Экспериментальное исследование двухфазных термосифонов термоэлектрического блока охлаждения

Термосифоны известны как высокоэффективные пассивные двухфазные теплопередающие устройства, в которых для интенсификации теплопереноса используются процессы испарения и конденсации. Они способны передавать теплоту на относительно большие расстояния с небольшой разницей температур между зонами подвода и отвода тепла. Термосифоны зарекомендовали себя как недорогие и надежные устройства для применения в системах теплоотвода и терморегулирования в различных практических приложениях. В конструкции термоэлектрического блока охлаждения [1, 2], предназначенного для судовых холодильных установок, термосифоны являются составной частью воздушного теплообменника. Использование термосифонов обеспечивает возможность существенного увеличения поверхности теплообменника, снижение величины термического сопротивления при теплопередаче от ребер к холодному спаю термоэлектрических модулей (ТЭМ). Также термосифоны препятствуют возникновению обратного потока теплоты при выключении электропитания блока, которое периодически производится для оттаивания инея и удаления воды с поверхности ребер. Эффективность работы термоэлектрического блока зависит от термического сопротивления теплообменников, входящих в конструкцию блока [3]. В работе [4] проведен анализ характеристик термоэлектрического блока, который показал, что наибольшее влияние на его холодопроизводительность и холодильный коэффициент оказывает величина термического сопротивления воздушного теплообменника R _T. Поэтому определение теплопередающей способности термосифонов, непосредственно влияющей на величину R T , является актуальной задачей.

Теплопередающие характеристики термосифонов зависят от различных факторов. Это, прежде всего, количество заправленного теплоносителя и его теплофизические свойства, общая длина, внутренний диаметр, длины зон нагрева (испарения) и конденсации, а также условия охлаждения зоны конденсации [5, 6]. Кроме того, для обеспечения свободного стекания воды при периодическом оттаивании теплообменника для удаления инея с поверхности ребер предусматривается такое расположение термоэлектрического блока, при котором термосифоны наклонены на некоторый угол от вертикали [7]. Для прогнозирования работы термоэлектрического блока в различных режимах необходимо определить теплопередающие характеристики термосифонов и их зависимость от ряда факторов. В настоящей работе представлены результаты экспериментального исследования термосифонов для условий, характерных для воздушного теплообменника термоэлектрического блока охлаждения.

Описание термосифонов и экспериментальной установки

Конструкция термоэлектрического блока охлаждения содержит в себе восемь термоэлектрических модулей. К каждому термоэлектрическому модулю присоединены секции из трех термосифонов, ребра теплообменника выполнены в виде прямоугольных пластин, которые нанизаны на все термосифоны термоэлектрического блока [7, 8]. Такая конструкция повышает надежность работы блока охлаждения, выход из строя или разгерметизация одного из термосифонов не приведет к значительному снижению эффективности охлаждения. Термосифоны каждой отдельной секции впаяны в медную пластину, выполняющую функцию конденсатора и теплораспределителя (рис. 1). Боковой поверхностью медная пластина прикреплена к холодной стороне термоэлектрического модуля. Корпуса термосифонов представляют собой трубку, изготовленную из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Длина трубки 400 мм, внутренний диаметр 10,5 мм и толщина стенки 0,4 мм. В качестве рабочей жидкости использовался фреон 134А, степень заполнения внутреннего объема составляет 60 %.

Исследование характеристик термосифонов проводилось на экспериментальной установке, схема которой приведена на рис. 2. Установка включает в себя одну секцию, состоящую из трех термосифонов 1 , впаянных в цилиндрические отверстия медной пластины 2 , теплота к термосифонам подводится с помощью нагревателей 3 . Отвод теплоты осуществляется жидкостным теплообменником, который прикреплен к боковой поверхности медной пластины и подключен к термостату 4 . В качестве нагревателей использована нихромовая проволока, намотанная через изоляционную пленку на корпус термосифонов и подключенная к стабилизированному блоку питания 5 . Система измерения температуры включала в себя 14 термопар 6 , размещенных на термосифонах и поверхности медной пластины, контактирующей с жидкостным теплооб-

Рис. 1. Общий вид секции из трех термосифонов и общего конденсатора

Fig. 1. General view of a section of three thermosyphons and a common condenser

Рис. 2. Схема экспериментальной установки. 1 – термосифоны, 2 – конденсатор, 3 – нагреватель, 4 – термостат, 5 – источник электропитания, 6 – термопары, 7 – модуль измерительной системы, 8 – компьютер

Fig. 2. Diagram of the experimental setup. 1 – thermosiphons, 2 – condenser, 3 – heater, 4 – thermostat, 5 – power supply, 6 – thermocouples, 7 – measuring system module, 8 – computer менником. Регистрация значений температуры производилась автоматизированным вычислительным комплексом на базе модульной измерительной системы LTR (производства L–CARD) 7 и персонального компьютера 8. При проведении экспериментов секция полностью укрывалась теплоизоляционным материалом.

Одним из главных критериев теплопередающей способности термосифонов является величина термического сопротивления R , которое зависит от передаваемой тепловой мощности Q и других факторов. Эффективное общее тепловое сопротивление термосифона определяется в виде

R =

Te—Tc

,

здесь Te и Tc – средние значения температуры в зонах испарения и конденсации, в которых про- изводится подвод и отвод теплоты соответственно.

Измерения температуры проводились термопарами, схема их расположения приведена на рис. 3. В зоне испарения и подвода теплоты расположены три термопары с номерами 5, 6 и 7, которые располагаются на поверхности термосифона между нитями нагревателя и крепятся непосредственно к поверхности термосифона. Еще одна термопара 4 прикреплена к поверхности термосифона вблизи конденсатора. Термопары 1, 2 и 3 измеряют температуру в зоне конденсации и отвода теплоты, причем эти термопары находятся не на поверхности термосифона, а в углублениях дополнительной латунной пластины вровень с поверхностью, контактирующей с конденсатором. В данном случае показания этих термопар учитывают влияние

5 термопары термопаста пластина с термопарами

Рис. 3. Схема расположения термопар для измерения значений температуры в секции термосифонов

Fig. 3. Diagram of thermocouples for measuring temperature values in the thermosiphon section

нити нагревателя

термосифон

электроизоляция

термических сопротивлений в слое конденсата внутри термосифона и стенки трубки, а также дополнительно термические сопротивления конденсатора и слоя термопасты. Таким образом, применительно к термоэлектрическому блоку можно определить полное термическое сопротивление секции термосифонов, которая обеспечивает теплопередачу от ребер воздушного радиатора на поверхность холодной стороны ТЭМ. Более подробные измерения с помощью 7 термопар проводились на одном из крайних термосифонов секции, на других термосифонах для контроля их теплопередающих характеристик располагалось по три термопары.

Обсуждение результатов измерений

На теплопередающие характеристики термосифонов влияют различные факторы. Это, прежде всего, количество заправленного теплоносителя и его теплофизические свойства, общая длина, внутренний диаметр, длины зон нагрева и конденсации, условия охлаждения зоны конденсации. Предварительно было установлено оптимальное количество заправленного теплоносителя – 60 % от внутреннего объёма. Далее были проведены экспериментальные исследования при тепловой мощности Q = 5, 10, 20 и 40 Вт, передаваемой одним термосифоном; температуре теплоносителя в контуре жидкостного теплообменника T 0 = 5, –5, –15 и –25 ^оС; угле отклонения термосифона от вертикали α = 0, 15, 30 и 45^о.

Фиксация данных измерений проводилась после выхода температур на установившийся режим. Характерное распределение значений температуры по длине термосифона приведено на рис. 4, данные значения получены при угле наклона α = 15^о и температуре теплоносителя в контуре жидкостного теплообменника T ₀ = –15 ^оС, на кривых указаны соответствующие значения тепловой мощности. Температура в зоне испарения термосифона, где установлен нагреватель, выше, чем в устройстве теплоотвода, контактирующем с областью конденсации. При этом следует отметить, что в области теплоотвода наблюдается температурный градиент противоположного знака, что, по-видимому, связано с зависимостью характеристик процесса конденсации и теплопередачи от координаты. Наибольший перепад температуры, определяемый показаниями термопар 4 и 5 , наблюдается на адиабатном участке термосифона, особенно заметно этот эффект проявляется с ростом тепловой мощности.

Значения термического сопротивления термосифона рассчитывались по формуле (1), при этом значение T e определялось как среднее арифметическое показаний термопар 5 , 6 и 7 , а T c – 908 –

Рис. 4. Распределение температуры по длине термосифона

Fig. 4. Temperature distribution along the length of the thermosiphon аналогичным образом рассчитывалось по показаниям термопар 1, 2 и 3. Полученные значения термических сопротивлений термосифона приведены в табл. 1 для всего диапазона тепловой мощности, температур теплоносителя в контуре жидкостного теплообменника и углов отклонения термосифона от вертикали.

Таблица 1. Экспериментальные значения термического сопротивления термосифона в зависимости от передаваемой тепловой мощности Q , температуры теплоносителя T 0 и угла наклона α

Table 1. Experimental values of the thermal resistance of a thermosiphon depending on the transferred thermal power Q , coolant temperature T ₀, and slope angle α

Т , оС	α, о	R ( Q = 5 Вт)	R ( Q = 10 Вт)	R ( Q = 20 Вт)	R ( Q = 40 Вт)
5	0	0,69	0,56	0,53	0,56
	15	0,63	0,53	0,51	0,53
	30	0,66	0,54	0,51	0,53
	45	0,75	0,56	0,52	0,51
–5	0	0,73	0,59	0,55	0,57
	15	0,82	0,61	0,53	0,53
	30	0,72	0,59	0,52	0,53
	45	0,72	0,57	0,50	0,51
–15	0	0,72	0,61	0,55	0,56
	15	0,75	0,6	0,54	0,54
	30	0,75	0,62	0,55	0,53
	45	0,74	0,59	0,54	0,52
–25	0	0,78	0,62	0,57	0,57
	15	0,79	0,63	0,57	0,54
	30	0,80	0,64	0,56	0,53
	45	0,81	0,62	0,57	0,52

Рис. 5. Зависимости термического сопротивления термосифона от тепловой мощности для различных значений температуры теплоносителя

Fig. 5. Dependences of the thermal resistance of the thermosiphon on the thermal power for different values of the coolant temperature

Наиболее выраженной особенностью приведенных экспериментальных данных является зависимость термического сопротивления от тепловой мощности. На рис. 5 приведены зависимости R ( Q ) для различных значений температуры теплоносителя в жидкостном теплообменнике при угле наклона α = 0. При росте тепловой мощности до 20 Вт термическое сопротивление R снижается, при дальнейшем росте происходит его стабилизация, а при значениях T 0 = 5 и –5 ^оС наблюдается даже увеличение термического сопротивления. Это увеличение, по-видимому, связано прежде всего с ростом внутреннего термического сопротивления в зоне конденсации. В этой зоне, как видно на рис. 4, наблюдается существенный рост температурного перепада, который может быть обусловлен дополнительным увеличением толщины пленки конденсата на внутренней поверхности термосифона из-за уменьшения скорости стекания жидкости вследствие воздействия пара, движущегося в противоположном направлении. Менее выраженными являются зависимости термического сопротивления от температуры теплоносителя и угла наклона термосифона. Сравнительный анализ данных, приведенных в табл. 1, в целом свидетельствует об определенных тенденциях снижения термического сопротивления при увеличении температуры теплоносителя и угла наклона термосифона.

Заключение

В результате экспериментального исследования определены температурные распределения по длине термосифона и рассчитаны значения общего термического сопротивления. Установлена степень влияния тепловой мощности, температуры теплоносителя и угла наклона на теплопередающую способность термосифона. В характерном для термоэлектрического блока диапазоне тепловой мощности 10–40 Вт, приходящейся на один термосифон, величина термического сопротивления отдельной секции из трех термосифонов составляет 0,17–0,21 К/Вт в зависимости от температуры теплоносителя в жидкостном теплообменнике и угла наклона.