Помощь студентам в учебе
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ЗАМКНУТЫХ ДВУХФАЗНЫХ ТЕРМОСИФОНАХ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ (РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ) О ПРОЦЕССАХ ТЕПЛОПЕРЕНОСА И ГИДРОДИНАМИКИ В ЗАМКНУТЫХ ДВУХФАЗНЫХ ТЕРМОСИФОНАХ 13
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ТЕРМОСИФОНЕ ПРИ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗКАХ, СООТВЕТСТВУЮЩИХ УСЛОВИЯМ РАБОТЫ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ 27
2.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения
исследований 28
2.2. Оценка погрешностей измерений 36
2.3. Результаты экспериментальных исследований 38
2.4. Влияние изоляции боковых вертикальных стенок на распределение
температур в термосифоне 59
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА
В ЗАМКНУТЫХ ДВУХФАЗНЫХ ТЕРМОСИФОНАХ 70
3.1. Физическая и геометрическая модели 70
3.2. Математическая модель 75
3.3. Метод численного решения 83
3.4. Решение тестовых задач 84
3.4.1. Одномерная задача теплопроводности с фазовым переходом на границе (сублимация материала) 85
3.4.2. Нестационарная задача теплопроводности в неоднородной
пластине 87
3.4.3. Естественная конвекция в замкнутой прямоугольной области .... 91
3.5. Анализ основных закономерностей кондуктивного теплопереноса в
нижней крышке, слое теплоносителя, в слое конденсата на верхней крышке и в верхней крышке термосифона 96
3.6. Анализ основных закономерностей термогравитационной конвекции и
теплопроводности в слое жидкости на нижней крышке и кондуктивного теплопереноса в верхней крышке термосифона и слое конденсата 102
3.7. Сравнительный анализ полученных экспериментально
температурных распределений с результатами математического моделирования 107
3.8. Новый подход к моделированию процесса формирования теплового
режима термосифонов больших размеров для использования геотермальной теплоты 112
3.9. Анализ возможного метода использования геотермальной энергии ... 121
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 132
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 135
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Двухфазный термосифон 156
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ (РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ) О ПРОЦЕССАХ ТЕПЛОПЕРЕНОСА И ГИДРОДИНАМИКИ В ЗАМКНУТЫХ ДВУХФАЗНЫХ ТЕРМОСИФОНАХ 13
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ТЕРМОСИФОНЕ ПРИ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗКАХ, СООТВЕТСТВУЮЩИХ УСЛОВИЯМ РАБОТЫ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ 27
2.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения
исследований 28
2.2. Оценка погрешностей измерений 36
2.3. Результаты экспериментальных исследований 38
2.4. Влияние изоляции боковых вертикальных стенок на распределение
температур в термосифоне 59
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА
В ЗАМКНУТЫХ ДВУХФАЗНЫХ ТЕРМОСИФОНАХ 70
3.1. Физическая и геометрическая модели 70
3.2. Математическая модель 75
3.3. Метод численного решения 83
3.4. Решение тестовых задач 84
3.4.1. Одномерная задача теплопроводности с фазовым переходом на границе (сублимация материала) 85
3.4.2. Нестационарная задача теплопроводности в неоднородной
пластине 87
3.4.3. Естественная конвекция в замкнутой прямоугольной области .... 91
3.5. Анализ основных закономерностей кондуктивного теплопереноса в
нижней крышке, слое теплоносителя, в слое конденсата на верхней крышке и в верхней крышке термосифона 96
3.6. Анализ основных закономерностей термогравитационной конвекции и
теплопроводности в слое жидкости на нижней крышке и кондуктивного теплопереноса в верхней крышке термосифона и слое конденсата 102
3.7. Сравнительный анализ полученных экспериментально
температурных распределений с результатами математического моделирования 107
3.8. Новый подход к моделированию процесса формирования теплового
режима термосифонов больших размеров для использования геотермальной теплоты 112
3.9. Анализ возможного метода использования геотермальной энергии ... 121
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 132
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 135
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Двухфазный термосифон 156
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.
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.
1. Разработана методика проведения экспериментальных исследований по регистрации температурных полей в зонах испарения, транспорта и конденсации термосифона в условиях его работы в реальном для практики диапазоне изменения тепловых потоков от охлаждаемых технических устройств.
2. Экспериментально установлены значения температур в характерных сечениях парового канала достаточно типичного термосифона, на его верхней и нижней крышках при тепловых нагрузках, соответствующих условиям работы энергонасыщенного оборудования.
3. Установлено влияние основных факторов, таких как, величина теплового потока (до 4. Установлено, что 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.
5. Разработана по итогам анализа и обобщения результатов экспериментального исследования физическая модель процесса.
6. Впервые на основании результатов выполненных экспериментов сформулирована математическая модель термогравитационного теплопереноса в термосифоне, отличающаяся от известных существенным упрощением основной системы уравнений в сочетании с адекватностью описания основных характеристик процесса - температур в характерных сечениях парового канала, зон испарения и конденсации.
7. По результатам численного моделирования установлено хорошее соответствие вычисленных температур и зарегистрированных при проведении экспериментов. Обоснована возможность применения разработанной в диссертации математической модели для определения температурного поля в термосифонах.
8. Моделирование процессов теплопереноса в ТС возможно с достаточно высокой достоверностью без описания процессов движения пара в паровом канале, при решении задачи теплопереноса в слое теплоносителя на нижней крышке термосифона и теплопроводности в этой крышке.
9. Обоснована возможность применения закрытого двухфазного термосифона как основного теплообменного устройства в системе охлаждения энергонасыщенного оборудования и в извлечении геотермальной энергии с больших глубин для передачи теплоты в систему теплоснабжения.Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю - доктору физико-математических наук, профессору Кузнецову Гению Владимировичу и кандидату технических наук, доценту Максимову Вячеславу Ивановичу за помощь в проведении представленных научных исследований и обсуждении полученных результатов, а также за всестороннюю поддержку в достижении поставленных целей.
2. Экспериментально установлены значения температур в характерных сечениях парового канала достаточно типичного термосифона, на его верхней и нижней крышках при тепловых нагрузках, соответствующих условиям работы энергонасыщенного оборудования.
3. Установлено влияние основных факторов, таких как, величина теплового потока (до 4. Установлено, что 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.
5. Разработана по итогам анализа и обобщения результатов экспериментального исследования физическая модель процесса.
6. Впервые на основании результатов выполненных экспериментов сформулирована математическая модель термогравитационного теплопереноса в термосифоне, отличающаяся от известных существенным упрощением основной системы уравнений в сочетании с адекватностью описания основных характеристик процесса - температур в характерных сечениях парового канала, зон испарения и конденсации.
7. По результатам численного моделирования установлено хорошее соответствие вычисленных температур и зарегистрированных при проведении экспериментов. Обоснована возможность применения разработанной в диссертации математической модели для определения температурного поля в термосифонах.
8. Моделирование процессов теплопереноса в ТС возможно с достаточно высокой достоверностью без описания процессов движения пара в паровом канале, при решении задачи теплопереноса в слое теплоносителя на нижней крышке термосифона и теплопроводности в этой крышке.
9. Обоснована возможность применения закрытого двухфазного термосифона как основного теплообменного устройства в системе охлаждения энергонасыщенного оборудования и в извлечении геотермальной энергии с больших глубин для передачи теплоты в систему теплоснабжения.Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю - доктору физико-математических наук, профессору Кузнецову Гению Владимировичу и кандидату технических наук, доценту Максимову Вячеславу Ивановичу за помощь в проведении представленных научных исследований и обсуждении полученных результатов, а также за всестороннюю поддержку в достижении поставленных целей.