Вплив режимних та геометричних факторів на теплопередаючі характеристики пульсаційних теплових труб

На основі узагальнення експериментальних даних було отримано емпіричну залежність, яка дозволяє розрахувати термічний опір ПТТ за відомими значеннями густини підведеного теплового потоку, довжин зон та кількістю витків. Вона має вигляд:

,(1)

де с, m - константа та показник ступеня відповідно

q_підв - густина підведеного теплового потоку, розрахована по відношенню до загальної площі зовнішньої поверхні ЗН, Вт/м²; n - кількість витків ПТТ; L_ЗН, L_ЗТ та L_ЗК - довжини зон нагріву, транспорту та конденсації відповідно, м.

Залежність (1) можна застосовувати для скляних та мідних ПТТ з внутрішнім діаметром 2 та 3 мм, кількістю витків від 1 до 20, та відношенням L_ЗН/(L_ЗТ+L_ЗК) від 0,067 до 0,36, заправлених водою з КЗ 50% при роботі у вертикальному положенні з нагрівом знизу. Для скляних ПТТ діапазон застосування даної залежності становить від 6·10² до 2,53·10⁴ Вт/м², а для мідних - від 1,3·10³ до 7,7·10⁴ Вт/м².

Порівняння результатів розрахунку за виразом (1) із експериментальними даними, отриманими автором, показало, що для всіх досліджених зразків відхилення розрахункових даних від експериментальних не перевищує ±30%.

Порівняння розрахункових значень термічного опору за формулою (1) із даними, представленими в літературі (рис. 13), також показує відхилення не більше ±30%.

В п'ятому розділі представлено методику проектування ПТТ для систем охолодження радіоелектронних пристроїв. Вона дозволяє, виходячи із максимально допустимої температури охолоджуваного об'єкта, максимального теплового потоку, який необхідно відвести, умов тепловідводу, орієнтації системи відводу теплоти (СВТ) в просторі, та її геометричних параметрів, підібрати такий теплоносій та геометричні параметри ПТТ, при яких вона буде мати мінімальний термічний опір.

Крім того описано конструкцію СВТ на ПТТ (рис. 14), спроектовану за даною методикою. Її основним елементом є мідна ПТТ з теплоносієм водою та такими параметрами: d_вн=1 мм, L_ЗН/L_ЗК=0,051, КЗ=50%, кількість витків - 24. ПТТ припаяна до мідної пластини товщиною 3 мм, яка виконує роль термоінтерфейсу. Габаритні розміри СВТ без охолоджуючого вентилятора- 50х50х42 мм, що менше, ніж у конструкцій аналогічного призначення на ПТТ, а також у розповсюджених кулерів на звичайних ТТ для центральних процесорів персональних комп'ютерів.

СВТ досліджувалась в умовах охолодження повітрям при природній та вимушеній конвекції. В першому випадку використовувалась установка, показана на рис. 1, а в другому - аеродинамічна труба, при цьому діапазон підведених до СВТ потужностей складав 10-160 Вт, а швидкість охолоджуючого повітря 4,2-9,4 м/с, що відповідає витраті 13,3·10^-3-29,5·10^-3 м³/с.

Проведені дослідження показали, що в умовах вимушеної конвекції при підведеній потужності 10-160 Вт термічний опір СВТ складає 0,5-0,1 К/Вт, а середня температура охолоджуваного об'єкту при відведеній потужності 120 Вт і швидкості охолоджуючого потоку 9,4 м/с знаходиться в діапазоні 58-67 °С в залежності від орієнтації СВТ в просторі. При цьому використання даної СВТ в умовах природньої конвекції є недоцільним через високий термічний опір та високу температуру охолоджуваного об'єкта.

Отримані результати порівнювались із характеристиками аналогічних конструкцій на ПТТ та мініатюрних теплових трубах (МТТ). В якості прикладу на рис. 15 представлено порівняння характеристик розробленої СВТ на ПТТ із описаними в літературі аналогічними конструкціями та кулерами на ТТ для центральних процесорів персональних комп'ютерів при близьких заначеннях витрати охолоджуючого повітря та підведених потужностей. Розроблена СВТ забезпечує значно нижчі температури охолоджуваного об'єкта, ніж конструкція Майданика Ю.Ф. (рис. 15а), та має термічний опір охолоджуваний об'єкт-повітря менший або рівний такому у кулерів на ТТ (рис. 15б). Слід зауважити, що останні мають високі теплопередаючі характеристики за рахунок значної площі оребрення ЗК ТТ. У той час як у розробелної СВТ аналогічні та кращі, параметри були отримані без нього. Це свідчить про те, що теплопередаючі характеристики застосованої ПТТ вище, ніж у ТТ, використаних в кулерах, а СВТ має потенціал для модифікування, наприклад, оребрення ЗК ПТТ з метою покращення її теплопередаючих характеристик..

Головним результатом дисертації є вирішення важливої науково-технічної задачі - дослідження впливу режимних та геометричних параметрів на теплопередаючі характеристики ПТТ. Для цього було експериментально досліджено ряд скляних та мідних зразків ПТТ з різною кількістю витків, довжинами ЗН при різних температурах охолоджуючого повітря та різній орієнтації в просторі. Було отримано емпіричну формулу, що дозволяє розрахувати термічний опір ПТТ за відомими значеннями густини підведеного теплового потоку, довжин зон та кількістю витків, а також практичні рекомендації щодо вибору кількості витків та довжин зон ПТТ. Запропоновано методику розрахунку та проектування ПТТ, за якою було створено зразок СВТ для теплонавантажених компонентів радіоелектронної апаратури на основі ПТТ. Було досліджено теплопередаючі характеристики створеної СВТ, а результати досліджень порівняно із характеристиками СВТ на ПТТ, МТТ.

Висновки та рекомендації дисертаційної роботи:

1. Вперше описано повну картину руху теплоносія в ПТТ. Перенос теплоносія із ЗН в ЗК відбувається за рахунок роботи активних ЦПУ в ЗН та під дією перепаду тиску між ЗН та ЗК. Повернення теплоносія в ЗН забезпечується взаємодією між снарядами в ЗК, живленню ЗН плівкою рідини, механічною проштовхуючою дією парових бульбашок, що відриваються від активних ЦПУ в ЗН та дією сил гравітації.

2. Вперше отримано чітку класифікацію основних режимів роботи ПТТ: режим передачі теплоти теплопровідністю, термосифонний режим, пульсаційний режим та пульсаційний режим з циркуляцією. Причому наявність термосифонного режиму визначається фізичними властивостями теплоносія, зокрема його теплоємністю. Перехід від одного режиму до іншого залежить від густини підведеного теплового потоку та пов'язаної з нею кількості активних ЦПУ в ЗН. На границі існування режимів впливають: кількість витків, довжина ЗН, внутрішній діаметр капіляра та фізичні властивості теплоносія.

3. Всі досліджені ПТТ при роботі в пульсаційному режимі та пульсаційному режимі з циркуляцією мали температурний напір між ЗН і ЗК та термічний опір в 2 рази менший, а еквівалентну теплопровідність в 2-2,5 рази більшу, ніж при роботі у термосифонному режимі. Тому рекомендується обирати таку кількість витків ПТТ, при якій дані режими будуть починатись при якомога менших потужностях.

4. Причинами нероботоздатності ПТТ з кількістю витків менше 9-10, внутрішнім діаметром більше 2 мм, теплоносієм водою в горизонтальному положенні є: швидке запарювання ЗН та відсутність живлення ЗН плівкою рідини, внаслідок відсутності дії гравітації на плівку. На роботоздатність ПТТ в горизонтальному положенні також впливає довжина ЗН.

5. Вперше помічено момент активації перших ЦПУ в ПТТ на кривій залежності температурного напору між ЗН та ЗК від густини підведеного теплового потоку.

6. Виявлено нові особливості впливу кількості витків на теплопередаючі характеристики ПТТ. Збільшення кількості витків до 8 витків для досліджених зразків призводить до збільшення термічного опору і температурного напору між ЗН та ЗК, а також до зменшення еквівалентної теплопровідності, а після нього - навпаки, до зменшення t і R та до збільшення л_екв. Такий вплив пояснюється зміною співвідношення кількості активних ЦПУ на одиницю площі та загальної кількості потенційних ЦПУ, викликаною зміною загальної площі поверхні ЗН, внаслідок зміни кількості витків. На характер залежності між кількістю витків та теплопередаючими характеристиками ПТТ здійснює вплив довжина ЗН.

7. Виявлено вплив відношення довжин ЗН до ЗК на теплопередаючі характеристики ПТТ. Зменшення цього відношення в 2 рази призводить до зсуву нижніх меж основних робочих режимів ПТТ в бік збільшення густини підведеного теплового потоку в 2 рази та збільшення температурного напору в 2 рази. При цьому термічний опір ПТТ збільшується в 2-2,5 рази, а еквівалентна теплопровідність зменшується в 2,5-2,7 разів при роботі у термосифонному режимі. При роботі в пульсаційному режимі R зменшується в 2-2,5 рази, а л_екв збільшується в 2 рази. Тому рекомендується при підведенні значних густин теплових потоків використовувати ПТТ із малими значеннями L_ЗН/L_ЗК.

8. Підвищення температури охолоджуючого середовища на 10°С призводить до зменшення перепаду температур між ЗН та ЗК і термічного опору ПТТ в 1,2-3 рази та збільшення еквівалентної теплопровідності в 2 рази. Такий вплив пояснюється зменшенням втрат на тертя при русі рідкої фази теплоносія в ПТТ, викликаного зміною його фізичних властивостей, яка є наслідком зміни тисків та середніх температур зон ПТТ, пов'язаної із зміною температури охолоджуючого середовища.

9. Було отримано емпіричну залежність, яка дозволяє розрахувати термічний опір ПТТ за відомими значеннями густини підведеного теплового потоку, довжин зон та кількістю витків. Її можна застосовувати для скляних та мідних ПТТ з внутрішнім діаметром 2 та 3 мм, кількістю витків від 1 до 20, та відношенням L_ЗН/(L_ЗТ+L_ЗК) від 0,067 до 0,36, заправлених водою з КЗ 50% при роботі у вертикальному положенні з нагрівом знизу. Для скляних ПТТ діапазон застосування даної залежності становить від 6·10² до 2,53·10⁴ Вт/м², а для мідних - від 1,3·10³ до 7,7·10⁴ Вт/м². Відхилення розрахункових значень від експериментальних не перевищує ±30%.

10. Було розроблено методику розрахунку та проектування ПТТ, за якою було створено нову систему відводу теплоти від теплонавантажених напівпровідникових радіоелектронних компонентів та центральних процесорів персональних комп'ютерів на ПТТ. За умов повітряного охолодження вимушеною конвекцією вона має кращі теплопередаючі характеристики ніж відомі аналогічні системи на ПТТ, МТТ та серійні кулери для центральних процесорів комп'ютерів на звичайних ТТ. При цьому габаритні параметри розробленої СВТ (без урахування охолоджуючого вентилятора) менші, ніж у вищезгаданих систем, і вона має потенціал для модифікування з метою покращення її теплопередаючих характеристик.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Кравец В.Ю. Влияние количества витков на теплопередающие характеристики пульсационных тепловых труб [Текст] / Кравец В.Ю., Алексеик Е.С. // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2010. - №6/7 (48). - с. 59-63 (включена до наукометричної бази Index Copernicus).

2. Кравец В.Ю. Влияние количества витков на термическое сопротивление пульсационных тепловых труб [Текст] / Кравец В.Ю., Алексеик Е.С., Аполлонина А.Ю. // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2012. - №2/8 (56). - с. 54-57 (включена до наукометричної бази Index Copernicus).

3. Алексеик Е.С. Картины движения теплоносителя в основных режимах работы пульсационных тепловых труб [Текст] / Алексеик Е.С., Кравец В.Ю. // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2012. - №4/8 (58). - с. 36-42 (включена до наукометричної бази Index Copernicus).

4. Алексеик Е.С. Система отвода теплоты от теплонагруженных элементов РЭА на основе пульсационной тепловой трубы [Текст] / Алексеик Е.С., Кравец В.Ю. // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2013. - №1. - с. 19-24 (включена до бази Ulrich's Periodicals Directory).

5. Алексеик Е.С. Визуализация процессов массопереноса в пульсационных тепловых трубах [Текст] / Алексеик Е.С., Кравец В.Ю. // Збірник наукових праць СНУЯЕтаП. - 2013. - №1 (45). - с. 135-144.

6. Алексеик Е.С. Влияние количества витков на теплопередающие характеристики пульсационных тепловых труб [Текст] / Алексеик Е.С., Кравец В.Ю. // Тези доповідей VIII-ої Міжнародної науково-практичної конференції аспірантів, магістрантів та студентів «Сучасні проблеми наукового забезпечення енергетики» - НТУУ «КПІ», м. Київ, 2010 р. - с. 67.

7. Алексеик Е.С. Визуализация процессов, имеющих место в пульсационных тепловых трубах [Текст] / Алексеик Е.С., Кравец В.Ю. // Тези доповідей IХ-ої Міжнародної науково-практичної конференції аспірантів, магістрантів та студентів «Сучасні проблеми наукового забезпечення енергетики» - НТУУ «КПІ», м. Київ, 2011 р. - с. 61.

8. Алексеик Е.С. Зависимость теплопередающих характеристик пульсационных тепловых труб от количества витков и угла наклона [Текст] / Алексеїк Е.С., Кравец В.Ю. // Труды ХII-ой Международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологи» - Одесса, 2011 г. - с. 228.

9. Алексеик Е.С. Система отвода теплоты от теплонагруженных элементов РЭА на основе пульсационной тепловой трубы [Текст] / Алексеик Е.С., Кравец В.Ю. // Труды ХIII-ой Международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологи» - Одесса, 2012 г. - с. 205.

10. Алексеик Е.С. Влияние количества витков на теплопередающие характеристики отдельно взятого витка многовитковых пульсационных тепловых труб [Текст] / Алексеик Е.С., Кравец В.Ю. // Тезисы докладов и сообщений. XIV Минский международный форум по тепло- и массообмену - Минск, 2012 г. - Том 1, часть 1 - с. 379-381.

11. Алексеик Е.С. Влияние количества витков на теплопередающие характеристики отдельно взятого витка многовитковых пульсационных тепловых труб [Електронний ресурс] / Алексеик Е.С., Кравец В.Ю. // Материалы XIV Минского международного форума по тепло- и массообмену. - Минск, 2012 г. - 1 електрон. опт. диск (CD-ROM): кольор.; 12 см. -- Систем. вимоги: Pentium; 32 Mb RAM ; Windows 95, 98, 2000, XP ; MS Word 97-2000. -- Назва з контейнера.

12. Nikolaenko Yu.E. High-performance combined heat-transfer system of evaporation-condensation type [Текст] / Nikolaenko Yu.E., Kravets V.Yu., Alekseik E.S., Melnik R.S. // Topical areas of fundamental and applied research. - CreateSpace, North Charleston, USA, 2013. - vol. 1. - p. 149-151.

13. Пат. на корисну модель UA85596U Україна, МПК F28D 15/00. Комбінована теплопередавальна система випарно-конденсаційного типу [Текст] / Письменний Є.М, Ніколаєнко Ю.Є., Кравець В.Ю., Алексеїк Є.С., Мельник Р.С.; власник: Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут». - № u 2013 06693; заявл.: 29.05.2013; публ.: 25.11.2013, Бюл. №22. - 6 с.

14. Пат. на винахід UA 105603 C2 Україна, МПК F21S 8/00, F21V 7/00. Світлодіодна люстра [Текст] / Ніколаєнко Ю.Є., Кравець В.Ю., Паламарчук О.Я., Алексеїк Є.С., Мельник Р.С, Ніколаєнко Т.Ю., Кравець Д.В.; власники: Ніколаєнко Ю.Є., Кравець В.Ю., Паламарчук О.Я., Алексеїк Є.С., Мельник Р.С, Ніколаєнко Т.Ю., Кравець Д.В. - № а 2013 09312; заявл.: 25.07.2013; публ.: 26.05.2014, Бюл. №10. - 9 с.

15. Мельник Р.С. Теплопередающие характеристики комбинированной системы отвода теплоты на основе обычной и пульсационной тепловой трубы [Текст] / Мельник Р.С., Алексеик Е.С. // ХI Міжнародна науково-практична конференція аспірантів, магістрантів та студентів «Сучасні проблеми наукового забезпечення енергетики». Тези доповідей - НТУУ «КПІ», м. Київ, 2013 р. - т.1 - c. 57.

16. Николаенко Ю.Е. Комбинированная теплопередающая система испарительно-конденсационного типа [Текст] / Николаенко Ю.Е., Кравец В.Ю., Алексеик Е.С. // Труды XIV Международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии» - Одеса, 2013 р. - т.2 - с. 28-29.

17. Мельник Р.С. Особенности новой конструкции светодиодного осветительного прибора с комбинированной системой охлаждения [Текст] / Мельник Р.С., Николаенко Ю.Е., Кравец В.Ю., Паламарчук А.Я., Николаенко Т.Ю., Кравец Д.В. // Труды XV Международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии» - Одесса, 2014 г. - т.2. - с. 22-23.

Размещено на Allbest.ru