The paper describes proposed design solutions for an intensification of heat transfer in evaporation and condensation heat exchangers. Complex experimental research of heat and mass transfer processes in flat and round cross-section miniature heat pipes is carried out. Optimization, development, manufacturing and an experimental investigation of copper miniature heat pipes with sintered powder are executed. Investigation results of capillary-porous structure properties that are used in evaporation and condensation heat-exchange apparatus are presented.Описаны предложенные конструктивные решения интенсификации теплообмена в испарительных и конденсационных теплообменниках. Проведено комплексное экспериментальное исследование процессов тепло- и массообмена в плоских и с круглым поперечным сечением миниатюрных тепловых трубах. Выполнены оптимизация, разработка, изготовление и экспериментальное исследование медных МТТ со спеченным порошком. Представлены результаты исследования свойств капиллярно-пористых структур, применяемых в испарительно-конденсационных теплообменных аппаратах

A. Kulakov G.

L. Vasiliev L.

А. Васильев Г.

А. Кулаков Г.

Russian

L. L. Vasiliev

A. G. Kulakov

А. Г. Васильев

А. Г. Кулаков

Science & Technique (E-Journal) / НАУКА и ТЕХНИКА

ЭнергетикаИз схемы рис. 4 запишем уравнения для управляемых источников тока и напряжения:4 г = А ^ ; ( 15>“ин= А  T + Ę Uc' (16)Разработанный подход применим также для получения моделей СПМ иных типов (рис. 1). Ограничением предложенного подхода являет­ся непрерывность тока нагрузки.Рис. 4. Модель СПМ с учетом сопротивлений дросселя и конденсатораПолученные модели использованы при син­тезе замкнутых систем управления СПМ и ис­следовании [6] их динамики.В Ы В О ДМатематическое описание ШИМ-ключа в осреденных значениях переменных позволяет получить линейную модель импульсных пре­образователей постоянного тока.Л И Т Е Р А Т У Р А1. Русан В. И., Короткевич М. А. Комплексное ис­пользование возобновляемых источников энергии. -  Мн.: Институт энергетики АПК НАН Беларуси, 2004. -  68 с.2. Русан В. И., Фуад X. А. Комбинированное исполь­зование возобновляемых источников энергии // Аграрная энергетика в XXI веке: Материалы междунар. науч.-техн. конф. -  Мн., 2001. -  С. 56-57.3. Абдул Мажид Аль-Хатиб, Эль-Саббаг Ма- руан И., Петренко Ю. Н. Микропроцессорная система обеспечения максимальной выходной мощности солнеч­ной батареи // Моделирование интеллектуальных процес­сов проектирования, производства и управления: Сб. науч. тр. / Под ред. В. И. Махнача, Е. В. Владимирова. -  Мн.: ОИПИ НАН Беларуси, 2003. -  С. 234-239.4. Четти П. Проектирование ключевых источников электропитания. -  М.: Энергоатомиздат, 1990. -  240 с.5. Мелешин В. И. Получение непрерывной линейной модели силовой части импульсного преобразователя как начальный этап проектирования его динамических свойств // Электричество. -  2002. -  № 10. -  С. 39-43.6. Абдул Мажид Аль-Хатиб, Куликов М. А., Пет­ренко Ю. Н. Математическое моделирование силовых интерфейсных модулей солнечных батарей // Современ­ные технологии последипломного образования: Проблемы и перспективы: Материалы Республ. науч.-метод. конф. (Минск, 25-26 марта 2004 г.) / Под ред. М. М. Болбаса, Л. К. Волошина, Э. Я. Ивашина и др. -  Мн.: УП «Техно­принт», 2004.-С . 117-119.УДК 536.248ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ИСПАРЕНИЯ И КОНДЕНСАЦИИВ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХДокт. техн. наук, проф. ВАСИЛЬЕВ Л. Л., КУЛАКОВА. Г.Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН БеларусиДля организации высокоэффективной теп­лопередачи на значительное расстояние, созда­ния эффективных и компактных теплообмен­ных устройств для теплоэнергетики, холодиль­ной техники, химической промышленности, систем обеспечения теплового режима (СОТР) успешно используются испарительно-кон­денсационные устройства: испарители, конден­саторы, тепловые трубы. В условиях сущест­вующей в настоящее время тенденции оптими­зации массогабаритных характеристик, увели­чения интенсивности теплообмена и повы­шения удельных плотностей тепловыделения актуальной задачей становится поиск путей интенсификации процессов испарения и кон­денсации.Предложено конструктивное решение для интенсификации теплообмена в испарительных теплообменниках, которая обеспечивается применением схемы с «перевернутым мени­ском» (рис. 1), использованием капиллярно­пористых структур (КПС) с высокой теплопро­водностью и проницаемостью, обеспечением хорошего контакта КПС с теплообменной стен­кой и напорной схемой организации подачи теплоносителя и подтверждена проведенными экспериментальными исследованиями интен­сивности теплообмена. Полученная экспери­ментальная зависимость аппроксимирована следующей функцией: а  = 1027,4ę°’9537, где а  -  коэффициент теплоотдачи; q -  плотность теп­лового потока.56 Вестник БИТУ, № 2, 2005ЭнергетикаРис. 1. Принципиальная схема элемента испарителя с ка­пиллярным затвором: 1 -  КПС; 2 -  обогреваемая стенка;3 -  каналы для пара; 4 -  каналы (артерия) для жидкостиОдним из эффективных способов снижения термического сопротивления при конденсации является уменьшение толщины пленки конден­сата путем его отсоса от теплообменной по­верхности с помощью капиллярных структур. Этот способ реализован в конденсационном теплообменнике с нарезками на развитой по­верхности и капиллярными щелями (рис. 2).2 1Рис. 2. Схема сечения конденсатора с нарезками и капиллярными щелями: 1 -  паровой канал; 2 -  нарезка; 3 -  щель; 4 -  не­сущая труба; 5 -  артерияподаваемого на вход конденсатора теплоноси­теля, на интенсивность теплоотдачи. Получен­ное в экспериментах изменение коэффициентов теплоотдачи при изменении паросодержания в диапазоне 0 ,6 ... 1 не выходило за пределы раз­броса экспериментальных данных.Для изучения закономерностей процессов теплообмена при конденсации в капиллярных каналах с пористой границей создана конст­рукция конденсатора с пористой пластиной, работающего при сравнительно высоких плот­ностях теплового потока. Его основными эле­ментами являются паровые каналы, поверх­ность конденсации с капиллярными нарезками и пластина из пористого алюминия, установ­ленная на этой поверхности. Жидкая фаза фильтруется через капиллярно-пористую пла­стину под действием избыточного давления в паре и капиллярных сил.Коэффициент теплоотдачи в этом конденса­торе находится в диапазоне (5 ...7 )1 0 4 Вт/(м2*К). Экспериментальные данные с погрешностью 20 % обобщены с помощью преобразования [1] аналитической зависимости коэффициента теп­лоотдачи при испарении и конденсации на резьбовидных поверхностяхк следующему виду:J F  М ^vAlгде Nu* -  ‘модифицированное число Нуссельта; sin<j) -  эмпирический коэффициент, имеющий физический смысл среднего значения синуса угла при вершине треугольной нарезки и учи­тывающий гидродинамику движения пленки конденсата в нарезке; f F = F/Fd -  коэффициент, учитывающий форму развитой поверхности с капиллярными нарезками; F -  площадь поверх­ности основания нарезок; Fd -  площадь несу­щей поверхности.Специальная серия экспериментов проводи­лась по определению влияния паросодержания,Рис 3. Влияние плотности теплового потока на тепло- ' отдачу при конденсации в капиллярных каналах с порис­той границейПолученные экспериментальные данные обобщены в критериальной форме зависимо­стью Nu = CRe" с погрешностью не более 20 % с соответствующими коэффициентами для двух характерных областей: для Re < 0,2; Nu = = 889,59Re1’0068; для Re > 0,2; Nu = 147,98Re^’1452. Критерий Рейнольдса Re определялся по ско­рости пленки, отнесенной к смоченному пери­метру оребрения.Конденсаторы с капиллярно-пористым эле­ментом можно рекомендовать для применения в качестве как конденсатора, так и реверсивно­го теплообменника: конденсатор-испаритель.Проведено комплексное экспериментальное исследование процессов тепло- и массообмена в плоских и с круглым поперечным сечени­ем миниатюрных тепловых трубах (МТТ) «медь -  вода» с тремя типами капиллярных структур: порошковой, сеточной и образован­ной пучком тонких проволок в широком диапа­зоне изменения геометрических и режимных параметров.Установлено, что для МТТ с фитилем из спеченного порошка максимальная передавае­Вестник БИТУ, № 2,2005 57Энергетикамая тепловой трубой мощность определяется капиллярными ограничениями во всем иссле­дованном диапазоне (30 ... 100 °С). Для МТТ с проволочным и сеточным фитилями кроме ка­пиллярного ограничения при горизонтальной ориентации проявляется ограничение теплопе­реноса, связанное с взаимодействием потоков жидкости и пара, которая вызывает блокирова­ние парового канала жидкостной фазой тепло­носителя. При обобщении экспериментальных данных, связанных с этим ограничением, пола­галось равенство критерия Вебера единице при достижении кризиса теплопереносаWe = .t ó i lL  = 1 агде АсЬ -  характеристическая длина волны, ве­личина которой, а также ее зависимость от ка­пиллярного размера КПС гт были найдены: Ась = гт(Леи, где аеnt -  эмпирический коэффи­циент. Для сеточной структуры характеристи­ческая длина волны Ach зависит от температу­ры: А = 1,32415с1’41228; aent = 5767,6Г1’3065. Для проволочной КПС экспериментальные данные аппроксимированы постоянными: А = 0,00295; aent = 22,18.Экспериментально установлено, что в МТТ за счет применения тонких нерегулярных КПС достигается существенная (до 2_10 раз) ин­тенсификация теплообмена.Изучены нестационарные процессы в мини­атюрных тепловых трубах, связанные с дина­мическим изменением режима работы. Най­денные постоянные времени МТТ составляют 20...30  с.Обнаружена особенность миниатюрных теп­ловых труб с сеткой и проволочным жгутом -  неполная воспроизводимость параметров после осушения испарителя (кризиса теплоотдачи) и снятия нагрузки, связанная с влиянием краево­го утла смачивания на динамический процесс капиллярного впитывания в зоне испарения после осушения КПС, вызванного кризисом теплопереноса.Предложены практические методы повыше­ния эффективности МТТ и выполнена оптими­зация цилиндрической миниатюрной тепловой трубы с порошковой КС по пределу теплопере­носа. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о сохранении высокой тепло­передающей способности (выше 20 Вт), разра­ботанной МТТ со спеченной капиллярной структурой и при отрицательных углах наклона (рис. 4).-100 -50 0 50 100Угол наклона, град.Рис. 4. Зависимость 2пвх от угла наклона для оптимизиро­ванной МТТБыло проведено комплексное исследование и определены капиллярно-транспортные ха­рактеристики капиллярно-пористых структур, в том числе тонких, нерегулярных, из спечен­ного порошка с частицами разных фракций дендритной и округлой форм, нашедших наи­более широкое применение в тепловых трубах и испарительно-конденсационных устройствах. Получены эмпирические коэффициенты и за­висимости для расчета этих характеристик с учетом формы частиц порошка.Следующие зависимости предложены для расчета среднего размера пор: для КПС из по­рошка с частицами округлой формы -  d„ = = 2,164840’5851, для дендритной формы -  </_ = = 8,0904<1ГШ при 4  < 120 мкм; dm = 0,300341,6159 при 4  > 120 мкм, где 4  -  средневзвешенный размер частиц во фракции, мкм.В Ы В О ДИсследованы свойства тонких нерегулярных порошковых структур. Получены эмпири­ческие коэффициенты пг , п,е, у и у( е) для рас­чета капиллярно-транспортных характеристик тонких нерегулярных порошковых КПС с уче­том формы частиц порошка по формулам: диаметр пор 4> = dr{n,Jń)y [2], пористость в,> = = ег(иге/л)т(£), где у и у( е) равны 0,282 для КПС из порошка с частицами округлой формы и со­ответственно 0,15 и 0,11 -  для дендритной фор­мы частиц; = 6; пг = 24, за исключением среднего размера пор для КПС из порошка с частицами округлой формы, который описыва­ется коэффициентом пг = 18.Л И Т Е Р А Т У Р А1. Шекриладзе И. Г., Русишвили Д. Г. Эксперимен­тальное исследование теплоотдачи в процессах испарения и конденсации на капиллярных поверхностях И ИФЖ. -  1980,- №5. -С . 393-399.2. Регулярность структуры пористых материалов из порошка бронзы / Р. П. Тодоров, В. П. Георгиев, П. А. Ви­тязь и др. // Порошковая металлургия. -  1986. -  № 3. -  С. 31-33.58 Вестник БИТУ, Na 2,2005

Интенсификация процессов испарения и конденсации в теплообменных аппаратах

https://sat.bntu.by/jour/article/download/1332/1249

Интенсификация процессов испарения и конденсации в теплообменных аппаратах

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Science & Technique (E-Journal) / НАУКА и ТЕХНИКА