепловой трубы в сравнении с массой системы охлаждения можно пренебречь) и др., проявляется через перепад температур на ТТ-л71т , т.е. через полное термическое сопротивление ТТ: где 6?гт - тепловая мощность ( Q обычно ве-личина заданная).
Как правило, чем меньше /г , тем лучше характеристика Д т.е. г Q . Это означает, что условия оптимальности си стемы охлаждения применительно ко многим конструктивным пара -метрам ТТ ,0 ...00 сводятся к условиям вида:
Соотношения (4.3) справедливы для "внутренних" параметров ТТ таких, как параметры капиллярной структуры ТТ.
Для канавчатых структур таковыми являются шаг, ширина и глубина канавок прямоугольной формы, ширина и угол канавок треугольной формы. Такие параметры, как периметр корпуса ТТ, длина участка конденсации и т.п., т.е. "внешние" параметры, как правило, монотонно влияют на полное термическое сопротивление ТТ: так, чем больше периметр ТТ и длина участка конденсации, тем меньше полное термическое сопротивление ТТ и, следовательно, тем лучше такие параметры, как надежность, поме -хоустойчивость, энергозатраты, масса РЭА и системы охлаждения.
