Вплив режимних та геометричних факторів на теплопередаючі характеристики пульсаційних теплових труб

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

ВПЛИВ РЕЖИМНИХ ТА ГЕОМЕТРИЧНИХ ФАКТОРІВ НА ТЕПЛОПЕРЕДАЮЧІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЛЬСАЦІЙНИХ ТЕПЛОВИХ ТРУБ

Алексеїк Євгеній Сергійович

Київ - 2015

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі атомних електричних станцій і інженерної теплофізики Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник,

Кравець Володимир Юрійович,

Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, доцент кафедри атомних електричних станцій і інженерної теплофізики

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, академік НАН України,,

Халатов Артем Артемович,

Інститут технічної теплофізики НАН України,

завідуючий відділом високотемпературної термогазодинаміки

кандидат технічних наук,

Мокляк Василь Феодосійович,

Національний університет харчових технологій, м. Київ, доцент кафедри теплоенергетики та холодильної техніки

Захист дисертації відбудеться 09.06.15 о 15-00 годині на засіданні вченої ради Д 26.002.09 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 5, аудиторія 307.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий „___” травня 2015 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.09

кандидат технічних наук, доцент В. І. Коньшин

Анотація

Алексеїк Є.С. Вплив режимних та геометричних факторів на теплопередаючі характеристики пульсаційних теплових труб. - На правах рукопису.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, 2014.

Дисертація присвячена дослідженням впливу геометричних та режимних факторів на теплопередаючі характеристики пульсаційних теплових труб (ПТТ).

Параметри досліджених скляних та мідних замкнених ПТТ: внутрішній діаметр 2,8; 3,1 мм, кількість витків 1-10, теплоносії - вода та етанол, довжини зон нагріву (ЗН) 30, 50 мм, коефіцієнт заправки 50%. Орієнтація ПТТ: вертикальна з нагрівом знизу та горизонтальна. Охолодження зон конденсації (ЗК) ПТТ - повітрям в умовах природньої конвекції при температурі 20 та 30°С.

Представлено результати візуалізаційних досліджень: описано повну картину руху теплоносія в ПТТ, основні режими роботи ПТТ, встановлено фактори, що впливають на границі їх існування та причини нероботоздатності досліджених ПТТ в горизонтальному положенні.

Робота містить результати експериментальних досліджень впливу кількості витків, відношення довжин ЗН до ЗК, температури охолоджуючого повітря та орієнтації в просторі на теплопередаючі характеристики ПТТ.

Приведено залежність для розрахунку термічного опору ПТТ, методику проектування ПТТ, опис та результати досліджень характеристик системи відводу теплоти від електронних компонентів на ПТТ, створену за даною методикою.

Ключові слова: пульсаційна теплова труба, картина руху теплоносія, основні режими роботи, температурний напір, термічний опір, еквівалентна теплопровідність, кількість витків, довжина зони нагріву, температура охолоджуючого середовища, орієнтація в просторі, система відводу теплоти.

пульсаційний теплота труба радіоелектронний

Аннотация

Алексеик Е.С. Влияние режимных и геометрических факторов на теплопередающие характеристики пульсационных тепловых труб. - На правах рукописи.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев, 2014.

Диссертация посвящена исследованиям влияния геометрических и режимных факторов на теплопередающие характеристики пульсационных тепловых труб (ПТТ).

Параметры исследованных стеклянных и медных замкнутых ПТТ: внутренний диаметр 2,8; 3,1 мм, количество витков 1-10, теплоносители - вода, этанол, длины зон нагрева (ЗН) 30, 50 мм, коэффициент заправки 50%. Ориентация ПТТ: вертикальная с нагревом снизу и горизонтальная. Охлаждение зон конденсации (ЗК) - воздухом в условиях естественной конвекции при температуре 20, 30°С.

Представлены: результаты визуализационных исследований: описаны полная картина движения теплоносителя в ПТТ, основные режимы работы ПТТ, установлены факторы, влияющие на границы их существования, и причины неработоспособности исследованных ПТТ в горизонтальном положении.

Работа содержит результаты экспериментальных исследований влияния количества витков, отношения длин ЗН к ЗК, температуры охлаждающего воздуха и ориентации в пространстве на теплопередающие характеристики ПТТ.

Приведены: зависимость для расчета термического сопротивления ПТТ, методика проектирования ПТТ, описание и результаты исследования характеристик системы отвода теплоты от электронных компонентов на ПТТ, созданной по данной методике.

Ключевые слова: пульсационная тепловая труба, картина движения теплоносителя, основные режимы работы, температурный напор, термическое сопротивление, эквивалентная теплопроводность, количество витков, длина зоны нагрева, температура охлаждающей среды, ориентация в пространстве, система отвода теплоты.

Annotation

Alekseik E.S. Influence of regime and geometric factors on heat-transfer characteristics of pulsating heat pipes. - The manuscript.

Dissertation for the degree of candidate of technical sciences, specialty 05.14.06 - Technical thermal physics and industrial heat-power engineering. - National technical university of Ukraine “Kiev polytechnic institute”, Kiev, 2014.

Dissertation is dedicated to experimental investigation of regime and geometric factors influence on heat-transfer characteristics of pulsating heat pipes (PHP).

Parameters of investigated glass and copper closed-loop PHP: internal diameter 2,8; 3,1 mm, number of turns 1-10, heat carrier: water, ethanol; heating zone (HZ) length 30, 50 mm, filling ratio 50%. Orientation of PHP: vertical bottom heating and horizontal. Condensation zones (CZ) were cooled by air natural convection at temperatures 20, 30°C.

Full picture of heat carrier flow and classification of main operation modes were obtained as results of visualization tests.

It was observed, that heat carrier transfer from HZ to CZ is provided by action of nucleation sites (NS) in HZ and pressure drop between HZ and CZ. Returning of heat carrier to HZ is provided by interactions between slugs and plugs, feeding of HZ by liquid film, mechanical action of vapor bubbles, which were detached from NS in HZ and gravitational force action.

Main operational modes of PHP, which were distinguished in visualization tests: thermal conductivity heat transfer mode, thermosyphon mode, pulsating mode without circulation of heat carrier and pulsating mode with circulation. Transition from one mode to another depends on quantity of active NS in HZ, which, in its turn, depends on heat flux density in HZ. Limits of existence of operational modes are influenced by number of turns, length of HZ, internal diameter of PHP and physical properties of heat carrier. All investigated PHP had temperature drop between HZ and CZ and thermal resistance 2 times less and equivalent thermal conductivity 2-2,5 times more in both pulsating modes, than in thermosiphon mode.

It was noted that PHPs with number of turns less than 9-10, inner diameter more than 1 mm and water as heat carrier didn't work at horizontal mode because of fast blocking of HZ by wapor and absence of HZ feeding by liquid film due to absence of gravitational force action on the film. PHP behavior in horizontal mode is also influenced by HZ length.

First it was observed moment of activation of first NS in OHP on dependence curve between temperature difference HZ-CZ and heat flux density in HZ.

It was founded new features of number of turns influence on heat transfer characteristics of PHP. Increasing of number of turns to 8 leads to increasing of temperature difference between HZ-CZ and thermal resistance and decreasing of equivalent heat conductivity of PHP. And further increasing of number of turns provides decreasing of temperature difference and thermal resistance and increasing of equivalent heat conductivity. It can be explained by change of relation between quantity of active NS on area unit and total number of potential NS because of total inner surface area of HZ change due to change of number of turns.

It was founded, that 2 times increasing of relation between HZ and CZ lengths leads to 2 times increasing of input heat flux density, which corresponds to low limits of existence of PHP main operational modes, and 2 times increasing of temperature difference between HZ and CZ. Herewith thermal resistance of PHP increases in 2-2,5 times and equivalent thermal conductivity decreases in 2,5-2,7 times in thermosyphon operational mode. But in pulsating operational mode thermal resistance decreases in 2-2,5 times and equivalent thermal conductivity increases in 2 times.

It was observed, that increasing of cooling air temperature of 10°C leads to decreasing of temperature difference HZ-CZ and PHP thermal resistance in 1,2-3 times and increasing of equivalent thermal conductivity in 2 times. This influence can be explained by decreasing of friction losses of moving liquid in PHP, which occurs because of liquid physical properties changes, caused by changes of average temperatures and pressures in PHP, connected with increasing of cooling air temperature.

Empirical equation for PHP thermal resistance estimation is presented in the dissertation. It can be used in the range of input heat flux densities from 6·10² to 2,53·10⁴ W/m² for glass PHP, and from 1,3·10³ to 7,7·10⁴ W/m² for copper PHP. Deviation of estimated values from experimental less than ±30%.

Design method for PHP is also presented. New cooling system on PHP for electronic components and central processor units (CPU) of personal computers was designed with using of this method. At condition of cooling by air forced convection heat transfer characteristics of this system are better, than characteristics of similar systems on PHP, miniature heat pipes and serial coolers on heat pipes for CPU. Overall dimensions of designed system (without cooling fan) less, than dimensions of systems mentioned above and there is potential for modification with purpose of increasing of its heat transfer characteristics.

Key words: pulsating heat pipes, picture of heat carrier flow, main operation modes, temperature difference, thermal resistance, equivalent thermal conductivity, number of turns, heating zone length, cooling air temperature, space orientation, cooling system.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Мініатюризація і одночасне збільшення потужності, функціональності та ін. параметрів основних елементів радіоелектронних пристроїв та комп'ютерної техніки призвели до значного зростання густини теплових потоків, які необхідно відводити від них. Вирішення цієї задачі потребує використання високоефективних систем охолодження, в якості яких використовуються теплові труби. Одним із нових та перспективних видів теплових труб є пульсаційні теплові труби (ПТТ), широкі можливості використання яких пов'язані із такими їх перевагами як: спрощення та здешевлення конструкції за рахунок відсутності капілярно-пористої структури, робота в умовах будь-якої орієнтації по відношенню до сил тяжіння та ін. При цьому їх теплопередаючі характеристики не гірші, а в деяких випадках навіть кращі, ніж у звичайних теплових труб із капілярно-пористою структурою.

Однак, не дивлячись на всі переваги пульсаційних теплових труб, на даний час відсутні рекомендації щодо проектування та виготовлення як їх самих, так і теплопередаючих пристроїв на їх основі. Це пов'язано із складними фізичними процесами та явищами, якими супроводжується робота даного виду теплових труб, і які потребують детального дослідження.

Таким чином, дослідження теплопередаючих характеристик та фізичних процесів, що мають місце при роботі пульсаційних теплових труб є актуальною задачею, вирішення якої сприятиме розробці та розвитку високоефективних систем охолодження елементів радіоелектронної та комп'ютеронї техніки, відводу теплоти від елементів космічних апаратів, утилізації теплової енергії в промислових установках.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації тісно пов'язана з тематикою як фундаментальних, так і прикладних досліджень, що проводяться кафедрою АЕС і ІТФ НТУУ «КПІ» у галузі дослідження теплових труб та розробки високоефективних теплопередаючих систем на них і є складовою науково-дослідних робіт:

1. Дослідження та створення мініатюрних теплопередаючих пристроїв на базі пульсуючих капілярних теплових труб (номер державної реєстрації 0106U002445), яка виконувалась за тематичним планом науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

2. Фізичні процеси теплообміну при мініатюризації випарно-конденсаційних систем термостабілізації (номер державної реєстрації 0112U001656), яка виконувалась за тематичним планом науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є дослідження впливу режимних та геометричних факторів на теплопередаючі характеристики ПТТ. Розробка основ проектування ПТТ та їх використання у системах відводу теплоти для сучасних електронних компонентів. Отримання нових закономірностей теплообміну та поглиблення фізичних уявлень про процеси масо- та теплообміну в ПТТ. Для досягнення цієї мети поставлено такі основні задачі:

1) розробити методики експериментального дослідження теплопередаючих характеристик пульсаційних теплових труб, візуалізації процесів, що мають місце при роботі цих приладів, обробки та співставлення експериментальних даних;

2) експериментально дослідити теплопередаючі характеристики експериментальних зразків пульсаційних теплових труб;

3) провести візуалізацію процесів, що мають місце при роботі пульсаційних теплових труб;

4) розвинути фізичні уявлення, щодо режимів роботи та механізмів теплопереносу в пульсаційних теплових трубах.

Об'єктом дослідження є фізичні явища та процеси теплообміну в пульсаційних теплових трубах.

Предметом дослідження є вплив режимних та геометричних факторів на процеси масопереносу та теплопередаючі характеристики пульсаційних теплових труб.

Методи дослідження. При вирішенні вищезгаданих задач використовуються методи експериментального визначення теплопередаючих характеристик пульсаційних теплових труб та візуалізації процесів, що мають місце при роботі даного виду теплових труб.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. В результаті візуалізаційних досліджень на скляних ПТТ з внутрішнім діаметром 2,8 та 3,1 мм вперше описано повну картину руху теплоносія в ПТТ. Встановлено, що перенос теплоносія із зони нагріву (ЗН) в зону конденсації (ЗК) відбувається за рахунок роботи активних центрів пароутворення (ЦПУ) в ЗН та під дією перепаду тиску між ЗН та ЗК; повернення теплоносія в ЗН забезпечується взаємодією між снарядами в ЗК, живленням ЗН плівкою рідини, механічною проштовхуючою дією парових бульбашок та дією сил гравітації.

2. Вперше запропоновано чітку класифікацію основних робочих режимів ПТТ в залежності від густини підведеного теплового потоку: режим передачі теплоти теплопровідністю, термосифонний режим, пульсаційний режим та пульсаційний режим з циркуляцією. При цьому існування термосифонного режиму залежить від фізичних властивостей теплоносія, головним чином від його теплоємності.

3. Виявлено нові особливості впливу кількості витків, відношення довжин зон та температури охолоджуючого середовища на температурний напір між зонами нагріву та конденсації, термічний опір та еквівалентну теплопровідність ПТТ з внутрішнім діаметром 2,8 мм та 3,1 мм. Цим особливостям надано пояснення та вказано параметри, що впливають на залежність даних характеристик від вищевказаних факторів.

4. Отримано нову емпіричну залежність, що дозволяє розрахувати термічний опір скляних та мідних ПТТ з внутрішнім діаметром 2-3 мм, кількістю витків 1-20 та відношенням довжин зон 0,067-0,36, заправлених водою з коефіцієнтом заповнення (КЗ) 50% при роботі у вертикальному положенні з нагрівом знизу при густинах підведеного теплового потоку 6·10²-7,7·10⁴ Вт/м².

5. Розроблено науково-методичні основи проектування ПТТ, які дозволили створити нову конструкцію системи відводу теплоти від теплонавантажених радіоелектронних компонентів та центральних процесорів персональних комп'ютерів на основі ПТТ. Розроблена система має на 25-40% нижчий термічний опір та забезпечує на 40% нижчу температуру охолоджуваного об'єкта, ніж аналогічні конструкції на мініатюрних теплових трубах та ПТТ.

Матеріал дисертації розширює наукові знання про гідравлічні та теплові процеси в ПТТ.

Практичні значення результатів роботи. Отримані результати можуть бути використані при організації подальших, більш детальних досліджень теплопередаючих характеристик ПТТ, а також для обґрунтування технічних рішень при проектуванні різноманітних систем тепловідводу і передачі теплоти в радіоелектронному та комп'ютерному, енергетичному та промисловому обладнанні.

В ході дослідної роботи було розроблено, створено та досліджено зразок системи відводу теплоти на ПТТ, що забезпечувала відведення теплових потоків від 5 до 120 Вт при будь-якій орієнтації в полі сили тяжіння. Термічний опір розробленої системи не перевищував 0,5 К/Вт.

Результати роботи використані ПП «НВФ Теплові Технології» при розробці систем тепловідводу для центральних процесорів комп'ютерної техніки. Матеріали дисертаційної роботи застосовуються в навчальному процесі при підготовці студентів Теплоенергетичного факультету НТУУ «КПІ» за програмою професійного спрямування «Теплофізика».

Особистий внесок здобувача. Наукові результати, приведені у дисертаційній роботі, отримані особисто автором, у тому числі виконано:

1. Виготовлення скляних корпусів експериментальних зразків ПТТ.

2. Створення експериментальної установки для візуалізаційних досліджень процесів масопереносу в ПТТ та дослідження теплопередаючих характеристик ПТТ.

3. Розробка методики проведення експериментальних досліджень та обробки отриманих результатів.

4. Проведення експериментальних досліджень всіх дослідних зразків ПТТ. Обробка, аналіз та узагальнення отриманих експериментальних даних.

5. Розробка методики проектування ПТТ.

6. Експериментальні дослідження створеної в ході проведення роботи конструкції системи відводу теплоти на ПТТ від теплонавантажених компонентів комп'ютерної та радіоелектронної апаратури. Обробка та аналіз отриманих експериментальних даних.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на наукових семінарах кафедри атомних електростанцій і інженерної теплофізики НТУУ «КПІ», VIII-й, IX-й та ХІ-й Міжнародній науково-практичній конференції аспірантів, магістрантів та студентів «Сучасні проблеми наукового забезпечення енергетики» (Україна, м. Київ, квітень 2010 р., квітень 2011 р. та квітень 2013 р.), XII-й, XIII-й, XIV-й и XV-й Международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологи» (Украина, г. Одесса, май 2011 г., июнь 2012 г., май 2013 г. и май 2014 г.), XIV-м Минском международном форуме по тепломассообмену (Беларусь, г. Минск, сентябрь 2012 г.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 17 працях, 5 з яких - у вигляді наукових статей у фахових виданнях (з них 4 входять до міжнародних наукометричних баз), 10 - у матеріалах та тезах конференцій, 1 патенті на корисну модель і 1 патенті на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, списку використаних джерел з 103 найменувань та додатка. Загальний обсяг роботи складає 150 сторінок, з них 56 рисунків та 5 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та завдання дослідження, викладені наукова новизна та практична цінність, представлені дані щодо апробації результатів роботи і особистий внесок здобувача у виконаній роботі.

В першому розділі приведено основні конструктивні особливості ПТТ, що відрізняють їх від теплових труб з капілярно-пористою структурою, описано основні види конструкцій ПТТ, наведено короткі відомості про принципи роботи ПТТ та основні характеристики ПТТ, результати досліджень яких опубліковано в літературі за останнє десятиліття. Крім того представлена класифікація основних факторів, що впливають на теплопередаючі характеристики ПТТ.

Проведено аналіз літературних даних щодо впливу на теплопередаючі характеристики ПТТ геометричних факторів: внутрішнього діаметра капіляра d_вн, довжини зони нагріву L_ЗН (відстань від вершини витка ЗН до кінця ЗН) та кількості витків, а також режимного фактора - кута нахилу. На основі даного аналізу зроблено висновок про недостатню дослідженість впливу довжини зони нагріву та температури охолоджуючого середовища на теплопередаючі характеристики ПТТ та причин впливів кількості витків та кута нахилу.

Також приведено дані з візуалізації роботи ПТТ. Зокрема, приділено увагу режимам течі теплоносія, основним режимам роботи ПТТ, факторам, що впливають на зміну цих режимів, а також залежністю між тепло- та масообміном в ПТТ та даними режимами. Однак об'єднати ці дані в єдину картину руху теплоносія в ПТТ неможливо, оскільки вони були отримані різними авторами на ПТТ з не співпадаючими геометричними характеристиками. Тому необхідно проводити дослідження при фіксованих геометричних, режимних та фізичних параметрах.

Завершує розділ постановка задач дисертаційного дослідження, що випливають з аналізу сучасного стану проблеми, приведеного в даному розділі.

В другому розділі приведено опис дослідних зразків ПТТ, методику їх виготовлення, описано експериментальну установку для проведення візуалізації та вивчення теплопередаючих характеристик ПТТ, наведено методику проведення візуалізаційних досліджень та розрахунку температурного напору між зонами ПТТ, термічного опору та еквівалентної теплопровідності ПТТ.

Характеристики дослідних зразків представлено в табл. 1.

Під КЗ в табл. 1 мається на увазі коефіцієнт заповнення, тобто відношення об'єму заправленого теплоносія до загального об'єму ПТТ.

Таблиця 1 Характеристики дослідних зразків

ПТТ	Матеріал корпусу	dвн, мм	LЗН, мм	Кількість витків	Теплоносій	КЗ, %
ПТТ-4-1	скло	3,1	50	4	вода	50
ПТТ-6				6
ПТТ-8				8
ПТТ-10				10
ПТТ-4-2		2,8	30	4	вода, етанол
ПТТ-7				7
ПТТ-9				9
Замкнена петля-1 (ЗП-1)		3,1	50	1	вода
Замкнена петля-2 (ЗП-2)	мідь			1

Дослідження теплопередаючих характеристик ПТТ та візуалізація проводились на установці, схема якої приведена на рис. 1.



Теплота до ЗН підводилась за допомогою електронагрівача 2. Він живився від електромережі змінного струму 220 В через стабілізатор напруги 10 та лабораторний автотрансформатор 4 (ЛАТР), за допомогою якого регулювалась потужність, що підводилась до ПТТ. Підведена потужність контролювалася за допомогою ватметра 3. Для зменшення втрат теплоти ЗН була вкрита шаром теплоізоляції із базальтового волокна 7. На зовнішню поверхню шару теплоізоляції було встановлено термопару ТП10 для контролю тепловтрат. При дослідженні скляної замкненої петлі ЗН не вкривалась теплоізоляцією для можливості візуального спостереження та відеоз'йомки процесів, що мали місце в цій зоні. Тепловтрати в цьому випадку контролювались за показами термопар, встановлених в ЗН. Контроль температурного поля ПТТ проводився за допомогою мідь-константанових термопар ТП1-ТП9 та ТП11-ТП13, встановлених на зовнішню поверхню стінок ПТТ. Для мінімізації впливу факторів навколишнього середовища на роботу ПТТ її було розміщено в боксі 8.

Зона конденсації (ЗК) охолоджувалась оточуючим повітрям за рахунок природної конвекції. Такий спосіб охолодження було вибрано, оскільки при ньому найпростіше організувати візуалізацію роботи ПТТ.

При проведенні дослідів з візуалізації процеси, що відбувались в ПТТ, фіксувались за допомогою відеокамери (на рис. 1 не показана).

Всі дослідження проводились в горизонтальному та вертикальному з нагрівом знизу положенні ПТТ за програмою, приведеною в табл. 2.

Таблиця 2. Програма проведення досліджень

Предмет дослідження	Досліджувані ПТТ	tохлпов, °С
Візуалізація процесів масопереносу	ПТТ-4-1, ПТТ-6, ПТТ-8, ПТТ-10, ПТТ-4-2, ПТТ-7, ПТТ-9, ЗП-1	20
Вплив кількості витків	ПТТ-4-1, ПТТ-6, ПТТ-8, ПТТ-10, ПТТ-7, ПТТ-9, ЗП-1, ЗП-2	20, 30
Вплив довжин зон	ПТТ-4-1, ПТТ-4-2	20
Вплив tохлпов	ПТТ-8	20, 30
Вплив орієнтації в просторі	ПТТ-4-1, ПТТ-6, ПТТ-8, ПТТ-10, ПТТ-4-2, ПТТ-7, ПТТ-9, ЗП-1, ЗП-2	20
Вплив густини підведеного теплового потоку	ПТТ-4-1, ПТТ-6, ПТТ-8, ПТТ-10, ПТТ-4-2, ПТТ-7, ПТТ-9, ЗП-1, ЗП-2	20

Методика обробки експериментальних даних зводилась до покадрової обробки та аналізу отриманих відеозаписів та розрахунку температурного напору між зонами ПТТ, загального термічного опору ПТТ та її еквівалентної теплопровідності.

Застосована система вимірювань та методика обробки експериментальних даних дозволяли отримувати значення температурного напору між зонами ПТТ із відносною похибкою, що не перевищує 6,9%, значення термічного опору ПТТ та еквівалентної теплопровідності ПТТ із відносною похибкою, що не перевищує 17,5%.

В третьому розділі представлено результати візуалізаційних досліджень скляних ПТТ, проведення яких дозволило виділити основні режими роботи ПТТ в залежності від густини підведеного теплового потоку.

При малих густинах підведеного теплового потоку (до 650 Вт/м² для досліджених ПТТ) спостерігався режим передачі теплоти теплопровідністю. В цьому режимі рух теплоносія в ПТТ практично повністю відсутній, тому більша частина теплової енергії передається по корпусу ПТТ за рахунок теплопровідності.

При густинах теплового потоку q_підв?650-3000 Вт/м² в досліджених ПТТ спостерігався термосифонний режим роботи. В цьому режимі ПТТ працювала як масив з'єднаних між собою термосифонів. Причому у ролі термосифонів виступали витки ПТТ, а процеси, що відбувались в конкретному витку не впливали на процеси у сусідніх витках. Для термосифонного режиму характерне чередування періодів спокою з періодами коливань снарядів.

Періоди коливань короткі і представляють собою швидкозатухаючі коливання снарядів з великою амплітудою та малою частотою. Причиною виникнення коливань є активація та робота центрів пароутворення (ЦПУ) в ЗН. Крім того рух теплоносія забезпечується також перепадом тиску, що виникає між ЗН та ЗК.

Під час періодів спокою рух снарядів практично повністю відсутній, вони достатньо тривалі (до 180 с), причому їх тривалість може випадково змінюватись для однієї і тієї ж ПТТ при постійній густині підведеного теплового потоку. Проте спостерігається тенденція до зменшення максимальної тривалості періодів спокою із збільшенням густини підведеного теплового потоку.

Періоди спокою виникають через те, що внутрішня поверхня стінок ЗН охолоджується і втрачає перегрів необхідний для початку та підтримки кипіння завдяки відведенню певної кількості теплоти в процесі кипіння та надходженню в ЗН холодної рідини із ЗК. Період спокою закінчується лише після того, як рідина, що потрапила в ЗН, догрівається до температури насичення, а внутрішня поверхня стінки ЗН набуває перегрів, достатній для початку кипіння. Таким чином тривалість та наявність періодів спокою, а отже і термосифонного режиму взагалі, залежить від фізичних властивостей теплоносія, зокрема від його теплоємності.

Як було зазначено вище, причиною виникнення коливань є робота ЦПУ. В залежності від відривного діаметру парових бульбашок та розміщення самих ЦПУ можна виділити три механізми зародження пульсаційного руху в ПТТ:

1) утворення парових снарядів в ЗН;

2) відрив парових бульбашок від активних ЦПУ;

3) кипіння поблизу меніска рідинного снаряду.

Перший випадок має місце, коли відривний діаметр парових бульбашок більше внутрішнього діаметра капіляра ПТТ. В цьому випадку бульбашка (рис. 2а-б) перетворюється на паровий снаряд (рис. 2в), який розширюється через збільшення в ньому кількості пари за рахунок випаровування рідини з менісків сусідніх рідинних снарядів. Розширюючись, він проштовхує сусідні снаряди в напрямку ЗК (рис. 2г).

А б в г

Рис. 2. Утворення парових снарядів в ЗН 1 - парова бульбашка; 2 - рідина; 3 - паровий снаряд

В другому випадку відривний діаметр парових бульбашок менше внутрішнього діаметра капіляра ПТТ. Рух снарядів викликається інерційними силами, що виникають при рості бульбашки на ЦПУ, та силами, що виникають при її відриві від ЦПУ.

В третьому випадку активний ЦПУ розташований поблизу меніска рідинного снаряда (рис. 3а). Парова бульбашка, що зростає на ньому, відділена від сусіднього парового снаряду плівкою рідини (рис. 3б). Товщина цієї плівки поступово зменшується через випаровування з неї рідини в порожнину парової бульбашки. Коли вона зникає, бульбашка лопається (рис. 3в), а сили, що при цьому виникають, спричиняють рух теплоносія (рис. 3г).

а б вг

1 - парова бульбашка; 2 - меніск; 3 - меніск, що руйнується; 4 - новий меніск

Рис. 3. Кипіння біля меніска

Описані вище процеси зародження пульсаційного руху в ПТТ сприяють переміщенню рідкої та парової фази теплоносія із ЗН в ЗК та активують як механізм передачі теплоти між зонами за рахунок випарно-конденсаційного циклу, так і її перенос рідинними снарядами. Однак для нормальної роботи ПТТ необхідне повернення теплоносія із ЗК в ЗН. Воно забезпечується пружною дією парових снарядів та формуванням рідинних снарядів в ЗН із плівки рідини.

Пружна дія парових снарядів спостерігається в паровому снаряді, затиснутому між рухомим та нерухомим рідинними снарядами або між рідинними снарядами, що рухаються назустріч один одному. Внаслідок руху сусідніх рідинних снарядів паровий снаряд стискується, в ньому зростає тиск, і коли сили тиску перевищують сили, що рухають однин із стискаючих рідинних снарядів із ЗН в ЗК, паровий снаряд різко розширюється і виштовхує цей рідинний снаряд назад в ЗН (рис. 4).



1 - пара; 2 - рідина

Рис. 4. Пружна дія парових снарядів

Слід зазначити, що пружна дія парових снарядів також забезпечує підтримання пульсуючого характеру руху теплоносія в ПТТ. Однак вона спостерігається не в усіх парових снарядах. Якщо в снаряді мала кількість пари, то він стиснеться до розмірів бульбашки (тобто його розміри стануть менше внутрішнього діаметра капіляра ПТТ), підніметься вгору за потоком (у вертикально орієнтованій ПТТ) і об'єднається з найближчим паровим снарядом.

Реалізація другого механізму живлення ЗН рідиною пов'язана з утворенням на внутрішній поверхні стінок ПТТ плівки рідини при русі рідинного снаряду, а також при конденсації пари в ЗК (рис. 5а). При вертикальній орієнтації ПТТ з нагрівом знизу вона стікає в ЗН і накопичується в U-подібному вигині витка (рис. 5б). Коли накопичиться достатня кількість рідини, під дією сил поверхневого натягу в ЗН формується рідинний снаряд. Дане явище спостерігається, якщо більша частина або вся ЗН витка зайнята парою. Якщо ж в ЗН наявні рідинні снаряди, то стікання плівки лише збільшує кількість рідини в них. Слід зазначити, що явище утворення рідинних снарядів із плівки рідини спостерігається і в ЗК.

Крім пружної дії парових снарядів та утворення снарядів із плівки рідини в ПТТ спостерігалось також об'єднання снарядів. Воно відбувалось внаслідок різної швидкості руху окремих снарядів. Снаряд, що має більшу швидкість, при русі по каналу ПТТ наштовхувався на снаряд з меншою швидкістю та об'єднувався з ним. Даний процес характерний як для рідинних (рис. 6), так і для парових снарядів.



Слід зазначити, що вищеописані процеси взаємодії між снарядами здійснюють значний вплив на роботу ПТТ, оскільки вони призводять до руйнування одних та утворення інших снарядів. Це, в свою чергу, веде до зміни довжин снарядів, їх мас, розподілу по довжині ПТТ та швидкостей руху, і в результаті впливає на тепло- та масообмін в ПТТ.

Таким чином, причиною виникнення руху снарядів в ПТТ є робота активних ЦПУ, а подальший рух теплоносія відбувається під дією різниці тисків між ЗН та ЗК, а також пов'язаний із взаємодією між снарядами в ЗК, яка надає йому коливального характеру та забезпечує повернення теплоносія в ЗН.

При густинах підведеного теплового потоку 3000-3800 Вт/м² досліджені ПТТ переходили на пульсаційний режим роботи. Це означає, що періоди спокою повністю зникали, а пульсаційний рух теплоносія і пов'язані з ним пульсації температури на поверхні ПТТ ставали постійними і неперервними. Зникнення періодів спокою викликане збільшенням середньої температури ЗН, пов'язаним із збільшенням густини підведеного теплового потоку. Через це зменшується час, необхідний для нагріву холодного теплоносія, який надходить до ЗН із ЗК, що скорочує тривалість періодів спокою. Крім того збільшується кількість активних ЦПУ в ЗН, внаслідок чого збільшується тривалість періодів коливань, зростає частота та амплітуда коливань. При цьому механізм виникнення коливального руху, його підтримки та повернення теплоносія в ЗН залишається таким самим як і в термосифонному режимі. Проте на відміну від термосифонного режиму, де витки діяли практично незалежно один від одного, в пульсаційному режимі роботи спостерігається певна взаємодія витків, яка виражається в перетоках теплоносія між сусідніми витками. При цьому в сусідніх каналах потоки теплоносія рухаються у протилежних напрямах. Такі перетоки інтенсифікують масо- та теплообмін між ЗН та ЗК.

При густині підведеного теплового потоку більше 3800 Вт/м² в 4- виткових ПТТ кількість активних ЦПУ ставала настільки великою, що під механічною дією парових бульбашок, які зривались з них, потік теплоносія починав циркулювати по замкненому контуру ПТТ. На циркуляційний рух потоку накладались поздовжні коливання снарядів. Такий режим роботи ПТТ є пульсаційним режимом з циркуляцією. Напрям циркуляції (за чи проти годинникової стрілки) - змінний. Причому зміна напряму відбувалась випадково, і їй в більшості випадків передували короткочасні припинення руху теплоносія. Причини виникнення зупинки аналогічні причинам наявності періодів спокою при роботі ПТТ в термосифонному режимі. Наявність зупинок руху в циркуляційному режимі та їх відсутність в чистому пульсаційному режимі пояснюється тим, що при циркуляції швидкість руху теплоносія вища, ніж в пульсаційному режимі. Це призводить до більш інтенсивного теплообміну між ЗН та ЗК, внаслідок чого температура теплоносія та внутрішньої поверхні стінки капіляра в ЗН може знижуватись до значень, при яких дія ЦПУ припиняється. Слід зазначити, що амплітуда коливань середньої температури ЗН при роботі ПТТ в пульсаційному режимі з циркуляцією значно нижча, ніж в термосифонному режимі.

Із всіх досліджених скляних ПТТ з внутрішнім діаметром 3,1 мм даний режим спостерігався лише у 4-виткових ПТТ, в інших скляних зразках, окрім замкненої петлі, при q_підв?3800-4600 Вт/м² спостерігався перехідний режим від пульсаційного до пульсаційного з циркуляцією. Це пояснюється тим, що збільшення кількості витків призводить до збільшення загального гідравлічного опору змійовика ПТТ, і проштовхуючої дії парових бульбашок, які зриваються з активних ЦПУ і є (разом із перепадом тисків між ЗН та ЗК) однією з основних рушійних сил в даному режимі, не вистачає для прокачування теплоносія. Для початку циркуляційного режиму слід було підводити теплові потоки з густинами більше 4600 Вт/м². Однак це призводило до руйнування скляних корпусів досліджуваних ПТТ.

Окрім 4-виткових ПТТ із внутрішнім діаметром 3,1 мм, пульсаційний режим з циркуляцією спостерігався також у 9-виткових ПТТ з внутрішнім діаметром 2,8 мм та теплоносієм водою. Цей факт, а також аналіз експериментальних та літературних даних, дозволяє зробити висновок про те, що на величину густини підведеного теплового потоку, при якій починається пульсаційний режим з циркуляцією впливають кількість витків ПТТ, довжина ЗН, внутрішній діаметр та фізичні властивості теплоносія.

В горизонтальному положенні жодна з досліджуваних ПТТ з внутрішнім діаметром 3,1 мм не працювала як теплопередаючий пристрій. Рух теплоносія в ПТТ був практично відсутній, а передача теплоти здійснювалась лише за рахунок теплопровідності по корпусу ПТТ. Через деякий час роботи в такому режимі ЗН повністю запарювалась і ПТТ припиняла працювати.

Причинами нероботоздатності досліджених ПТТ з внутрішнім діаметром 3,1 мм в горизонтальному положенні є запарювання ЗН та відсутність живлення ЗН плівкою рідини через відсутність дії сил гравітації. Запарювання ЗН відбувається через те, що парові бульбашки з відривним діаметром меншим, ніж внутрішній діаметр капіляра, не підіймаються вгору вздовж осі капіляра, як це відбувається при ветрикальній орієнтації ПТТ, а рухаються поперек претину каналу і накопичуються біля його стінки. Поступово їх кількість збільшується, і вони зливаються у парові снаряди, які повністю блокують ЗН. Сили, що виникають при відриві таких бульбашок від ЦПУ недостатні для початку руху теплоносія в ПТТ. Так само як і при вертикальній орієнтації ПТТ, в горизонтальному положенні спостерігається перетворення бульбашок з відривним діаметром більшим за внутрішній діаметр капіляра на парові снаряди. Проте цей процес також не спричиняє рух теплоносія, а лише сприяє запарюванню ЗН.

На відміну від зразків із внутрішнім діаметром 3,1 мм 9-виткова ПТТ із внутрішнім діаметром 2,8 мм, заправлена водою, працювала в горизонтальному положенні. При цьому в ній спостерігались всі основні описані вище режими роботи. Однією з причин роботоздатності даного зразка в горизонтальному положенні є довжина зони нагріву, яка складала 30 мм на відміну від ПТТ із внутрішнім діаметром 3,1 мм, де вона дорівнювала 50 мм. Через зменшення довжини зони нагріву кількість активних ЦПУ в ЗН також зменшувалось, що призводило до генерації меншої кількості пари і відсутності запарювання ЗН. Різницею внутрішніх діаметрів капілярів в даному випадку можна знехтувати, оскільки зменшення даної величини від 3,1 мм до 2,8 мм збільшує капілярний тиск та втрати на тертя лише в 1,1 рази.

Для перевірки наявності основних режимів роботи, що спостерігались на скляних ПТТ, у ПТТ із металевим корпусом було виготовлено мідну замкнену петлю (зразок ЗП-2 в табл. 1), геометричні параметри якої повністю повторювали параметри замкненої скляної петлі (зразок ЗП-1 в табл. 1). Її було досліджено в умовах, ідентичних умовам дослідження скляної петлі.

Проведені досліди показали, що при роботі у вертикальному положенні з нагрівом знизу в мідній петлі існують ті ж самі робочі режими, які спостерігались в скляних зразках, про що свідчить зміна середньої температури ЗН в часі. При цьому граничні густини теплових потоків для переходу від одного режиму до іншого приблизно рівні таким для скляних ПТТ. Єдиним режимом, який не вдалось ідентифікувати за зміною середньої температури ЗН, був пульсаційний режим з циркуляцією. Для його виявлення необхідні візуалізаційні спостереження, проте не слід відкидати можливість існування данного режиму в мідних ПТТ.

При роботі в горизонтальному положенні не спостерігалось жодних пульсацій температури в ЗН або ЗК мідної петлі. Це свідчить про те, що відбувалась передача незначної кількості теплоти лише за рахунок теплопровідності по корпусу.

Оскільки режими роботи ПТТ, що існували при дослідженні скляних зразків, спостерігались і на мідній петлі, то можна вважати, що ці режими є характерними і для інших ПТТ, заправлених водою.

Крім того в третьому розділі приведено математичний опис теплогідравлічних процесів в ПТТ. В його основу покладено баланс тисків в ПТТ, рівняння Релея для визначення інерційних сил, що виникають при зростанні парової бульбашки на активному ЦПУ, і є однією з основних рушійних сил для теплоносія в ПТТ, рівняння руху окремого рідинного снаряду по прямим частинам каналів ПТТ, яке враховує пружну дію парових снарядів; рівняння теплопередчі до та від теплоносія через стінку ПТТ та плівку рідини, що існує на її внутрішній поверхні при роботі ПТТ; вирази, запропоновані Безродним М.К. для визначення коефіцієнтів тепловіддачі в ЗН та ЗК двофазних термосифонів, які в даному випадку пропонується використовувати для визначення коефіцієнтів тепловіддачі у відповідних зонах ПТТ. В якості початкових умов можна використовувати початкові розподілення снарядів по координатах і температур по довжині корпуса ПТТ. В якості граничних умов можна використовувати граничні умови ІІ-го роду для теплопідводу та тепловідводу від зовнішньої поверхні стінки ПТТ в ЗН та ЗК відповідно, а також умови адіабатної стінки в зоні транспорту.

Даний математичний опис є спробою описати теплогідравлічні процеси в ПТТ в цілому на відміну від більшості математичних моделей, представлених в літературних джерелах, де розглядаються окремі снаряди або зони чи частини ПТТ. Проте її практичне застосування на даний час ускладнюється браком експериментальних даних щодо впливу режимних та геометричних факторів на теплопередаючі характеристики ПТТ, коефіцієнтів тепловіддачі в зонах ПТТ, швидкостей руху снарядів, тощо.

Четвертий розділ присвячено результатам дослідження впливу геометричних та режимних факторів на температурний напір між ЗН та ЗК, термічний опір та еквівалентну теплопровідність ПТТ.

Результати дослідження впливу кількості витків на температурний напір скляних ПТТ, запрвлених водою, з довжиною ЗН 50 мм при температурі охолоджуючого середовища 20°С та вертикальній орієнтації з нагрівом знизу представлено на рис. 7а.

Як видно з рис. 7а, збільшення кількості витків від 4 до 8 призводить до збільшення перепаду температур між ЗН та ЗК, а подальше її збільшення від 8 до 10 витків призводить до зменшення температурного напору.

Пояснити форму кривих, представлених на рис. 7а, можна, якщо розглянути залежність температурного напору від густини підведеного теплового потоку для замкненої петлі (рис. 7б). Спочатку петля працює в режимі передачі теплоти теплопровідністю (область I). Оскільки теплові потоки, що передаються в цьому режимі незначні, збільшення q_підв призводить до зростання середньої температури ЗН при практично незмінній температурі ЗК, в результаті чого температурний напір зростає. При активації перших ЦПУ (перегин кривої в області II) петля переходить в термосифонний режим, починається рух теплоносія в ПТТ і теплопередача між ЗН та ЗК, що призводить до зниження температурного перепаду. Слід зазначити, що момент активації перших ЦПУ в дослідженнях ПТТ помічено вперше. Причому спостерігалось це явище не лише для зразка ЗП-1 (див. табл. 1), але і для зразка ЗП-2, а також ПТТ -4-2 з теплоносієм етанолом. Подальше збільшення густини підведеного теплового потоку призводить до переходу петлі в пульсаційний режим роботи (область ІІІ): активується ще більша кількість ЦПУ, інтенсифікується масообмін, а разом з ним і теплообмін, між ЗН та ЗК, в результаті температурний перепад ще більше знижується. Після цього з підвищенням q_підв починаються передкризові явища в петлі, зокрема осушення ЗН (область IV), через що перепад температур між ЗН та ЗК зростає. Аналогічні явища відбуваються і в багатовиткових ПТТ (рис. 7а) з тією лише відмінністю, що вони починали працювати відразу в термосифонному режимі.

Дослідження впливу кількості витків на перепад температур між ЗН та ЗК проводилось також на ПТТ-7 та ПТТ-9 (див. табл. 1) з теплоносієм водою та при температурі охолоджуючого повітря 30°С. Було помічено вплив, аналогічний тому, що спостерігався при переході від 8 до 10 витків (рис. 7а). Відмінним було лише те, що ПТТ-7 та ПТТ-9 починали працювати відразу у пульсаційному режимі. Тобто довжина ЗН (у ПТТ-7 та ПТТ-9 вона складала 30 мм) впливає на межі існування основних режимів роботи ПТТ.



Залежність термічного опору ПТТ від підведеного теплового потоку для труб з різною кількістю витків, довжиною ЗН 50 мм при роботі у вертикальному положенні з нагрівом знизу та температурі охолоджуючого повітря 20°С приведено на рис. 8.

Як видно з рис. 8, збільшення кількості витків від 4 до 8 при однаковій підведеній потужності призводить до збільшення термічного опору в 1,5-2 рази, а подальше її збільшення від 8 до 10 витків, навпаки, призводить до його зменшення. Це можна пояснити тим, що збільшення кількості витків при одному і тому ж значенні підведеного теплового потоку призводить до збільшення загальної площі ЗН, а отже до зменшення густини підведеного теплового потоку. Це призводить до зменшення густини активних ЦПУ (тобто кількості активних ЦПУ на одиницю площі) в ЗН. Однак в той же час збільшення загальної площі ЗН призводить до збільшення загальної кількості потенційних ЦПУ. В залежності від того, яка з двох вищеназваних причин буде переважати, буде змінюватись і термічний опір із зміною кількості витків. Цим також можна пояснити і вплив кількості витків на температурний напір між ЗН та ЗК (див. рис. 7а).



Проведені дослідження також показали, що найнижчий термічний опір ПТТ мають при роботі в пульсаційному режимі або пульсаційному режимі з циркуляцією, тому при розробці конструкції ПТТ слід обирати таку кількість витків, при якій в заданому діапазоні підведених потужностей вона буде працювати у вищевказаних режимах.

Результати досліджень впливу кількості витків на термічний опір ПТТ з довжиною ЗН 30 мм (ПТТ-7, ПТТ-9 в табл. 1) показали, що він знижується зі збільшенням кількості витків від 7 до 9. Тобто, із зменшенням довжини ЗН кількість витків, після якої термічний опір починає знижуватись із її збільшенням, зменшується.

На рис. 9 представлено вплив кількості витків на еквіваленту теплопровідність ПТТ з довжиною ЗН 50 мм при роботі у вертикальному положенні з нагрівом знизу. Цей вплив аналогічний впливу кількості витків на термічний опір. Його пояснення аналогічне приведеному вище поясненню для термічного опору. Для ПТТ з довжиною ЗН 30 мм (ПТТ-7 та ПТТ-9 в табл. 1) було отримано результати, аналогічні результатам для термічного опору.

Також було досліджено вплив кількості витків на термічний опір окремо взятого витка багатовиткової ПТТ. В результаті було виявлено, що цей вплив аналогічний впливу даних факторів на загальній термічний опір ПТТ. При цьому термічний опір замкненої петлі більший, ніж термічний опір окремого витка 4-виткової ПТТ, але менший від термічного опору витків інших досліджених ПТТ. Причина такої відмінності полягає в тому, що при роботі ПТТ КЗ окремого витка змінюється (під КЗ витка мається на увазі відношення об'єму теплоносія, що знаходиться у витку на даний момент часу, до загального об'єму витка) внаслідок перетоків теплоносія між витками, в той час як для замкненої петлі він весь час залишається постійним.

Крім того при дослідженні теплопередаючих характеристик окремих витків було помічено, що між показами термопар, встановлених на сусідніх каналах одного і того ж витка існує різниця температур від 1 до 11°С, що свідчить про наявність певного перепаду тиску між сусідніми каналами, який впливає на рух теплоносія в ПТТ.

Результати дослідження впливу відношення довжин ЗН до ЗК на температурний напір між зонами 4-виткових ПТТ, заправлених водою, при їх роботі у вертикальному положенні з нагрівом знизу та температурі охолоджуючого повітря 20°С приведено на рис. 10.

З рис. 10 видно, що зменшення відношення довжин ЗН до ЗК призводить до збільшення температурного напору між зонами, а також до зсуву нижніх меж основних робочих режимів ПТТ в бік збільшення густини підведеного теплового потоку. Так, наприклад, перехід від термосифонного режиму до пульсаційного у ПТТ з L_ЗН/L_ЗК=0,18 відбувається при густині теплового потоку приблизно рівній 8300 Вт/м², в той час як для ПТТ із L_ЗН/L_ЗК=0,36 ця величина складає приблизно 3000 Вт/м².

Результати дослідження впливу L_ЗН/L_ЗК на термічний опір в основних робочих режимах для тієї ж ПТТ приведено на рис. 11.

При роботі в термосифонному режимі зменшення відношення довжин ЗН до ЗК в 2 рази призводить до збільшення термічного опору (рис. 11а) та зменшенню еквівалентної теплопровідності, а в пульсаційному режимі - навпаки, до зменшення R (рис. 11б) та збільшенню л_екв. Тому рекомендується при підведенні значних густин теплових потоків використовувати ПТТ із малими значеннями L_ЗН/L_ЗК.

На рис. 12 приведено порівняння термічних опорів 8-виткової ПТТ з теплоносієм водою та довжиною ЗН 50 мм при температурах охолоджуючого повітря 20 та 30°С. Підвищення температури охолоджуючого середовища призводить до зниження термічного опору ПТТ. Аналогічно, підвищення цієї температури сприяє зниженню перепаду температур між зонами та підвищенню еквівалентної теплопровідності ПТТ. Це пояснюється тим, що підвищення t_охл призводить до зниження густини рідкої фази теплоносія, через що знижуються втрати на тертя при її русі по ПТТ. Це покращує масо- і теплообмін між зонами. Крім того, підвищення t_охл сприяє збільшенню тиску в ПТТ, що призводить до зменшення відривного діаметру парових бульбашок, які утворюються на активних ЦПУ в ЗН, та збільшення частоти їх відриву. Це також інтенсифікує рух снарядів між ЗН та ЗК, сприяючи теплообміну між зонами.

Дослідження впливу орієнтації в просторі на теплопередаючі характеристики ПТТ показали, що всі досліджені зразки, окрім ПТТ-9 (див. табл. 1) з довжиною ЗН 30 мм та теплоносієм водою, мали високі значення температурних напорів та термічних опорів при роботі в горизонтальному положенні. Це пояснюється тим, що в даних ПТТ рух теплоносія в цьому положенні був практично відсутнім, а теплота передавалась лише за рахунок теплопровідності корпуса.

ПТТ-9, навпаки, була нечутливою до орієнтації в просторі, тобто при переході від вертикального положення з нагрівом знизу до горизонтального положення її теплопередаючі характеристики залишались практично незмінними. Таким чином, зменшення довжини ЗН сприяє зменшенню впливу орієнтації в просторі на теплопередаючі характеристики ПТТ. Крім того довжина ЗН впливає на критичну кількість витків, тобто кількість витків, починаючи з якої ПТТ працюють в горизонтальному положенні і навіть можуть бути нечутливими до орієнтації в просторі. Не виключено, що для ПТТ із довжиною ЗН 30 мм вона менше 9, тому досліджена 9-виткова ПТТ працювала у горизонтальному положенні, а для ПТТ з L_ЗН=50 мм - більше 10, тому жодна з досліджених ПТТ за такою довжиною ЗН не працювала в горизонтальному положенні.

...