Теплоперенос в перспективных устройствах обеспечения теплового режима технологического оборудования – термосифонах

Актуальность. Современное состояние и тенденции развития
технологического оборудования и энергоиспользующих аппаратов требуют
разработки новых технологий, установок для производства, преобразования и
хранения энергии [1]. Успешно решить такие сложные задачи можно только при
решении фундаментальной проблемы отвода тепловых потоков высокой плотности
от элементов современных и перспективных систем и установок, использующих
тепло, и обеспечения регламентных температурных режимов их работы [2].
В разных отраслях промышленности и в социальной сфере достаточно часто
возникают аварийные ситуации, вызванные интенсивным перегревом
теплонагруженного оборудования передовых промышленных, цифровых и
интеллектуальных технологий. Например, в последние годы происходили
возгорания трансформаторов на ТЭЦ и АЭС [3,4], рабочая часть которых
охлаждалась маслом с температурой воспламенения 418 К. Зимой 2019 года
произошел перегрев магистрального шинопровода в Петербургском дата-центре
Xelent [5], что привело к обесточиванию клиентского оборудования и к сбоям
соцсети «ВКонтакте» во многих городах России.
Аккумуляторные батареи различного назначения становятся всё более
энергоемкими, а длительность их полной зарядки к настоящему времени
сократилась от нескольких часов до 10 минут [6]. Быстрая зарядка сопровождается
быстрым разогревом и, как следствие, тепловым разгоном (перегрев электролита,
вызывающий неуправляемую реакцию, которая может привести к возгоранию). За
последние десять лет происходили возгорания аккумуляторных батарей
авиалайнеров Boeing 787 Dreamliner [7], парома MF Ytterøyningen [8], научно-
исследовательской глубоководной станции АС-31 [9], современных
электромобилей (например, Hyundai [10], Mitsubishi [11], Porsche [12], Volkswagen
[13], Tesla [14]). В результате взрыва аккумуляторных батарей гибли люди [9].
Несмотря на невысокие температуры аппаратуры (до 423 К), поверхностей
пластинчатых твэлов и замедлителя системы охлаждения (воды) не всегда
возможен контроль температуры химических реакций реакторов периодического
действия [15]. Нарушение теплового режима низкоэнергетических реакторов типа
MTR привело к взрыву с разрушением активной зоны реактора [16,17] (взрывом
отбросило механизмы управления регулирующего стержня весом одну тонну в
воздух на десять метров [16]).
С целью сбережения материальных и экономии энергетических ресурсов
необходим выбор параметров конструкции систем обеспечения теплового режима
(СОТР), обеспечивающих эффективную работу технических систем или
технологического оборудования. В настоящее время отвод теплоты от
тепловыделяющих частей технических устройств и агрегатов, как правило,
реализуется «традиционными» методами с использованием относительно больших
объемов и расходов теплоносителя. Но применение таких способов охлаждения
теплонапряженного оборудования с использованием значительных объемов
жидкого или газообразного теплоносителя не всегда реализуемо, так как для отвода
тепловых потоков высокой плотности необходимы развитые теплообменные
поверхности, нередко превосходящие площадь источника тепловыделения. В таких
случаях эффективное охлаждение поверхностей теплообмена энергонасыщенного
оборудования может быть обеспечено системами на базе тепловых труб (ТТ) и
термосифонов (ТС) [18]. Высокая интенсивность теплопереноса в таких
устройствах связана с фазовыми превращениями (испарение, кипение и
конденсация) в их внутренней полости. В типичных тепловых трубках жидкость
движется за счет капиллярных сил, поэтому они могут работать в условиях
невесомости (например, при отводе теплоты от электронной аппаратуры в
космических аппаратах [19]), в горизонтальном положении (например, при
охлаждении компьютерных компонентов [20]). При работе ТС в условиях высоких
температур возникает эффект осушения зоны испарения «dry out» [21] – конденсат,
стекающий в испарительную часть, испаряется раньше, чем достигает нижней
крышки. Такой режим снижает эффективную теплопроводность ТС и
эффективность всей СОТР. В термосифонах отсутствует «фитильная» структура
(теплоноситель движется за счет гравитационных сил), поэтому они не только
отличаются простотой и надежностью, но и обладают высокими
теплопередающими характеристиками по сравнению с тепловыми трубами, так как
лишены дополнительного сопротивления движению конденсата. Благодаря таким
преимуществам ТС над ТТ компания IceGiant из Техаса (США) выпустила в январе
2021 года [22] в продажу СОТР компьютерных процессоров на базе термосифона
(IceGiant ProSiphon Elite), которая эффективнее традиционных кулеров башенной
компоновки с тепловыми трубками (например, Noctua NH-U14 или Arctic Freezer 50).
Эффективное охлаждение поверхностей теплообмена энергонасыщенного
оборудования может быть обеспечено системами на базе термосифонов, но
прогнозирование характеристик процессов теплопереноса (в результате
теплопроводности и конвекции) в таких устройствах возможно пока лишь с
использованием данных, полученных в технически сложно реализуемых
экспериментальных исследованиях теплопередающих свойств ТС. Хотя
термосифоны и являются перспективными техническими устройствами для
передачи теплоты, их широкое использование сдерживается из-за отсутствия
инженерной теории процессов работы термосифонов, обеспечивающей решение
задач конструирования СОТР технических систем и технологических процессов на
базе термосифонов. Отсутствие же такой теории обусловлено в том числе
недостаточными знаниями о физике происходящих при работе термосифонов
гидродинамических и тепловых процессов.
Степень разработанности темы исследования. На сегодняшний день
исследованию процессов тепломассопереноса в термосифонах посвящено
значительное число работ [23–90]. Существенный вклад в развитие теории
теплофизических и гидродинамических процессов в термосифонах внесли такие
исследователи, как М. К. Безродный, И. Л. Пиоро, M. Groll, Л. Л. Васильев,
Ю. Ф. Майданик, Г. В. Кузнецов, H. Jouhara, C. C. Wang, S. Lips, C. L. Tien,
A. Faghri. Получены [23–26] выражения по прогнозированию критической
плотности теплового потока для разных конструкций термосифонов и
теплоносителей. Экспериментально и численно определены [27–32] температуры в
характерных точках по высоте ТС. Сформулированы гипотезы [33,34] о механизме
возникновения флуктуаций температур теплоносителя в жидком и газообразном
состоянии в термосифоне. Установлены [35–38] факторы, приводящие к
аварийному режиму работы ТС (соответствующему полному испарению
теплоносителя в испарительной части). Выделены [39–42] режимы (кольцевой,
пузырьковый, снарядный и др.) движения двухфазного теплоносителя в
вертикальных каналах. Установлено [43–46] влияние ряда факторов (подводимый
тепловой поток, угол наклона, степень заполнения) на характеристики
(термическое сопротивление, коэффициент теплоотдачи в испарительной и
конденсационной частях ТС) процессов тепломассопереноса в термосифонах.
Исследования, направленные на анализ процессов, происходящих в термосифонах,
условно можно разделить на две основные группы по подходам: выбор
теплоносителя с лучшими теплофизическими свойствами [47–51] и модификация
конструкции термосифона [52–55]. Установлено, что использование в
термосифоне бинарных смесей и наножидкостей, которым уделено большое
внимание в последние годы [56–60], позволяет достичь низкого термического
сопротивления (эффективность работы устройств повышается). Также
установлено, что увеличить интенсивность теплообмена в зонах теплоподвода и
теплоотвода можно, в первую очередь, за счет оребрения их внешней вертикальной
поверхности [61–65] или путем модификации поверхностей парового канала, зон
испарения и конденсации [66,67,76,68–75].
Физика совместно протекающих процессов теплопроводности, конвекции и
фазовых превращений в экспериментальных исследованиях процессов
теплопереноса в термосифонах недостаточно изучена в связи с проблемами
регистрации температур, давлений, скоростей движения паров и конденсата во
внутренней полости ТС. Из-за сложности герметизации паровых каналов при
установке датчиков такие работы проводились редко [31,32,38,46,51].
Результаты численных исследований закономерностей теплопереноса в
термосифонах получены с использованием сложных математических моделей
[28,77–79] и в среде специализированных пакетов программ типа Ansys Fluent
[63,80–84]. Очень высокая трудоемкость решения задач такого типа вызвана, в
первую очередь, сложным комплексом процессов, протекающих в замкнутом
полом цилиндре со стенками конечной толщины, паровом канале, теплоносителе
на нижней крышке термосифона, пленках жидкости на боковых поверхностях и на
нижней поверхности верхней крышки ТС [81].
Известны [28,63,85,86,77–84] математические модели и методы расчета
характеристик теплопереноса в закрытых двухфазных термосифонах. Одним из
существенных недостатков основных используемых пока моделей, например [77],
является допущение об отсутствии влияния теплоотвода в стенки термосифона. Но
высокая интенсивность теплопереноса в условиях фазовых переходов в
термосифоне приводит к существенному повышению роли теплоотвода в стенки
ТС [82,87]. Известны теоретические исследования [85,86,88], в которых
допускалось, что теплоперенос в слое теплоносителя на нижней крышке
термосифона протяженностью несколько десятков метров реализуется только за
счет теплопроводности в условиях тепловых потоков высокой плотности,
характерных для ядерных реакторов. Однако экспериментально [89,90]
зарегистрированная высокая степень однородности температурных полей в слое
теплоносителя на нижней крышке термосифона не может быть следствием
переноса теплоты только за счет теплопроводности. Высока вероятность
интенсификации теплопереноса в результате термогравитационной конвекции в
этом слое.
Конвективные течения в горизонтальном слое жидкости при интенсивном
нагреве его нижней поверхности и испарении со свободной поверхности являются
примером сложных задач теплофизики [91–94]. Экспериментально такие процессы
изучаются преимущественно с помощью PIV-метода [91] или трехмерных
томографических измерений [92]. Известны результаты экспериментальных
[92,93] и численных [92,94] исследований, в которых испарение с поверхности
горизонтального слоя жидкости происходило при комнатной температуре без
нагрева, но в условиях движения инертного газа над слоем жидкости. Движение
инертного газа не только способствовало возмущениям поверхности жидкости
(возникала термокапиллярная конвекция из-за градиента температуры вдоль
поверхности раздела «жидкость-газ»), но и не позволяло применить результаты к
термосифонным системам. В термосифонах в отличие от условий, которые
рассматривались в [92–94], к нижней поверхности слоя жидкости подводится
тепловой поток, а на верхней поверхности реализуется процесс испарения.
Известны [95] результаты экспериментальных исследований температурных
полей в тонком слое воды и пара над ним в условиях локального нагрева жидкости
со стороны поверхности раздела «нагреватель-вода». Разработана [95] методика
измерения температуры по толщине слоя жидкости. Зарегистрирован [95] «скачок
температуры» на межфазной поверхности раздела «жидкость-пар». Но не
определены скорости движения жидкости.
Целью работы является разработка на основании анализа и обобщения
результатов экспериментов нового, существенно менее сложного по сравнению с
известными подхода к моделированию процессов теплопереноса в термосифоне.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Разработка методики определения закономерностей процессов
теплопереноса в термосифоне (влияние плотности теплового потока; температуры
поверхности нагрева; вида теплоносителя; степени заполнения испарителя на
распределение температуры по высоте устройства) в условиях подвода теплоты к
нижней крышке при интенсивном испарении (без кипения) слоя жидкости в
испарителе и охлаждения конденсатора воздухом.
2. Анализ влияния плотности теплового потока, температуры
поверхности нагрева, вида теплоносителя, степени заполнения испарителя на
распределение температуры по высоте термосифона.
3. Установление механизма переноса теплоты в слое теплоносителя на
нижней крышке термосифона и оценка скорости движения жидкости.
4. Разработка математической модели процессов теплопереноса
(кондукции и конвекции) в термосифоне, существенно менее сложной по
сравнению с известными и позволяющей вычислять с высокой степенью
достоверности характеристики (температура, массовая скорость испарения) слоя
теплоносителя на нижней крышке.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы
использованы методы экспериментального исследования процессов
теплопереноса. Численное исследование этих процессов выполнено при решении
задачи теплопереноса с использованием программного комплекса Matlab.
Подробное описание методики экспериментальных исследований, методов,
используемых в экспериментах, а также методов решения уравнений краевой
задачи теплопереноса представлено в главах 2 и 4.
Научная новизна работы.
1. Экспериментально установлены температуры в паровом канале, зонах
испарения и конденсации теплоносителя в термосифоне в условиях подвода
теплоты к его нижней крышке и охлаждения конденсатора воздухом за счет
естественной конвекции.
2. Впервые экспериментально определены скорости движения жидкости в
условиях, характерных для нижней крышки типичного термосифона: при нагреве
нижней поверхности слоя и испарении с его верхней поверхности.
3. По результатам анализа и обобщения полученных при работе над
диссертацией экспериментальных данных разработан новый подход к
моделированию процессов теплопереноса (конвекции и кондукции) в слое
теплоносителя на нижней крышке термосифона, который заключается в
упрощении постановки задачи в части описания процессов естественной
конвекции путем введения в уравнение энергии конвективного слагаемого.
4. Сформулирована математическая модель теплопереноса в термосифоне,
отличающаяся от известных тем, что при своей относительной простоте она
описывает естественную конвекцию и теплопроводность в слое теплоносителя,
кондукцию в вертикальных стенках испарительной части ТС и позволяет оценить
основные характеристики теплопереноса в термосифоне без использования
специализированных компьютерных пакетов.
Практическая значимость работы. Разработанная оригинальная
математическая модель позволяет проводить прогностическую оценку скорости
испарения теплоносителя на нижней крышке термосифона в условиях подвода
теплоты к его нижней крышке и охлаждения конденсатора воздухом за счет
естественной конвекции. Результаты диссертационной работы могут быть
использованы при разработке СОТР энергонасыщенного оборудования на базе
двухфазных термосифонов. Регулирование интенсивности теплопереноса в
термосифоне позволит обеспечить регламентные температурные режимы работы
устройств и приборов энергетической, газовой, нефтяной, химической,
металлургической и ядерной промышленности. Разработано техническое решение
по конструктивно-компоновочной схеме термосифонов, направленной на
повышение интенсивности процессов теплопереноса в конденсационной части ТС.
Получены акт об использовании результатов диссертационной работы и патент на
устройство «двухфазный термосифон».
Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются
при проведении практических занятий и чтении лекций по дисциплине «Физико-
химические основы тепломассообменного оборудования».
Степень достоверности результатов проведенных исследований.
Достоверность полученных результатов обусловлена применением современных
средств измерений, методов анализа и обработки опытных данных, а также
хорошим согласованием экспериментальных и теоретических результатов. Оценка
достоверности полученных экспериментальных данных проводилась по
результатам расчетов погрешностей измерений регистрируемых физических
величин. С целью обоснования достоверности используемого алгоритма и
полученных численных результатов проведено решение менее сложных
нестационарных задач теплопроводности с использованием разработанной
автором диссертации программы расчета.
Связь работы с научными программами и грантами. Диссертационное
исследование выполнено в рамках проектов РФФИ № 19-38-90137 Аспиранты
«Тепломассоперенос в автономных системах терморегулирования ядерных
энергетических установок на базе термосифонов с внутренними
текстурированными поверхностями нижней и верхней крышек» и
РФФИ № 19-38-50099 «Системы отвода тепловой энергии от грунта и
теплонагруженных элементов на базе термосифонов в условиях, характерных для
Арктики и Антарктики».
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментальных исследований закономерностей
процессов теплопереноса в термосифоне (влияние плотности теплового потока,
подведенного к нижней крышке; температуры поверхности нагрева; вида
теплоносителя; степени заполнения испарителя на распределения температуры по
высоте устройства), механизма образования конденсата на верхней крышке
термосифона в условиях подвода теплоты к его нижней крышке и охлаждения
конденсатора воздухом за счет естественной конвекции.
2. Основной механизм переноса теплоты в слое теплоносителя на нижней
крышке термосифона – термогравитационная конвекция. Скорость движения
жидкости в диапазоне тепловых потоков от 0,04 до 1,3 кВт/м2 и толщин слоя
теплоносителя от 3,2 до 7,4 мм составляет от 0,02 до 0,7 мм/с для воды и
от 0,03 до 1,1 мм/с для этанола при атмосферном давлении над поверхностью
раздела фаз.
3. Новый подход к моделированию процессов теплопереноса (кондукции
и конвекции) в слое теплоносителя на нижней крышке термосифона,
заключающийся в упрощении постановки задачи в части описания процессов
естественной конвекции путем введения в уравнение энергии для слоя
теплоносителя на нижней крышке конвективного слагаемого, обеспечивает
возможность прогностического моделирования основной характеристики работы
термосифона – скорости испарения теплоносителя с поверхности слоя последнего
на нижней крышке термосифона.
Личный вклад автора состоит в разработке экспериментальных установок,
методики экспериментальных исследований процессов теплопереноса в
термосифоне; проведении экспериментальных и численных исследований; выборе
методов измерений в экспериментах, а также методов решения задачи
теплопереноса; обработке, анализе и обобщении полученных результатов; оценке
систематических и случайных погрешностей; в совместной с научными
руководителями формулировке выводов и основных защищаемых положений
диссертационной работы.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного
исследования докладывались и обсуждались на следующих научных
мероприятиях:
• II Международный молодежный форум «Интеллектуальные
энергосистемы», г. Томск (06-10 октября 2014 г.);
• III Международный молодежный форум «Интеллектуальные
энергосистемы», г. Томск (28 сентября – 02 октября 2015 г.);
• XXI международная научная конференция студентов, аспирантов и
молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск (05-09 октября
2015 г.);
• Научный Форум с международным участием XLIV «Неделя науки
СПбПУ», г. Санкт-Петербург (30 ноября – 05 декабря 2015 г.);
• IV Международный молодежный форум «Интеллектуальные
энергосистемы», г. Томск (10-14 октября 2016 г.);
• Научная конференция с международным участием XLV «Неделя науки
СПбПУ», г. Санкт-Петербург (14-19 ноября 2016 г.);
• XIV Всероссийская школа-конференция молодых ученых с
международным участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической
гидрогазодинамики», г. Новосибирск (22-25 ноября 2016 г.);
• X Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука.
Технологии. Инновации», г. Новосибирск (05-09 декабря 2016 г.);
• Международная молодежная научная конференция
«Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов
энергонасыщенного технического и технологического оборудования», г. Томск
(26-28 апреля 2017 г.);
• V Международный молодежный форум «Интеллектуальные
энергосистемы», г. Томск (09-13 октября 2017 г.);
• Международная молодежная научная конференция
«Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов
энергонасыщенного технического и технологического оборудования», г. Томск
(24-26 апреля 2018 г.);
• VII Всероссийская национальная конференция по теплообмену,
г. Москва (22-26 октября 2018 г.);
• XV Всероссийская школа-конференция молодых ученых с
международным участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической
гидрогазодинамики», г. Новосибирск (20-23 ноября 2018 г.);
• XII Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука.
Технологии. Инновации», г. Новосибирск (03-07 декабря 2018 г.);
• Международная молодежная научная конференция
«Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов
энергонасыщенного технического и технологического оборудования», г. Томск
(23-25 апреля 2019 г.);
• XIV Международная молодежная научная конференция
«Тинчуринские чтения», г. Казань (23-26 апреля 2019 г.);
• XXII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под
руководством академика А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и
тепломассообмена в энергетических установках», г. Москва (20-24 мая 2019 г.);
• Всероссийская конференция с элементами научной школы для
молодых ученых «XXXV Сибирский теплофизический семинар», г. Новосибирск
(27-29 августа 2019 г.);
• VIII Всероссийская научная конференция с международным участием
«Теплофизические основы энергетических технологий», г. Томск (09-11 октября
2019 г.);
• Всероссийская научная конференция с международным участием
XI Семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике, г. Санкт-Петербург
(21-23 октября 2019 г.);
• Национальная научно-практическая конференция с международным
участием XLVIII «Неделя науки СПбПУ», г. Санкт-Петербург (18-23 ноября
2019 г.);
• Всероссийская конференция с элементами научной школы для
молодых учёных «XXXVI Сибирский теплофизический семинар», г. Новосибирск
(05-07 октября 2020 г.);
• IX Всероссийская научная конференция с международным участием
«Теплофизические основы энергетических технологий», г. Томск (28-30 октября
2020 г.).
Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертации
изложены в 39 работах, из них 2 статьи из перечня российских рецензируемых
научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные