Диссертация (1090499), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Данное ограничениенаиболее существенно в момент пуска. При низких температурах давление виспарителе крайне мало, и, т.к. давление в конденсаторе не может быть ниженуля, максимальная разность давлений пара недостаточна для преодоления силвязкости и гравитации, что препятствует нормальной работе тепловой трубы.Ограничение уноса. При высоких тепловых потоках скорость паранеизбежно возрастает. Если эта скорость достаточна для уноса капель жидкости,возвращающейся из конденсатора в испаритель, производительность тепловойтрубы будет падать, обуславливая наличие ограничения уноса.Ограничение уноса исследовалось в работах [23, 24, 25]. В работе [24]приводится соотношение для максимального осевого массового потока пара,которое хорошо согласуется с имеющимися экспериментальными данными:Qmax /ALт = f1f2f3( ´)0.5[g( ´ – ´´)0.25ж](1.4)где А – площадь сечения парового потока; коэффициент f1 – функция от числаБонда, ; f2 - от безразмерного параметра Kp; f3 - функция от угла наклонатермосифона.Число Бонда определяется из выражения:(′ − ′′)0.5 = .′(1.5)График зависимости f1 от числа Бонда приведен на рис.
1.4.Коэффициент f2 является функцией от безразмерного параметра Kp,определяемого по формуле: =п,(′ − ′′)ж0.52 = −0.17 при ≤ 4 × 104,(1.6)2 = 0.165 при > 4 × 104 ,где Pп – давление пара.Коэффициент f3 является функцией от угла наклона термосифона. Еслитермосифон расположен вертикально, f3 = 1. Если аппарат расположен под16наклоном, то значение коэффициента f3 для различных значений числа Бонда Boможет быть определено по графику, приведенному на рис.
1.5. Произведение f1, f2,f3 также может носить название числа Кутателадзе.Рисунок 1.4 – Зависимость коэффициента f1 Рисунок 1.5 – Зависимость коэффициента f3от числа Бонда.от угла наклона термосифона при различныхчислах Бонда.Большинствоэкспериментальныхданныхпопроизводительноститермосифонов показывают, что максимальная теплопередающая способностьимеет место, когда термосифон наклонен на 10° - 30° к вертикали.Кризис кипения. Радиальный тепловой поток в испарителе обеспечиваетсяотносительно небольшой разностью температур, до тех пор, пока не достигнутокритическое значение теплового потока, при котором слой пара покрываетповерхностьиспарителя.гидродинамическаятеорияНаибольшуюкризисапопулярностьтеплоотдачиприкипении,получилавпервыеразработанная С.
С. Кутателадзе [26]. При докритичных значениях тепловогопотока имеет место пузырьковое кипение. При пузырьковом кипении пароваяфаза возникает на отдельных микровпадинах поверхности нагрева (центрахпарообразования). Возникающий зародыш парового пузырька растет вследствие17тепломассообмена с окружающей жидкостью, достигает некоторого отрывногоразмера и всплывает. При этом над центрами парообразования возникаютцепочки паровых пузырей и циркулирующие токи жидкой фазы.
Основная частьповерхности нагрева омывается при этом жидкостью, пограничный слой которойинтенсивно перемешивается движущимися паровыми пузырями. Вследствиеэтого интенсивность теплоотдачи при пузырьковом кипении весьма велика ирастет с увеличением скорости парообразования, пропорциональной плотноститеплового потока.Припостепенномнаращиваниитепловогопотока,подостижениинекоторого значения, пузырьковое кипение скачкообразно сменяется пленочным.При дальнейшем увеличении теплового потока существует устойчивое плёночноекипение. Переход к развитому пленочному кипению происходит вследствиенарушения устойчивости жидких пленок и струек, проникающих из основноймассы жидкости к стенке через граничный слой.
При пленочном кипении паробразует сплошной слой, отделяющий поверхность нагрева от массы жидкости. Споверхности этого слоя отделяются большие пузыри, уходящие в толщужидкости.Из-замалойтеплопроводностипаровогослояинтенсивностьтеплоотдачи при пленочном кипении многократно снижается по сравнению спузырьковым.На рисунке 1.6 приведена зависимость плотности теплового потока отразности температуры стенки и температуры кипения (кривая Никояма).Е.
Никояма выяснил, что область интенсивного возрастания теплового потока сувеличением температурного напора связана с пузырьковым режимом кипения(область а), а область относительно медленного роста функции q(ΔT) связана спленочным режимом кипения (область в). Между максимумом и минимумом этойфункции лежит область перехода от одного режима кипения к другому(область б).18Рисунок 1.6 – Кривая Никояма. Характер зависимости q=f(ΔT) при кипении вбольшом объеме (вода, р ≈ 98,1 кПа).
а - область пузырькового кипения; б – переходнаяобласть; в – область пленочного кипения.С. С. Кутателадзепервымобъяснилэтиэффектыкакследствиегидродинамической неустойчивости двухфазного пограничного слоя [26, 27].СогласноС. С. Кутателадзе,критерийустойчивостикипящегопограничного слоя в условиях свободной конвекции, определяется выражением:крKu =,(1.7)4√′′ √(′ − ′′)где qкр – критическая плотность теплового потока, Вт/м 2; L – скрытая теплотапарообразования, Дж/кг;´и´´ – плотности жидкости и пара соответственно,кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2;–поверхностное натяжение, Н/м2.В общем случае критерий зависит от относительного размера паровыхпузырей, вязкости жидкости и сжимаемости пара.
На величину критическоготеплового потока влияют также свойства поверхности нагрева и ее состояние.Шероховатость поверхности нагрева может приводить к некоторому увеличениюкритического теплового потока.В таблице 1.1 приведены соотношения, полученные в работах различныхавторов, для определения числа Кутателадзе, необходимого для расчётамаксимального теплового потока тепловой трубы или термосифона [28].19Таблица 1.1 – Соотношения для числа Кутателадзе Ku, полученные различными авторами [28].ИсточникSakhuja [29]Nejat [30]Katto [31]Tien and Chang[32]Harada[33]etal.Соотношение для числа Кутателадзе Ku(и ⁄и )0.7252Ku = 1⁄2[1 + (п⁄ж )0.25 ]24(и ⁄и )0.91⁄2Ku = 0.09[1 + (п⁄ж )0.25 ]20.1Ku =1 + 0.491(и ⁄и )Bo−0.33.2(и ⁄и )Ku =; Bo ≥ 304[1 + (п⁄ж )0.25 ]2(и ⁄и )3.22Ku =[ℎ(0.5 1⁄2 )][1 + (п⁄ж )0.25 ]24 1⁄2 1⁄2Ku = 9.64(и ⁄и )пℎжп С ( ) ; С ( )≥ 0.079пп1.15 1⁄2 1⁄2Ku = 14.1(и ⁄и )пℎжп [С ( ) ]; С( )< 0.079пп0.4иии≥ 0.318 = 1.58 ( ) ;< 0.318 = 1ГобрисиKu = 0.0093(и ⁄и )1.1 (и ⁄и )−0.88 и−0.74 (1 + 0.03)2 ;Савченков [34]2 < < 601⁄2 0.17Безродный [35, (ж − п )36]Ku = 2.55(и ⁄и ) { [] };1⁄2Groll и Rösler[37] (ж − п )[] ≥ 2.5 × 10−5 .1⁄2 (ж − п )Ku = 0.425 (и ⁄и ); [] < 2.5 × 10−5 .Ku = 1() 2 3(,) (и ⁄и )1⁄2 0.17 (ж − п )2 = { []}1⁄2 (ж − п ); []≥ 2.5 × 10 −51⁄2Prenger [38]Fukano и др.[39] (ж − п )2 = 0.165; [] < 2.5 × 10−5Ku = 0.747(и ⁄и )[(ж − п )]0.295 (ℎжп п )−0.0450.2[(ж − п )]0.50.830.03Ku = 2(и ⁄и ) и {}ℎжп пKu = 0.16{1 − exp[−(и ⁄и )(ж ⁄п )0.13 ]}Imura и др.
[40]ПиороиKu = 0.131{1 − exp[−(и ⁄и )(ж ⁄п)0.13 cos1.8 ( − 55°)]}0.8Воронцова [41]Условные обозначения в таблице: dи – диаметр испарителя, м; Fи – коэффициентзаполнения; lи – длина испарителя, м; М – молекулярная масса, кг/моль; ρж – плотностьжидкости, кг/м3; п – плотность пара, кг/м3;- поверхностное натяжение, Н/м; hжп –теплота испарения, Дж/кг; φ – угол наклона, °.[42, 43, 44, 45, 46, 47, 48].20Уровень залива рабочей жидкости.
Исследованию влияния уровнязаливаемой рабочей жидкости посвящен ряд работ [42 - 48]. Согласно [7],количество заливаемой рабочей жидкости ограничивается двумя соображениями:слишком малое количество заливаемой жидкости может привести к высыханиюповерхности нагрева, в то время как чрезмерное количество жидкости можетприводить к забрасыванию жидкости в конденсаторную часть термосифона иблокированию части поверхности конденсации.
В [35] авторы рекомендуют,чтобы уровень залива рабочей жидкости был около 50% от испарительной секциитермосифона и что объем жидкости должен быть связан с размерами термосифонаследующим соотношением:Vl > 0.001D(lи + lа + lк),(1.8)где D – внутренний диаметр корпуса термосифона, lи, lа, lк – длиныиспарительного, адиабатного и конденсаторного участков термосифона.В комплексной работе [49] исследовалось влияние уровня заполненияжидкостью на производительность термосифонов, содержащих различныепарожидкостные разделители (чтобы минимизировать взаимодействие междуэтими компонентами). Было выявлено, что для нескольких рабочих жидкостейкоэффициент заполнения имел довольно плоский оптимум между 20% и 80%.Также в данной работе была предложена формула для оценки минимума рабочейжидкости:3 3 ()2 24( + )=[+ ] × √+( )2 ℎ54(1.9)где индексы c, е, а – относятся к конденсатору, испарителю и адиабатномуучастку соответственно; индексы L и р относятся, соответственно, к жидкости ибассейну жидкости; Q – количество подводимой теплоты, D – внутреннийдиаметртрубы,μ–динамическаявязкость,hfg–скрытаятеплотапарообразования, g – ускорение свободного падения.Ограничения по заполнению для замкнутого двухфазного термосифонапроиллюстрированы в [50].
Рабочая область возможного заполнения двухфазногозакрытого термосифона показана на рисунке 1.7.21Рисунок 1.7 – Рабочий диапазон закрытого двухфазного термосифона [50]Дляэффективнойработытермосифонабольшоезначениеимеетправильный выбор рабочей жидкости, для быстрого сравнения при выборерабочихжидкостейиспользуетсяпоказатель«качества»жидкостиM,определяемый для термосифона по формуле: 2жж2=(),ж(1.10)где L – теплота парообразования жидкости; λж – теплопроводность жидкости;поверхностное натяжение жидкости;жж–– вязкость жидкости.Оптимальная теплопроизводительность термосифона достигается примаксимальном значении М.221.3.
Конструктивные характеристики термосифоновCложность конструкции фитильных тепловых труб ограничивает область ихприменения,поэтомувомногихобластяхтехникипредпочтительнееиспользовать термосифоны.Типовые устройства термосифонов приведены на рисунке 1.8.Двухфазные термосифоны могут быть выполнены как в закрытом(рис. 1.8, а), так и в открытом исполнении (рис.
1.8, б). В открытом термосифонеотсутствует конденсатор, теплоноситель подводится извне в испаритель. Такиетермосифоны применяются в основном для исследования процессов кипения.Закрытыетермосифоныневакуумированныебывают(содержащиепредварительновполостивакуумированныенеконденсирующиесяигазы).!Различаюттакже термосифоны с боковым и21!торцевым подводами теплоты.ГлавнымпреимуществомпреимуществомзакрытыхзакрытыхтермосифоновтермосифоновявляетсяявляетсяотсутствиеотсутствиеГлавнымнеобходимостимеханическогоперемешиваниятеплоносителя.необходимостимеханическогоперемешиваниятеплоносителя.К двухфазнымтермосифонамотносятсяаэросифоны(рис.в) [47,К двухфазнымтермосифонамотносятсяаэросифоны(рис.1.8,1.8,в) [51,52],48],в вкоторыхтеплоперенососуществляетсяв результатевынужденнойконвекции.которыхтеплоперенососуществляетсяв результатевынужденнойконвекции.В Втакихтермосифонахчерезрабочуюжидкостьбарботируетсянасыщенныйтакихтермосифонахчерезрабочуюжидкостьбарботируетсянасыщенныйгаз,газ,вызываяинтенсивноеперемешивание.Коэффициентытеплоотдачив нихмогутвызываяинтенсивноееё еёперемешивание.Коэффициентытеплоотдачив нихмогутбытьдажевыше,в испарительныхдвухфазныхтермосифонах.бытьдажевыше,чемчемв испарительныхдвухфазныхтермосифонах.!абвгдеРисунок 1.8.
Устройство термосифонов. [8]Рисунок 1.8 – Устройство термосифонов. [8]КромедвухфазныхтермосифоновиногдаприменяютсятакжеоднофазныеКромедвухфазныхтермосифоновиногдаприменяютсятакжеоднофазныеконвективные[53,[49,54]50]и ис теплоносителемс теплоносителемкритическихпараметрах.конвективныеприприкритическихпараметрах.В Вконвективныхтермосифонах,практическиполностьюзаполненныхжидкостью,конвективныхтермосифонах,практическиполностьюзаполненныхжидкостью,теплопередача осуществляется за счет свободной конвекции жидкости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
