Способы интенсификации теплообмена в теплопередающих устройствах

Введение. Для успешной работы современного энергетического оборудования важное значение имеет отвод теплоты от отдельных тепловыделяющих элементов и поверхностей

[1-3].

Замкнутые двухфазные термосифоны многими авторами [4-6] рассматриваются как достаточно перспективные, высокоэффективные, надежные теплопередающие теплообменные устройства за счет автономности, конструкционной гибкости, простоты изготовления, отсутствия движущихся частей, высокой интенсивности внутренних процессов теплопереноса, отсутствия насосов для перекачки теплоносителя и др. [7] В связи с этим актуальным является исследование возможности применения термосифонов как основного элемента системы охлаждения приборов, устройств и оборудования [8-9].

В настоящее время термосифоны используются в промышленности достаточно редко. Объяснить данное явление можно тем, что еще недостаточно изучена физика процессов, протекающих в термосифонах (совместно протекающие процессы теплопроводности, конвекции и фазовых переходов в зонах испарения и конденсации). Помимо этого, накопленные знания в данной области представляют собой, как правило, выводы, полученные для конкретных вариантов термосифонов и теплоносителей, конструктивных схем и технических решений [10-12]. Анализ результатов [13-16] исследований теплопереноса в замкнутых двухфазных термосифонах показывает, что наиболее значимой характеристикой их работы является термическое сопротивление.

Целью работы является получение экспериментальных данных исследования работы эффективных двухфазных замкнутых теплопередающих систем, заправленных хладагентами R4O4A, R4O7C, R41OA при разных углах наклона устройства к горизонту.

Основная часть. Описание установки и методики эксперимента. Для исследования процессов, протекающих в замкнутых двухфазных термосифонных устройствах, на кафедре «Промышленная теплоэнергетика и экология» учреждения образования «Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого» был создан экспериментальный стенд, представленный на рисунке 1.

Рисунок 1 - Экспериментальный стенд

Методика проведения экспериментов заключалась в ступенчатом увеличении теплового потока с определенной выдержкой между двумя приращениями тепловой нагрузки для стабилизации изменяющихся параметров. Подвод теплового потока к испарителю осуществлялся спиральным электрическим нагревателем, мощность которого регулировалась с помощью лабораторного автотрансформатора. Охлаждение зоны конденсации производилось канальным вентилятором при постоянном расходе. Подробно методика проведения экспериментальных исследований представлена в [7].

Экспериментальные данные

В рамках представленного исследования была изучена и проанализирована работа цилиндрического и пародинамического термосифона с внутренними циркуляционными вставками (рис.2). Объем заправки хладагентами составил 500 г – половина объема испарителя, угол наклона установки – 0º и 90º.

зона испарения транспортная зона зона конденсации

а)

б)

Рисунок 2 - Замкнутые двухфазные теплопередающие устройства: а – цилиндрический термосифон; б – пародинамический термосифон

На рис. 3 представлен график результатов опытных данных для цилиндрического (рис. 3а) и пародинамического (рис. 3б) термосифонов, заправленных фреонами R404А, R407С,

R410А.

а)

б)

Рисунок 3 - Термическое сопротивление термосифонов при изменении подводимого теплового потока и угла наклона:

а – цилиндрический термосифон; б – пародинамический термосифон

Анализ полученных результатов позволяет установить зависимость параметров, характеризующих эффективность работы термосифона, в частности термического сопротивления, от свойств фреонов, используемых для их заправки. Было установлено, что наибольшее влияние на значение термического сопротивления термосифона, от которого зависит значение коэффициента теплоотдачи α (обратно пропорциональная зависимость), оказывают такие параметры, как давление p, плотность ρ, удельная теплота парообразования r, динамическая вязкость μ, удельная теплоемкость с, коэффициент теплопроводности λ используемой рабочей жидкости.

Экспериментально определено, что изменение угла наклона термосифона относительно горизонтальной плоскости не влияет на теплопередающие характеристики устройства, термические сопротивления для указанных выше фреонов изменяются в диапазоне 0,0014 – 0,018 °С·м2/Вт при плотности теплового потока 248 – 1415,28 Вт/м2.

Термическое сопротивление R термосифона непрерывно падает с увеличением давления при кипении фреонов (рис. 3). Это свидетельствует о росте коэффициента теплоотдачи α и повышении эффективности процесса теплоотдачи. Однако при низких давлениях зависимость α от р менее резкая, чем при высоких.

Исследование влияния коэффициента теплопроводности λ на значение термического сопротивления термосифона показало, что с ростом λ значение термического сопротивления уменьшается, следовательно, повышается эффективность работы термосифона. Также установлено незначительное уменьшение значения термического сопротивления с увеличением удельной теплоемкости с фреона.

Влияние всех вышеуказанных параметров в большей степени проявляется в диапазоне небольших подводимых мощностей до 50 Вт. С ростом подводимой нагрузки значение термического сопротивления термосифона становится более стабильным и практически не меняется на всем диапазоне.

Эксперименты показали, что термическое сопротивление для цилиндрического и пародинамического термосифонов значительно изменяется при увеличении теплового потока.

Также было отмечено, что термическое сопротивление цилиндрического и пародинамического термосифонов, заправленных фреоном R407C, значительно отличается по сравнению с фреонами R404A и R410A (рис.4).

Данный факт можно объяснить тем, что температурный глайд для фреона R407C составляет 7,1 ºС (для R404A – 0,5 ºС , R410A - менее 0,3 ºС). Так как в процессе эксперимента давление в исследуемой установке повышалось, соответственно температурный глайд увеличивался, что привело к изменению теплофизических свойств при фазовых переходах в зонах испарения и конденсации и, как следствие, повышенному термическому сопротивлению термосифона при работе на фреоне R407C.

Рисунок 4 - Термическое сопротивление термосифонов, заправленных фреонами R4O4A, R407С, R410А :

а – цилиндрический термосифон, угол наклона 0 град; б – цилиндрический термосифон, угол наклона 90 град; в – пародинамический термосифон, угол наклона 0 град; г – пародинамический термосифон, угол наклона 90 град;

На основе экспериментальных данных были предложены методы расчета термических сопротивлений цилиндрического и пародинамического термосифонов. Предложенные методы позволяют установить обобщающие зависимости для расчета термического сопротивления испарителя и конденсатора цилиндрического и пародинамического термосифонов и могут быть использованы при моделировании процессов, протекающих в замкнутых двухфазных термосифонных системах. Результаты сравнения экспериментальных и расчетных значений для R404а приведены ниже (рис.5). Погрешность предложенной методики не превышает 25%.

• 1    - R404, угол 0

• 2    - R404, угол 0

• 1    - R404, угол 90

• 2    - R404, угол 90

• 1    - R404_пд, угол 0

• 2    - R404_пд, угол 0

• 1    - R404_пд, угол 90

• 2    - R404пд, угол 90

  0,010

  0,008

  0,006

  R, ° С/(Вт/м 2 )

  0,004

  0,002

  

  ""-a

  200     400     600     800    1000    1200    1400    1600

  q, Вт/м ²

  
  

Рисунок 5 - Обработка опытных данных по разработанной методике (1- эксперимент; 2 – расчет)

После проведенных исследований были предложены методы совершенствования конструкции для интенсификации теплообмена в термосифонных элементах, а именно:

• а)    изменена конструкция существующих термодинамических элементов (испарителя, конденсатора) пародинамического термосифона;

• б)    предложен метод интенсификации процесса теплообмена при парообразовании в термосифонных элементах. Теплообмен в зоне парообразования может быть увеличен за счет изменения кольцевого зазора при изменении диаметров внутренней трубки (рисунок 1).

Были вырезаны две медные трубки длинной 1м, с диаметрами 20 мм. и 15 мм. За счет изменения толщины парового канала, планируется увеличить теплообмен в зоне парообразования.

Рисунок 6 - Зона испарения пародинамического термосифона

в) предложен метод интенсификации процесса теплообмена при конденсации в термосифонных элементах. В зоне конденсации было выполнено наружное поперечное оребрение поверхности конденсатора. Из листа латуни толщиной 15 мм при помощи лазерной резки было вырезано 202 кольца, после чего кольца были припаены на конденсатор. Шаг оребрения выбран 2 мм, высота ребер 1,6 см. Наружное поперечное оребрение поверхности конденсатора (рис.7) позволит увеличить тепловой поток без увеличения затрат мощности. Данный тип оребрения выбран в связи с возможностью работы термосифона при разных углах установки. Другие виды оребрения для данной конструкции будут нецелесообразны;

Рисунок 7 - Внутреннее оребрение поверхности конденсатора

• г) разработана 2D-модель усовершенствованной конструкции термосифона.

  
  
  

Рисунок 8 - а) существующая конструкция пародинамического термосифона;

б) конструкция пародинамического термосифона с оребренным конденсатором и уменьшенным кольцевым зазором в испарители

Заключение

Анализ полученных экспериментальных данных показал:

• -    изменение угла наклона термосифона относительного горизонтальной плоскости не влияет на теплопередающие характеристики устройства, заправленного фреонами R404А, R407С, R410А;

• -    на величину термического сопротивления значительное влияние оказывает состав используемого фреона, а именно температурный глайд для зеотропных фреонов;

• -    термическое сопротивление для цилиндрического и пародинамического термосифонов значительно уменьшается при увеличении теплового потока.

• -    предложены методы совершенствования конструкции для интенсификации теплообмена в термосифонных элементах.

Установленные экспериментальные данные в дальнейшем позволят разработать эффективные теплообменники с двухфазными теплопередающими элементами для их применения в энергетике, холодильной технике, системах вентиляции и кондиционирования, промышленности, с целью уменьшения потребляемой энергии, материалоемкости, а также повышения качества выпускаемой продукции.