Пульсационные течения в паровом канале тепловых труб Текст научной статьи по специальности «Физика»

Reference

1. Testoedov N., Mikhnev M., Mikheev A., Shatrov A., Dvirniy V., Zlotenko V., Filippov Yu., Ilyinykh V., The Technology of production of the spacecraft. Text-

book for universities ; Sib. State Aerospace University, Krasnoyarsk, 2009. 352 с.

© Поздняков А. С., Злотенко В. В., Двирный В. В. 2013

УДК 536.248.2; 532.574.2

ПУЛЬСАЦИОННЫЕ ТЕЧЕНИЯ В ПАРОВОМ КАНАЛЕ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ

А. В. Серяков, А. А. Павлов, Ю. Е. Михайлов, В. К. Белоусов

Научная лаборатория, специальное конструкторское технологическое бюро по релейной технике Россия, 173021, Великий Новгород, ул. Нехинская, 55. E-mail: [email protected]

Работа представляет собой часть комплексного расчетно-экспериментального исследования интенсификации теплопередающих характеристик тепловых труб (ТТ) низкотемпературного диапазона.

Ключевые слова: тепловые трубы среднего температурного диапазона, капиллярно-пористая вставка, капиллярные инжекторы пара, сопло Лаваля.

VORTEX FLOW PULSATION IN LOW TEMPERATURE HEAT PIPES

A. V. Seryakov, A. A. Pavlov, J. E. Mikhailov, V. K. Belousov

Joint Stock Company Special Relay System Design and Engineering Bureau 55, Nekhinskaya str., Novgorod, 173021, Russia. E-mail: [email protected]

A part of the complex rated experimental research of the heat- transfer characteristic intensification of the heat pipes (HP) of low temperature range is demonstrated.

Keywords: heat pipe of the medium temperature range, capillary porous insertion, capillary steam injectors, Laval nozzle.

При аксиальном направлении теплового потока на входе, характерном для коротких ТТ, появляется возможность использования струйного парового сопла, подобного соплу Лаваля, и вытянутого вдоль всей длины ТТ. Это увеличивает скорость течения двухфазного потока пара и коэффициент теплопередачи ТТ [3]. При повышенных тепловых нагрузках и кипении рабочей жидкости в пористом испарителе течение в паровом канале таких тепловых труб становится нестационарным и приобретает пульсирующий характер, причем частоты пульсаций пропорциональны тепловой нагрузке.

Повышение эффективности теплопередачи ТТ является решением сложного комплекса конструктивных и гидрогазодинамических проблем, решение которых не всегда удается довести до конца. Текучая паровая среда с микрокаплями конденсата представляет собой нелинейный объект, течение которого сопровождается внутренними процессами межфазного тепломассообмена и диссипации энергии [1]. Восстановление статического давления пересыщенного парового потока в области конденсации тепловой трубы связано с торможением потока, возникновением сильной и нестационарной завихренности вблизи поверхности конденсации и возвратного течения пара. Процессы вихреобразования и пульсаций плотности и давления в паровом канале тепловых труб в зависимости от тепловой нагрузки определяют интенсивность конденсации и представляют большой интерес.

Для экспериментального исследования этих процессов были изготовлены тепловые трубы из нержавеющей стали, с плоским капиллярно-пористым испарителем, с паровым каналом, выполненным в виде газодинамического конфузорно-диффузорного сопла, близкого к соплу Лаваля и окруженного слоем капиллярно-пористой вставки вдоль всей длины ТТ [2-3].

Дополнительно в верхней крышке ТТ установлены емкостные датчики, измеряющие толщину слоя конденсата. Подробное описание датчиков будет приведено после оформления патентов. Капиллярно-пористые вставка и испаритель образуют единую гидравлическую систему доставки рабочей жидкости в испаритель. При осевом направлении теплового потока, типичном для коротких ТТ (не более 25 диаметров сопла), испаритель выполнен из слоев металлической сетки с размером ячейки 0,04 мм, суммарной толщиной 3 мм, все слои приварены к плоской нижней крышке ТТ. Испаритель оснащен инжекторными паровыми каналами диаметром 1 мм, направленными под определенным углом к продольной оси ТТ и создающими закрутку потока пара при малых тепловых нагрузках. Длина тепловых труб 100 мм, диаметр 20 мм. В качестве рабочей жидкости ТТ выбран ди-этиловый эфир С4Н10О, имеющий температуру кипения при атмосферном давлении Тв = 35,4°С, температуру замерзания ТР = -116,2 °С и критические параметры ТС = 193,4 °С, РС = 3,61 МРа.

Зоны конденсации ТТ помещают в вихревой проточный калориметр. Для более точного измерения тепловой мощности и интенсификации съема тепла ТТ струйный поток входящей воды закручивают, величины скорости течения и завихренности с помощью воздушных пузырьков фиксируют. Испаритель ТТ с помощью резистивного нагревателя подогревают и поддерживают при температуре, превышающей температуру кипения диэтилового эфира 35,4 °С на величину перегрева 5Т. Температура нагревателя стабилизирована, и величину перегрева испарителя ТТ уста-

навливают в диапазоне 5Т = 0^15К, при этом тепловая мощность единичной ТТ не превышает 200W.

На электроды емкостных датчиков подают электрические импульсы генератора с частотой следования 1^4 kHz и амплитудой 5V. Измерение частоты модуляции импульсов проводили через схему усиления и фильтрации 12, цифровой осциллограф 13 и компьютер 14.

Ниже приведены результаты измерений частотных характеристик ТТ (рис. 1-4).

Рис. 1. 1 - вихревой проточный калориметр; 2 - фланец крепления тепловых труб; 3 - стеклянная крышка; 4 - крепление крышки; 5 - тепловые трубы; 6 - резистивный нагреватель; 7 - выходной штуцер для воды; 8 - входной штуцер для воды; 9 - уплотнение измерительных проводов; 10 - конденсаторные датчики измерения толщины слоя конденсата; 11 - генератор импульсов Г5-56; 12 - усилитель; 13 - осциллограф АКИП-4116/2; 14 - компьютер; 15 - коммутатор; 16 - вольтметр В7-34А; 17 - сосуд постоянного напора воды; 18 - генератор пузырьков воздуха; 19 - расходомер воды; 20 - сосуд Дьюара

Рис. 2. Осциллограммы возрастания частоты модуляции электрических импульсов в зависимости от тепловой нагрузки на ТТ

Рис. 3. Экспериментальные значения частот модуляции электрических импульсов в зависимости от перегрева испарителя тепловых труб: 1 - тепловая труба с паровым каналом в виде сопла, близкого к соплу Лаваля; 2 - тепловая труба со стандартным цилиндрическим паровым каналом, при условии равенства внешнего диаметра труб и площади сечения капиллярно-пористых вставок

Рис. 4. Расчетные значения пульсаций скорости потока пара

в паровых каналах ТТ и переход от конвективного к пульсационному режиму течения при увеличении перегрева испарителя ТТ относительно температуры кипения эфира на 1 °С; 3 °С; 5 °С; и 10 °С

Представлены результаты моделирования течений сжимаемой пересыщенной паровой среды внутри парового канала в виде сопла, близкого к соплу Лаваля. Торможение потока пересыщенного пара при конденсации приводит к образованию вихрей, и возникающие между ними взаимодействия обусловливают пульсационный распад вихрей, рост статического давления и сложные возвратные течения. Расчеты показывают, что торможение потока в ходе пульсаций ведет к увеличению области рециркуляции и интенсификации объемной конденсации. При всех рабочих параметрах тепловых труб наблюдался пульсацион-ный режим течения двухфазного парового потока и пленочный тип конденсации. Толщина пленки конденсата не превышает 3^5 цш и оказывается модулированной.

Коэффициент теплопередачи через поперечное сечение ТТ с паровым каналом в виде сопла, близкого к соплу Лаваля, равен (22±2)104 W/m2K, коэффициент теплопередачи через поперечное сечение ТТ с цилиндрическим паровым каналом (15±2)104 W/m2K при минимальной толщине слоя капиллярно-пористой вставки 3 мм. Скорость потока пара в критическом сечении сопла ТТ достигает значения 1±0,3 м/с, в ТТ со стандартным цилиндрическим паровым каналом 0,65 ±0,3 м/с [3] при одинаковой тепловой нагрузке. Термическое сопротивление ТТ с паровым каналом в виде сопла 0,015±0,01 К^, термическое сопротивление ТТ со стандартным цилиндрическим паровым каналом 0,02±0,01 К^. Параметры течения, связанные с периодической нестационарностью на длине ТТ Ь ~ 0,1 ш, максимальной частоте пульсаций f ~ 10 И и скорости потока пара и ~ 1 м/с обеспечивают вели-

чину числа Струхаля Sh = fL/u ~ 1. Сопоставление теплопередающих характеристик коротких ТТ показывает значимые преимущества ТТ с паровым каналом в виде сопла, близкого к соплу Лаваля, по сравнению со стандартным цилиндрическим каналом.

Библиографические ссылки

1. Гупта А. К., Лилли Д. Г., Сайред Н. Закрученные потоки. М. : Мир, 1987.

2. Патент № 2431101 RF, F 28D 15/00/ Способ заполнения тепловых труб. Серяков А. В. Опубликовано 10.10.2011. Бюллетень 28.

3. Серяков А. В., Конькин А. В., Белоусов В. К. Применение струйного парового сопла в тепловых трубах среднетемпературного диапазона // Вестник СибГАУ. 2012. Вып. 1(41). С. 142-147.

References

1.Gupta A. K., Lilli D. G., Sajred N. Zakruchennye potoki. M. : Mir. 1987.

2.Patent № 2431101 RF, F 28D 15/00/ Sposob zapol-nenija teplovyh trub. Serjakov A. V. Opublikovano 10. 10. 2011. Bjulleten' 28.

3.Serjakov A. V., Kon'kin A. V., Belousov V. K. Pri-menenie strujnogo parovogo sopla v teplovyh trubah srednetemperaturnogo diapazona // Vestnik SibGAU. 2012. Vyp. 1(41). S. 142-147.

© Серяков А. В., Павлов А. А., Михайлов Ю. Е., Белоусов В. К., 2013

УДК 629.7.023

УГЛЕСОТОПЛАСТ - ЛЕГКИЙ И ПРОЧНЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ ТРЕХСЛОЙНОЙ КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

В. И. Сливинский1, М. Е. Харченко2, А. В. Кондратьев3, В. В. Гаврилко3

:ПАО «Украинский научно-исследовательский институт технологии машиностроения» 49054, Украина, г. Днепропетровск, просп. Кирова, 46. E-mail: [email protected]

2Днепропетровский национальный университет им. О. Гончара 49050, Украина, г. Днепропетровск, просп. Гагарина, 72 Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «ХАИ» 61070, Украина, г. Харьков, ул. Чкалова, 17. E-mail: [email protected]

Проведен сравнительный анализ удельных механических характеристик сотовых заполнителей различных марок. При помощи метода конечных элементов оценено влияние различных схем армирования углеродного наполнителя на механические характеристики сотового заполнителя. Определена рациональная схема армирования углеродного наполнителя, обеспечивающая высокий уровень всех механических характеристик. Приведены физико-механические характеристики углепластика из различных марок высокомодульного углеродного наполнителя.

Ключевые слова: углепластик, сотовый заполнитель, характеристики углесотопластов, технологи изготовления углесотопласта.