ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В МЕЛКОПОРИСТЫХ КАПИЛЛЯРНЫХ СТРУКТУРАХ
|
Актуальность проблемы. Исследования процессов тепломассопереноса, протекающих в гетерогенных средах, составляют одну из наиболее значимых и актуальных задач современной теплофизики и являются центральными при решении фундаментальных проблем фазовых превращений, физики аэродисперсных систем, при создании систем терморегулирования, во многих технологических процессах и т.д. За последние десятилетия в этих областях достигнут заметный прогресс, связанный с разработкой и применением новых теплопередающих систем с капиллярными насосами, новейших аналитических и экспериментальных методик исследования процессов парообразования в стесненных условиях капиллярно-пористой среды и теоретических подходов их моделирования. Проблема эффективной передачи тепловой энергии и обеспечения тепловых режимов различных систем и оборудования является также актуальной проблемой современной техники. Фазовый переход жидкость-пар и связанный с этим процессом теплообмен занимает особое место среди физических явлений, используемых в природе и технике. Интенсивность теплообмена при кипении и конденсации определяет размеры, экономическую эффективность и надежность оборудования в важнейших отраслях промышленности.
В настоящее время повышенный интерес и широкое распространение получили оригинальные теплопередающие устройства - тепловые трубы (ТТ), в которых используется принцип испарительного охлаждения, а перенос теплоты происходит в результате циркуляции теплоносителя по замкнутому двухфазному контуру с капиллярным механизмом возврата теплоносителя в зону испарения. Интерес к ТТ вызван как возможностями их эффективного применения в технике, альтернативными аналогичным системам с прокачкой теплоносителя механическими насосами, так и принципами интенсификации теплообмена при фазовых переходах, реализованных в капиллярных структурах (КС) тепловых труб. Продолжается активное развитие новых экспериментальных и теоретических подходов в получении и изучении капиллярно-пористых сред, стремительно расширяется круг объектов применения и исследования капиллярных насосов, включающий все более сложные системы терморегулирования с многообразием терморегулирующих функций.
Настоящая работа посвящена исследованию одного из наиболее интересных и технологически значимых представителей двухфазных систем терморегулирования - двухфазным контурам с капиллярными насосами (ДФК КН), точнее, физическим процессам в капиллярных структурах ДФК КН при воздействии на них различных внешних (ускорения - "повышенная и пониженная гравитация", вибрации) и внутренних (градиенты температуры, поверхностного натяжения, геометрической кривизны, концентрации нелетучих примесей на поверхности испаряющего мениска) динамических факторов. Общую направленность работы можно определить термином "тепломассоперенос и фазовые превращения в сильных капиллярных полях". Подразумевая при этом проведение физико-технических исследований по технологии изготовления капиллярных структур со средним диаметром пор (0,5 - 15) мкм, реализующим понятие “сильных капиллярных полей", их структурных, транспортных и теплофизических свойств, а также природы, механизма и кинетики фазовых превращений в логической цепочке, одиночный испаряющий мениск, капиллярная структура и ДФК КН в целом. Проблема оптимизации двухфазных контуров с капиллярными насосами, других устройств на их основе, включая и гибридные системы терморегулирования дорогостоящих космических аппаратов (КА), тесно связана с развитием модельных представлений для выработки технических решений при проектировании, эксплуатации и прогнозирования характеристик ДФК КН. Являясь одной из основных служебных систем, система терморегулирования (СТР) во многом определяет надежность КА и его ресурс. Разработка ДФК КН для современных КА, работающих в экстремальных условиях космической среды, характеризующейся высоким вакуумом, радиационными, электромагнитными, ультрафиолетовыми излучениями, магнитными полями и метеоритным веществом, воздействием ускорений, вибраций резким перепадом температур между "солнечной" и "теневой" сторонами КА, является актуальной и сложной технической задачей. Исследования автора в техническом аспекте направлены на повышение точности поддержания температурного режима приборов и оборудования, что повышает надежность и долговечность КА.
Работа выполнена в соответствии с планами научно-технических работ Института физики и прикладной математики при Уральском государственном университете. Часть исследований проводилась при поддержке и совместно с американскими фирмами TRW (Los Angeles) и Swales Aerospace (Washington), большую помощь в работе оказала финансовая поддержка Дж. Сороса.
Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является создание концепции построения систем терморегулирования на основе двухфазных контуров с высоконапорными капиллярными насосами, являющимися альтернативными подобным системам с механическими насосами, установление механизмов и фундаментальных причин формирования капиллярных структур и фазовых превращений в них, а также развитие новых методологических подходов в исследовании этих сложных теплофизических систем на основе современных экспериментальных и теоретических методов анализа.
В соответствии с этим в работе ставились следующие задачи:
■ разработка методов получения мелкопористых капиллярных структур для ДФК КН, изучение кинетики формирования межчастичных контактов и развитие представлений для целенаправленного воздействия на каркасную проводимость, структурные и транспортные свойства КС. Исследование структурных, теплофизических и транспортных свойств КС для ДФК КН.
■ разработка методов физического и математического моделирования генерации пара и процессов фазового превращения жидкость-пар, в поровом пространстве КС. Экспериментальное исследование фазовых превращений жидкость-пар в одиночном испаряющем мениске, в КС с известной функцией распределения пор по размерам и в ДФК КН при воздействии различных динамических факторов.
■ разработка экспериментальных установок для исследования влияния динамических факторов (ускорения, вибрации) и на этой основе получение основных закономерностей поведения двухфазных контуров теплопереноса с капиллярными насосами в переменных полях массовых сил.
■ формулировка основных принципов анализа и оптимизации ДФК КН и на этой основе разработка методов увеличения теплотранспортной способности ДФК КН.
■ сравнительный анализ различных схем генерации пара в капиллярных структурах двухфазных теплопередающих систем.
■ построение расчетных моделей ДФК КН с изотропными и анизотропными капиллярными структурами, качественная верификация моделей.
• разработка новых двухфазных контуров с капиллярными насосами для систем терморегулирования космических аппаратов, радиоэлектронной аппаратуры, технологического оборудования, ядерных энергетических установок и др.
Положения, выносимые на защиту:
1. Концепция механизма увеличения теплотранспортной способности двухфазных теплопередающих контуров с капиллярными насосами, как альтернативных менее надежным подобным системам с механическими насосами.
2. Методы получения мелкопористых изотропных и анизотропных капиллярных структур, как уникальные инструменты для увеличения те-плотранспортной способности ДФК КН.
3. Новая физическая модель интенсивного парообразования с поверхности испаряющего мениска, учитывающая термокапиллярные течения на поверхности мениска и эффект выноса и концентрации менее летучих примесей в область формирования краевого угла смачивания.
4. Математические модели и программы расчета рабочих характеристик ДФК КН.
5. Новые типы двухфазных теплопередающих контуров с капиллярной прокачкой теплоносителя.
6. Результаты практической реализации ДФК КН для решения некоторых прикладных задач обеспечения тепловых режимов устройств и оборудования, включая воздействие неблагоприятных факторов на условия работоспособности ДФК КН.
Научная новизна. В рамках настоящей работы впервые проведен системно-комплексный анализ двухфазных теплопередающих контуров с капиллярными насосами. На примере разработанных и полученных мелкопористых капиллярных структур показаны уникальные возможности последних для использования в системах терморегулирования с высокой теплотранспортной способностью. Новыми являются результаты комплексного экспериментального и
теоретического исследования механизма и кинетики формирования межчастичных контактов при изготовлении капиллярных мелкопористых структур, интенсивного парообразования с поверхности испаряющего мениска, учитывающие термокапиллярные течения на поверхности мениска и эффект выноса и концентрации менее летучих примесей в область формирования краевого угла смачивания, фазовых превращений в "сильных капиллярных полях" при воздействии различных внешних динамических факторов. Предложенный подход позволяет целенаправленно воздействовать на структурные, транспортные и теплофизические свойства капиллярных структур, а также проводить выбор и оптимизацию ДФК КН в целом. К новым следует отнести результаты расчетов по оптимизации порового пространства КС и ДФК КН в целом и некоторых практических применений разработанных систем терморегулирования с капиллярными насосами.
Практическая ценность работы. Проведенные в настоящей работе исследования кинетики и механизмов формирования мелкопористых капиллярных структур и процессов фазовых превращений в них могут быть использованы и используются для обоснования технических решений и эксплуатации различных систем терморегулирования радиоэлектронной аппаратуры, космических аппаратов, модульных блоков электронно-вычислительных машин, ядерных энергетических установок, утилизации низко потенциального тепла. Результаты анализа теплотранспортной способности ДФК КН позволяют оценить эффективность применения различных схем систем терморегулирования по величине капиллярного давления и внешнего гидравлического и термического сопротивления контура теплопереноса. Установленные структурные, транспортные и теплофизические свойства широкого класса мелкопористых капиллярных структур и пористых материалов суспензионного формирования, а также анализ процессов теплообмена в них позволяют расширить класс капиллярных структур для капиллярных насосов двухфазных контуров теплопереноса.
Особо следует отметить доказательство работоспособности ДФК КН и установление эффектов воздействия на них неблагоприятных динамических факторов таких, как повышенная и пониженная гравитация, вибрация, влияние чистоты теплоносителя, ресурсные испытания. Впервые теоретически и экспериментально показана возможность использования контурных тепловых труб для инверсии (реверса) теплового потока. Подобные свойства принципиально важны при создании пассивных систем терморегулирования объектов, в которых направление переноса тепла знакопеременно.
Несомненную практическую значимость представляет методическая сторона проводимых исследований, а именно создание установок для изучения процессов спекания капиллярных структур и кинетики формирования межчастичных контактов, для исследования транспортных и теплофизических свойств, для исследования теплообмена при фазовых превращениях, центрифуги и вибростенда для изучения влияния внешних динамических факторов. Развитые и созданные в работе физические и математические модели и подходы могут быть использованы для проектирования и оптимизации ДФК КН и физико-технических процессов в них.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Уральской региональной конференции по порошковой металлургии и композиционным материалам (Пермь, 1985), Всесоюзных и межреспубликанских совещаниях по тепловым трубам в ИВТ АН СССР (Москва, 1976), в ИТМО АН БССР (Минск, 1977), (Одесса, 1987), (Саратов, 1988), (Москва, 1989), Екатеринбург (1992), (Красноярск-26, 1993), (Минск, 1993), 1-ая и 2-ая Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, 1994 и 1998), 9-ой Всесоюзная конференция по динамике разреженных газов, международных конференциях по тепловым трубам: 5th International Heat Pipe Conference (Tsukuba, Japan, 1984), 7th International Heat Pipe Conference (Minsk, USSR, 1990), 8th Interna¬tional Heat Pipe Conference (Beijing, China, 1992), 9th International Heat Pipe Con¬ference (Albuquerque, USA, 1995), 10th International Heat Pipe Conference (Stuttgart, Germany, 1997), 11th International Heat Pipe Conference (Tokyo, Japan, 1999), на международных симпозиумах: The First International Symposium on Hydrome¬chanics and Heat/Mass Transfer in Microgravity (Perm-Moscow, 1992), 2nd Interna¬tional Seminar on electronic cooling (Novosibirsk, 1993), 4th International Heat Pipe Symposium (Tsukuba, Japan, 1994), AIChE Symposium (USA, 1995), 3-й Минский международный форум по тепломассобмену (Минск, 1996), 27* International Conference on Environmental Systems (Nevada, USA, 1997), 3rd International Semi¬nar Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators (Minsk, Belarus, 1997), International Workshop Capillary Pumped Two-Phase Loops (The Aerospace Corporation El Se¬gundo, California USA, 1998), Workshop on Ambient and Cryogenic Thermal Control Devices (Two Phase Technology’ 99, Washington, USA, 1999), 4* International Seminar Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators (Minsk, Belarus, 2000). На между-народной выставке Лейпциг-84 получена Золотая Медаль за экспонат "Тепловые трубы для охлаждения устройств силовой электроники в микроблочном исполнении".
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в статьях, депонированных рукописях, докладах, авторских свидетельствах СССР, отечественных и зарубежных патентах, научно-технических отчетах. Список научных трудов составляет более 100 наименований. Под руководством автора защищены 3 диссертационные работы на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (АТ. Белоногов, 1989 г., А.А. Беляев, 1990 г. и Н.П. Погорелов, 1997 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных результатов и списка литературы. Она изложена на 332 страницах, включает 14 таблиц и 142 рисунка. В списке литературы 277 наименований.
В настоящее время повышенный интерес и широкое распространение получили оригинальные теплопередающие устройства - тепловые трубы (ТТ), в которых используется принцип испарительного охлаждения, а перенос теплоты происходит в результате циркуляции теплоносителя по замкнутому двухфазному контуру с капиллярным механизмом возврата теплоносителя в зону испарения. Интерес к ТТ вызван как возможностями их эффективного применения в технике, альтернативными аналогичным системам с прокачкой теплоносителя механическими насосами, так и принципами интенсификации теплообмена при фазовых переходах, реализованных в капиллярных структурах (КС) тепловых труб. Продолжается активное развитие новых экспериментальных и теоретических подходов в получении и изучении капиллярно-пористых сред, стремительно расширяется круг объектов применения и исследования капиллярных насосов, включающий все более сложные системы терморегулирования с многообразием терморегулирующих функций.
Настоящая работа посвящена исследованию одного из наиболее интересных и технологически значимых представителей двухфазных систем терморегулирования - двухфазным контурам с капиллярными насосами (ДФК КН), точнее, физическим процессам в капиллярных структурах ДФК КН при воздействии на них различных внешних (ускорения - "повышенная и пониженная гравитация", вибрации) и внутренних (градиенты температуры, поверхностного натяжения, геометрической кривизны, концентрации нелетучих примесей на поверхности испаряющего мениска) динамических факторов. Общую направленность работы можно определить термином "тепломассоперенос и фазовые превращения в сильных капиллярных полях". Подразумевая при этом проведение физико-технических исследований по технологии изготовления капиллярных структур со средним диаметром пор (0,5 - 15) мкм, реализующим понятие “сильных капиллярных полей", их структурных, транспортных и теплофизических свойств, а также природы, механизма и кинетики фазовых превращений в логической цепочке, одиночный испаряющий мениск, капиллярная структура и ДФК КН в целом. Проблема оптимизации двухфазных контуров с капиллярными насосами, других устройств на их основе, включая и гибридные системы терморегулирования дорогостоящих космических аппаратов (КА), тесно связана с развитием модельных представлений для выработки технических решений при проектировании, эксплуатации и прогнозирования характеристик ДФК КН. Являясь одной из основных служебных систем, система терморегулирования (СТР) во многом определяет надежность КА и его ресурс. Разработка ДФК КН для современных КА, работающих в экстремальных условиях космической среды, характеризующейся высоким вакуумом, радиационными, электромагнитными, ультрафиолетовыми излучениями, магнитными полями и метеоритным веществом, воздействием ускорений, вибраций резким перепадом температур между "солнечной" и "теневой" сторонами КА, является актуальной и сложной технической задачей. Исследования автора в техническом аспекте направлены на повышение точности поддержания температурного режима приборов и оборудования, что повышает надежность и долговечность КА.
Работа выполнена в соответствии с планами научно-технических работ Института физики и прикладной математики при Уральском государственном университете. Часть исследований проводилась при поддержке и совместно с американскими фирмами TRW (Los Angeles) и Swales Aerospace (Washington), большую помощь в работе оказала финансовая поддержка Дж. Сороса.
Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является создание концепции построения систем терморегулирования на основе двухфазных контуров с высоконапорными капиллярными насосами, являющимися альтернативными подобным системам с механическими насосами, установление механизмов и фундаментальных причин формирования капиллярных структур и фазовых превращений в них, а также развитие новых методологических подходов в исследовании этих сложных теплофизических систем на основе современных экспериментальных и теоретических методов анализа.
В соответствии с этим в работе ставились следующие задачи:
■ разработка методов получения мелкопористых капиллярных структур для ДФК КН, изучение кинетики формирования межчастичных контактов и развитие представлений для целенаправленного воздействия на каркасную проводимость, структурные и транспортные свойства КС. Исследование структурных, теплофизических и транспортных свойств КС для ДФК КН.
■ разработка методов физического и математического моделирования генерации пара и процессов фазового превращения жидкость-пар, в поровом пространстве КС. Экспериментальное исследование фазовых превращений жидкость-пар в одиночном испаряющем мениске, в КС с известной функцией распределения пор по размерам и в ДФК КН при воздействии различных динамических факторов.
■ разработка экспериментальных установок для исследования влияния динамических факторов (ускорения, вибрации) и на этой основе получение основных закономерностей поведения двухфазных контуров теплопереноса с капиллярными насосами в переменных полях массовых сил.
■ формулировка основных принципов анализа и оптимизации ДФК КН и на этой основе разработка методов увеличения теплотранспортной способности ДФК КН.
■ сравнительный анализ различных схем генерации пара в капиллярных структурах двухфазных теплопередающих систем.
■ построение расчетных моделей ДФК КН с изотропными и анизотропными капиллярными структурами, качественная верификация моделей.
• разработка новых двухфазных контуров с капиллярными насосами для систем терморегулирования космических аппаратов, радиоэлектронной аппаратуры, технологического оборудования, ядерных энергетических установок и др.
Положения, выносимые на защиту:
1. Концепция механизма увеличения теплотранспортной способности двухфазных теплопередающих контуров с капиллярными насосами, как альтернативных менее надежным подобным системам с механическими насосами.
2. Методы получения мелкопористых изотропных и анизотропных капиллярных структур, как уникальные инструменты для увеличения те-плотранспортной способности ДФК КН.
3. Новая физическая модель интенсивного парообразования с поверхности испаряющего мениска, учитывающая термокапиллярные течения на поверхности мениска и эффект выноса и концентрации менее летучих примесей в область формирования краевого угла смачивания.
4. Математические модели и программы расчета рабочих характеристик ДФК КН.
5. Новые типы двухфазных теплопередающих контуров с капиллярной прокачкой теплоносителя.
6. Результаты практической реализации ДФК КН для решения некоторых прикладных задач обеспечения тепловых режимов устройств и оборудования, включая воздействие неблагоприятных факторов на условия работоспособности ДФК КН.
Научная новизна. В рамках настоящей работы впервые проведен системно-комплексный анализ двухфазных теплопередающих контуров с капиллярными насосами. На примере разработанных и полученных мелкопористых капиллярных структур показаны уникальные возможности последних для использования в системах терморегулирования с высокой теплотранспортной способностью. Новыми являются результаты комплексного экспериментального и
теоретического исследования механизма и кинетики формирования межчастичных контактов при изготовлении капиллярных мелкопористых структур, интенсивного парообразования с поверхности испаряющего мениска, учитывающие термокапиллярные течения на поверхности мениска и эффект выноса и концентрации менее летучих примесей в область формирования краевого угла смачивания, фазовых превращений в "сильных капиллярных полях" при воздействии различных внешних динамических факторов. Предложенный подход позволяет целенаправленно воздействовать на структурные, транспортные и теплофизические свойства капиллярных структур, а также проводить выбор и оптимизацию ДФК КН в целом. К новым следует отнести результаты расчетов по оптимизации порового пространства КС и ДФК КН в целом и некоторых практических применений разработанных систем терморегулирования с капиллярными насосами.
Практическая ценность работы. Проведенные в настоящей работе исследования кинетики и механизмов формирования мелкопористых капиллярных структур и процессов фазовых превращений в них могут быть использованы и используются для обоснования технических решений и эксплуатации различных систем терморегулирования радиоэлектронной аппаратуры, космических аппаратов, модульных блоков электронно-вычислительных машин, ядерных энергетических установок, утилизации низко потенциального тепла. Результаты анализа теплотранспортной способности ДФК КН позволяют оценить эффективность применения различных схем систем терморегулирования по величине капиллярного давления и внешнего гидравлического и термического сопротивления контура теплопереноса. Установленные структурные, транспортные и теплофизические свойства широкого класса мелкопористых капиллярных структур и пористых материалов суспензионного формирования, а также анализ процессов теплообмена в них позволяют расширить класс капиллярных структур для капиллярных насосов двухфазных контуров теплопереноса.
Особо следует отметить доказательство работоспособности ДФК КН и установление эффектов воздействия на них неблагоприятных динамических факторов таких, как повышенная и пониженная гравитация, вибрация, влияние чистоты теплоносителя, ресурсные испытания. Впервые теоретически и экспериментально показана возможность использования контурных тепловых труб для инверсии (реверса) теплового потока. Подобные свойства принципиально важны при создании пассивных систем терморегулирования объектов, в которых направление переноса тепла знакопеременно.
Несомненную практическую значимость представляет методическая сторона проводимых исследований, а именно создание установок для изучения процессов спекания капиллярных структур и кинетики формирования межчастичных контактов, для исследования транспортных и теплофизических свойств, для исследования теплообмена при фазовых превращениях, центрифуги и вибростенда для изучения влияния внешних динамических факторов. Развитые и созданные в работе физические и математические модели и подходы могут быть использованы для проектирования и оптимизации ДФК КН и физико-технических процессов в них.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Уральской региональной конференции по порошковой металлургии и композиционным материалам (Пермь, 1985), Всесоюзных и межреспубликанских совещаниях по тепловым трубам в ИВТ АН СССР (Москва, 1976), в ИТМО АН БССР (Минск, 1977), (Одесса, 1987), (Саратов, 1988), (Москва, 1989), Екатеринбург (1992), (Красноярск-26, 1993), (Минск, 1993), 1-ая и 2-ая Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, 1994 и 1998), 9-ой Всесоюзная конференция по динамике разреженных газов, международных конференциях по тепловым трубам: 5th International Heat Pipe Conference (Tsukuba, Japan, 1984), 7th International Heat Pipe Conference (Minsk, USSR, 1990), 8th Interna¬tional Heat Pipe Conference (Beijing, China, 1992), 9th International Heat Pipe Con¬ference (Albuquerque, USA, 1995), 10th International Heat Pipe Conference (Stuttgart, Germany, 1997), 11th International Heat Pipe Conference (Tokyo, Japan, 1999), на международных симпозиумах: The First International Symposium on Hydrome¬chanics and Heat/Mass Transfer in Microgravity (Perm-Moscow, 1992), 2nd Interna¬tional Seminar on electronic cooling (Novosibirsk, 1993), 4th International Heat Pipe Symposium (Tsukuba, Japan, 1994), AIChE Symposium (USA, 1995), 3-й Минский международный форум по тепломассобмену (Минск, 1996), 27* International Conference on Environmental Systems (Nevada, USA, 1997), 3rd International Semi¬nar Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators (Minsk, Belarus, 1997), International Workshop Capillary Pumped Two-Phase Loops (The Aerospace Corporation El Se¬gundo, California USA, 1998), Workshop on Ambient and Cryogenic Thermal Control Devices (Two Phase Technology’ 99, Washington, USA, 1999), 4* International Seminar Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators (Minsk, Belarus, 2000). На между-народной выставке Лейпциг-84 получена Золотая Медаль за экспонат "Тепловые трубы для охлаждения устройств силовой электроники в микроблочном исполнении".
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в статьях, депонированных рукописях, докладах, авторских свидетельствах СССР, отечественных и зарубежных патентах, научно-технических отчетах. Список научных трудов составляет более 100 наименований. Под руководством автора защищены 3 диссертационные работы на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (АТ. Белоногов, 1989 г., А.А. Беляев, 1990 г. и Н.П. Погорелов, 1997 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных результатов и списка литературы. Она изложена на 332 страницах, включает 14 таблиц и 142 рисунка. В списке литературы 277 наименований.