Экспериментальное исследование и математическое моделирование процессов теплопереноса в замкнутых двухфазных термосифонах

Для успешной работы современного энергетического оборудования важное
значение имеет отвод теплоты от отдельных тепловыделяющих элементов,
поверхностей [1 – 3] и интегральных модулей [4 – 6]. Применение традиционных
способов охлаждения циркулирующей водой или потоками воздуха не всегда
осуществимо, но всегда энергозатратно. Это связано с тем, что возникает
необходимость в развитых теплообменных поверхностях для отвода больших
тепловых потоков. Постановка таких задач во многом определяется
необходимостью решения проблемы тепловой защиты оборудования,
возможностью регулирования (в рабочем диапазоне) температур машин и
аппаратов, применением эффективных способов передачи и трансформации
тепловой энергии [3, 7 – 8].
Перегрев даже отдельных элементов технических систем в условиях выхода
из строя использующегося для отвода теплоты оборудования может привести к
аварийному режиму работы всей установки. Целесообразным, в этой связи,
является анализ возможности использования автономных (независящих от
источников электроэнергии) отводящих тепло устройств. Такими автономными
теплообменниками являются тепловые трубы [9, 10], которые принято разделять
на две группы – фитильные и бесфитильные. Фитильные тепловые трубы
являются теплопередающими устройствами, применяемыми в космической
технике, поскольку могут успешно работать в условиях невесомости. При
наличии гравитационных сил (земные условия) во многих областях техники и
отраслях промышленности предпочтительнее использовать термосифоны [11, 12].
Термосифон может использоваться для терморегулирования и
термостатирования различных технических устройств и технологических
процессов. Зоны испарения и конденсации в термосифоне пространственно
разделены, что позволяет трансформировать тепловые потоки за счет изменения
соотношения поверхностей этих фазовых превращений. Применение таких
достаточно эффективных [11, 12] теплообменников в системах охлаждения
нагреваемых до высоких температур элементов конструкций машин и аппаратов
может существенно повысить надежность их работы.
Замкнутые двухфазные термосифоны (ТС) многими авторами
рассматриваются [13 – 18] как достаточно перспективные и высокоэффективные,
надежные теплопередающие теплообменные устройства за счет автономности,
конструкционной гибкости, простоты изготовления, отсутствия движущихся
частей и необходимости использования электроэнергии. В связи с этим,
актуальным является исследование возможности применения термосифонов как
основного элемента системы охлаждения приборов, устройств и
оборудования [19 – 22]. Во многих исследованиях ТС, как правило, разделяется
на три зоны: испаритель, адиабатный участок, конденсатор. Деление это
достаточно условное, т.к. перенос жидкости и пара, а также фазовые превращения
происходят во всех зонах [23 – 25] с разной интенсивностью. Но до настоящего
времени термосифоны в промышленности используются мало. Объяснить это
можно тем, что недостаточно изучена физика совместно протекающих процессов
теплопроводности, конвекции и фазовых превращений в паровом канале, в зонах
испарения и конденсации, пленке конденсата, стекающего вдоль стенок, в
корпусе термосифона.
Следует отметить, что результаты изучения процессов теплопереноса в ТС
и их теплопередающей способности представляют собой, как правило, выводы о
преимуществах (или недостатках) конкретных вариантов термосифонов,
теплоносителей, конструктивно-компоновочных схем, технических или
технологических решений [26 – 31].
На основании анализа наиболее значимых [24 – 43] результатов
исследований теплопереноса в замкнутых двухфазных термосифонах можно
сделать вывод, что наибольшее значение имеет задача оценки
«производительности» [9 – 11, 21 – 23] их работы и анализ влияния основных
значимых факторов на теплопередающую способность [23, 39 – 42]. Основными
характеристиками работы термосифонов рассматриваются, как правило [22, 23],
их эффективная теплопроводность или термическое сопротивление. Но, в
основном, эти характеристики обеспечивают только интегральные оценки
производительности термосифона и не являются базой для анализа
закономерностей теплопереноса в таких теплообменниках. Более значимой для
физического анализа является информация по температурным полям характерных
зон термосифона. Но в связи с объективными трудностями такого рода измерений
в большинстве случаев экспериментальные исследования [29 – 46] были
ориентированы на анализ изменения температур только на отдельных участках
внешней поверхности корпуса теплообменника. Вследствие же достаточно
интенсивного перетока теплоты по корпусу термосифона как по поперечной, так
и по продольной координатам, измерений температур внешних поверхностей
недостаточно для анализа процессов, протекающих в зонах испарения,
конденсации и в паровом канале. Немногочисленные результаты измерений
температур в полости термосифона [47 – 50] отражают их изменение только в
отдельных точках внутренней поверхности этого устройства. Для объективного
анализа закономерностей процессов теплопереноса необходима информация о
нестационарных распределениях температур в зонах испарения, транспорта и
конденсации.
Теоретические исследования гидродинамических и тепловых процессов в
термосифонах проводились в большинстве случаев с использованием
коммерческих вычислительных пакетов типа Comsol и ANSYS FLUENT [51 – 57].
Но использование таких программных продуктов возможно только при известных
эмпирических характеристиках процессов фазовых превращений. Кроме того,
численное моделирование с применением таких пакетов или авторских кодов
[58 – 60] сопряжено с очень длительными вычислениями даже при описании
исследуемых процессов в рамках двумерных постановок.
По этой причине актуальным является проведение экспериментов с целью
установления распределений наиболее значимых характеристик процессов,
протекающих в термосифоне (температур жидкости и в паровом канале) при
рабочих температурах, близких к критическим (высоких тепловых нагрузках).
Также актуальна разработка менее сложных, по сравнению с постановками задач
на базе полной системы уравнений Навье-Стокса для пара и конденсата [51 – 60],
математических моделей нестационарного теплопереноса в двухфазном
термосифоне с целью описания процессов переноса теплоты с учетом фазовых
переходов на границах раздела сред «жидкость – пар» и «пар – жидкость» при
подводе теплоты к нижней крышке термосифона.
Цель работы заключается в разработке на основании анализа и обобщения
результатов экспериментальных исследований основных закономерностей
процессов теплопереноса в замкнутых двухфазных термосифонах
математической модели (и метода расчета процессов теплопереноса),
существенно менее сложной по сравнению с известными.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Разработка методики, планирование и проведение экспериментальных
исследований по регистрации температурных полей во внутреннем объеме
термосифона в условиях его работы в реальном для практики диапазоне
изменения тепловых потоков от охлаждаемых технических устройств.
2. Экспериментальное исследование процессов теплопереноса в паровом
канале, зонах испарения и конденсации при типичных для энергетического
оборудования тепловых потоках, подводимых к нижней крышке двухфазного
термосифона.
3. Разработка физической и математической моделей процессов
теплопереноса в замкнутом двухфазном термосифоне.
4. Разработка метода и алгоритмов решения задачи
свободноконвективного теплопереноса и кондукции в слое теплоносителя на
нижней крышке термосифона, теплопроводности для слоя конденсата на верхней
крышке (программного кода), а также теплопроводности в верхней и нижней
крышках.
5. Определение влияния основных значимых параметров: коэффициента
заполнения, теплового потока к нижней крышке, вида теплоносителя на режим
термогравитационного теплопереноса в двухфазном термосифоне.
6. Обоснование возможности использования двухфазных термосифонов
в системах охлаждения энергетического оборудования.
Научная новизна работы. Впервые по результатам экспериментальных
исследований установлены закономерности изменения температуры в
характерных сечениях парового канала, зон испарения и конденсации типичного
термосифона. По результатам анализа и обобщения экспериментальных данных
разработана физическая модель теплопереноса в двухфазном термосифоне.
Установлены основные характеристики процессов теплопереноса в двухфазном
термосифоне в рамках математической модели, существенно отличающейся от
известных и учитывающей процессы свободноконвективного теплопереноса и
фазовые превращения в зоне испарения, теплопроводности и фазовые
превращения в зоне конденсации, при тепловых потоках, соответствующих
условиям работы энергетического оборудования.
Практическая значимость. Разработанные физические и математические
модели теплопереноса в двухфазных термосифонах могут быть использованы при
разработке систем охлаждения энергетического оборудования на базе
двухфазных термосифонов. Предложены варианты возможного применения
исследовавшегося перспективного теплообменника в системах охлаждения
силовых трансформаторов тепловых электрических станций и для извлечения
геотермальной энергии с больших глубин с использованием каскада
термосифонов.
Достоверность результатов численных исследований. Проведен анализ
погрешностей результатов измерений при различных тепловых потоках в рамках
современной теории ошибок с использованием методов математической
статистики. Установлено удовлетворительное соответствие температур в
термосифоне, полученных в экспериментах, и результатов теоретических
исследований автора диссертации. Достоверность последних подтверждается
также тестированием используемых метода и алгоритма решения на менее
сложных задачах, результаты решения которых опубликованы в международных
журналах.
Научные положения и основные результаты, выносимые на защиту
1. Методика экспериментальных исследований процессов теплопереноса
в закрытом двухфазном термосифоне при различных значениях коэффициента
заполнения термосифона и условиях подвода теплоты.
2. Результаты экспериментальных исследований процессов
теплопереноса в замкнутом двухфазном термосифоне.
3. При высоких тепловых потоках, подводимых к нижней крышке
термосифона, характерные времена гидродинамических процессов в паровом
канале термосифона много меньше характерных времен формирования
температурного поля в слоях конденсата.
4. Математическая модель теплопереноса в замкнутых двухфазных
термосифонах, существенно отличающаяся от известных и учитывающая
процессы термогравитационной конвекции и фазовые превращения в зоне
испарения и процессы кондукции в зоне конденсации при тепловых потоках,
соответствующих условиям работы энергонасыщенного оборудования.
5. Результаты численного моделирования теплопереноса в замкнутом
двухфазном термосифоне, иллюстрирующие возможность применения
разработанной в диссертации математической модели и метода решения задачи
свободноконвективного теплопереноса при прогностическом моделировании
работы термосифона.
6. Предложения по возможному использованию термосифонов в
системах охлаждения энергетического оборудования и при извлечении
геотермальной энергии с больших глубин для передачи в систему
теплоснабжения.
Апробация работы: основные положения и результаты, полученные при
подготовке диссертации, докладывались на Всероссийской молодежной
конференции «Химическая физика и актуальные проблемы энергетики» (Томск,
2012), на XI Международной конференции студентов и молодых ученых
«Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2014), на III–V
Международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы»
(Томск, 2015 – 2017), на четвертой, пятой, шестой и седьмой Всероссийской
научной конференции с международным участием «Теплофизические основы
энергетических технологий» (Томск, 2014 – 2017), на международной
молодежной научной конференции «Тепломассоперенос в системах обеспечения
тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического
оборудования» (Томск, 2015 – 2018).
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в трудах
выше перечисленных конференций. Опубликовано 5 работ в журналах из списка
рекомендованных ВАК РФ: «Известия Томского политехнического университета.
Инжиниринг георесурсов», «Известия высших учебных заведений. Проблемы
энергетики», «Вестник ТюмГУ. Физико-математическое моделирование. Нефть,
газ, энергетика». 11 работ в изданиях, индексируемых базами данных «Scopus» и
«Web of Science»: «Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets
Engineering», «European Physical Journal Web of Conferences», «MATEC Web of
Conferences», 4 доклада в сборниках научных конференций, получено 2 патента
на полезную модель и одобрены 2 заявки на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,
трех глав, основных результатов и выводов, списка литературы. Диссертация
изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков,
5 таблиц. Библиография включает 198 наименований.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,
сформулированы цель и задачи исследования, отражена практическая значимость
и научная новизна полученных результатов.
Первая глава отражает современное состояние и тенденции развития
теоретических и экспериментальных исследований в области теплопереноса и
гидродинамики в термосифонах. Представлены результаты экспериментальных
исследований, в которых определение температурных полей проводится по
показаниям термопар на внешних поверхностях ТС. Проанализировано влияние
группы значимых факторов на работу термосифонов, а также результаты
математического моделирования процессов теплопереноса и гидродинамики с
использованием программных пакетов или авторских кодов.
Во второй главе представлена методика экспериментальных исследований
процессов теплопереноса в паровом канале термосифона, зонах испарения и
конденсации. Приведены результаты экспериментальных исследований
температурных полей в термосифоне. По результатам экспериментальных
исследований установлена зависимость изменения характерных температур от
величины теплового потока, подводимого к нижней крышке термосифона.
Зарегистрированы перепады температур по продольной и поперечной
координатам. Установлены основные закономерности их изменения с
увеличением теплового потока. Разработана физическая модель процессов
теплопереноса в паровом канале.
В третьей главе приведены физическая модель и математическая
постановка задач нестационарной термогравитационной конвекции на основе
системы нестационарных уравнений Навье-Стокса, энергии и теплопроводности в
частных производных, а также методы ее решения. Верификация математической
модели проводилась путем решения менее сложных задач. Приведены результаты
численного анализа основных закономерностей процессов термогравитационной
конвекции в двухфазных термосифонах. Установлено достаточно хорошее
соответствие полученных теоретических следствий с результатами
экспериментальных исследований. Рассчитаны поля температур и линии тока в
слое хладагента на нижней крышке и поля температур в слое конденсата на
верхней крышке, проанализированы особенности рассматриваемого процесса.
Выделены основные параметры термогравитационного теплопереноса в слое
жидкости, определяющие тепловой режим термосифона. Обоснована
возможность применения математической модели, разработанной автором
диссертации, для прогностического моделирования характеристик работы
термосифонов.
В заключении подведены основные итоги экспериментальных и
теоретических исследований, сформулированы соответствующие выводы.
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ (РЕЗУЛЬТАТЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ) О