Інтенсифікація процесів теплообміну в двофазних термосифонах при використанні нарізних зон нагріву

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorЛебедь, Наталія Леонідівна
dc.contributor.authorЛіпніцький, Леонід Володимирович
dc.date.accessioned2025-06-16T09:13:41Z
dc.date.available2025-06-16T09:13:41Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractЛіпніцький Леонід Володимирович. Інтенсифікація процесів теплообміну в двофазних термосифонах при використанні нарізних зон нагріву. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 142 «Енергетичне машинобудування». - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", МОН України, Київ, 2025. Дисертаційна робота присвячена вивченню процесів гідродинаміки та теплової ефективності двофазних термосифонів з нарізним випарником, а також вивченню впливу геометричних параметрів нарізі у зоні нагріву на характеристики термосифону. У вступі визначено мету і завдання дослідження відповідно до предмету та об’єкту, обґрунтовано вибір теми дослідження. Обрано метод дослідження, а саме експериментальний метод. Показано наукову новизну отриманих результатів та надано інформацію щодо особистого внеску здобувача. Також надано інформацію про апробацію результатів роботи. Описано структуру та обсяг дисертаційної роботи. Крім того, вказано зв’язок роботи з науковими програмами та грантами, в рамках яких було виконано дану роботу. Одним з ключових компонентів енергетичної галузі та промисловості, особливо в енергетичному машинобудуванні є теплообмінні апарати. Ці пристрої забезпечують передачу енергії між робочими середовищами та є основним засобом у роботі різноманітного обладнання. Одним з типів такого обладнання є теплообмінні апарати з термосифонами або тепловими трубами. Такі технології дозволяють забезпечувати ефективну передачу тепла за рахунок фазових переходів робочого середовища та трансформації теплових потоків, що дозволяє використовувати їх у широкому діапазоні теплового навантаження та температур. У першому розділі представлено загальні відомості про теплообмінне обладнання та їх основні функції, проведено пошук та аналіз основних конструкцій. Також представлено літературний огляд по теплообмінним апаратам на основі термосифонів та теплових труб, що базуються на випарноконденсаційному циклі роботи. Проаналізовано конструкції таких апаратів, їх особливості та характеристики. Крім класичного використання у теплообмінних апаратах термосифони знайшли своє застосування і у альтернативній енергетиці. Проаналізовано ефективність роботи теплообмінного обладнання для реалізації теплового потенціалу верхніх шарів ґрунту на основі термосифонів у комбінації роботи з тепловими насосами. Виходячи з цього, показана необхідність визначення оптимальних характеристик двофазних систем для теплообмінного обладнання. Для проектування високо ефективного енергетичного обладнання необхідно підвищувати ефективність роботи кожної його складової. Визначено основні параметри, що впливають на ефективність роботи термосифонів, результатам дослідження яких присвячено значна кількість робіт, аналіз яких представлено у даній роботі. За результатами аналізу було визначено, що перспективним напрямком підвищення інтенсивності теплообміну в зонах двофазних термосифонів є використання внутрішньої гвинтової нарізі. Такий метод є відносно простим і технологічним, при цьому показав свою ефективність. Представлено опис експериментального стенду для дослідження теплових характеристик термосифонів. Розроблено і показано загальні засоби проведення експерименту та методика його проведення та обробки отриманих даних. Визначено похибку проведення експериментального дослідження. На основі отриманих експериментальних даних проведено аналіз впливу кута нахилу двофазних термосифонів з нарізним випарником, визначено оптимальний коефіцієнт заповнення, а також визначено оптимальний крок гвинтової нарізі у діапазоні кроку від 0,1мм до 0,5мм. Другий розділ присвячено гідродинаміці потоку у двофазних системах. Глибоко розглянуто вплив форми поверхні на гідродинаміку двофазного термосифону. Розглянуто та описано специфічний для умов функціонування термосифонів режим роботи, що має назву гейзер-ефект. Проведено і описано експеримент, по візуалізації процесів у двофазному термосифоні при різних кутах нахилу до горизонту. Визначено що у циліндричному термосифоні при малих кутах нахилу рідина не приймає чіткого горизонтального положення, таким чином показано, що навіть при малих кутах нахилу зона нагріву не осушується повністю за рахунок утримуючих менісків рідини, які утворюються силами поверхневого натягу. Проведено ряд досліджень і визначено основні стадії функціонування двофазного термосифону при різних кутах нахилу. Крім того, проведено дослідження по візуалізації гідродинамічних процесів на нарізі, на прикладі плоского термосифону. У третьому розділі представлено загальні відомості про пограничні шари: гідродинамічний та тепловий. Розглянуто формування пограничного шару при вимушеній і вільній конвекції. Висунуто гіпотезу про формування теплового пограничного шару в умовах функціонування двофазних термосифонів: при обмеженні стінкою знизу, а також при постійному підведенні теплового потоку. Описано експериментальний стенд, що дозволяє непрямими вимірами, не втручаючись у формування пограничного шару, дослідити його формування. Такий метод засновується на оптичних ефектах заломлення та огинання світла, і називається тіньовий метод. За результатами дослідження було виявлено особливу форму пограничного шару при його формуванні. Крім того, було визначено певні стадії формування в умовах значно наближених до функціонування двофазних систем. Після аналізу було визначено основну зону перегріву робочої рідини, що дозволило більш глибоко пояснити початкові етапи функціонування термосифонів на стартових режимах роботи. На основі отриманих результатів також проведено і описано експериментальні дослідження з частковим нанесенням інтенсифікатору у зоні нагріву двофазного термосифону. Таким чином було визначено оптимальне співвідношення висоти інтенсифікатора до загальної висоти зони нагріву. Матеріали дисертаційної роботи поглиблюють розуміння процесів пароутворення що відбуваються в умовах наближених до функціонування двофазних теплопередаючих систем. Матеріали та результати дисертаційної роботи можуть бути використані при проектуванні ефективних теплообмінників на основі двофазних теплопередаючих систем для енергетичних, промислових та альтернативних енергетичних систем. Результати впроваджено у навчальний процес на кафедрі атомної енергетики Навчально-наукового інституту атомної та теплової енергетики Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Робота пов`язана з виконанням досліджень в рамках проекту Національного фонду досліджень України № 2020.02/0357 «Розвиток теплофізичних та конструктивно-технологічних основ підвищення ефективності охолодження приймально-передавальних модулів радіолокаційних станцій». 2020-2022 (з призупиненням у 2022 р. та продовженням у 2023 через форсмажорні обставини). Частина отриманих даних входила до складу науково-дослідницької теми, що проводилась на кафедрі атомної енергетики Навчально-наукового інституту атомної та теплової енергетики Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", а саме «Дослідження теплофізичних характеристик тонких плоских теплових труб для модернізації існуючих та створення перспективних радіолокаційних станцій», номер держ. реєстрації №0123U101837.
dc.description.abstractotherLipnytskyi Leonid Volodymyrovych. Intensification of Heat Exchange Processes in Two-Phase Thermosiphons Using Threaded Heating Zones. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 142 "Power Engineering." – National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute," Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2025. The dissertation focuses on studying the hydrodynamics and thermal efficiency of two-phase thermosiphons with a threaded evaporator, as well as examining the influence of the geometric parameters of the threading in the heating zone on thermosiphon performance. The introduction defines the research objectives and tasks according to the subject and object of study and justifies the choice of the research topic. The selected research method is experimental. The scientific novelty of the obtained results is demonstrated, along with information on the author's personal contribution. Additionally, details are provided regarding the validation of research results. The structure and volume of the dissertation are described, as well as its connection to scientific programs and grants under which the study was conducted. One of the key components of the energy sector and industry, particularly in power engineering, is heat exchange equipment. These devices facilitate energy transfer between working media and are crucial for the operation of various types of equipment. One type of such equipment is heat exchangers based on thermosiphons or heat pipes. These technologies enable efficient heat transfer through phase transitions of the working medium and thermal flow transformation, allowing them to be used over a wide range of thermal loads and temperatures. The first chapter provides general information on heat exchange equipment and its main functions, reviewing and analyzing key designs. A literature review on heat exchangers based on thermosiphons and heat pipes operating on an evaporationcondensation cycle is presented. The designs, features, and characteristics of such devices are analyzed. Beyond their classical use in heat exchange equipment, thermosiphons have also been applied in alternative energy. The effectiveness of heat exchange equipment in utilizing the thermal potential of upper soil layers based on thermosiphons in combination with heat pumps is analyzed. Based on this, the necessity of determining the optimal characteristics of twophase systems for heat exchange equipment is demonstrated. Designing highly efficient energy equipment requires increasing the efficiency of each component. The key parameters affecting thermosiphon performance are identified, and numerous studies analyzing these factors are reviewed. The analysis revealed that an effective approach to enhancing heat exchange intensity in two-phase thermosiphons is the use of internal helical threading. This method is relatively simple and technologically feasible while proving to be efficient. A description of the experimental setup for studying thermosiphon thermal characteristics is provided. The general experimental procedures and methodology for conducting and processing data are developed and presented. The experimental error estimation is determined. Based on the experimental data, the influence of the tilt angle of two-phase thermosiphons with a threaded evaporator is analyzed, the optimal filling ratio is determined, and the optimal pitch of the helical threading in the range of 0.1 mm to 0.5 mm is identified. The second chapter is dedicated to the hydrodynamics of flow in two-phase systems. The influence of surface shape on two-phase thermosiphon hydrodynamics is extensively examined. A specific operational mode of thermosiphons known as the geyser effect is discussed and described. An experiment visualizing processes in a two-phase thermosiphon at different inclination angles relative to the horizon is conducted and described. It is determined that in a cylindrical thermosiphon at small inclination angles, the liquid does not assume a strictly horizontal position. Thus, it is demonstrated that even at small inclination angles, the heating zone does not dry out completely due to the retention of liquid menisci formed by surface tension forces. A series of studies is conducted, identifying the key stages of two-phase thermosiphon operation at different inclination angles. Additionally, visualization studies of hydrodynamic processes on the threading, using a flat thermosiphon as an example, are carried out. The third chapter presents general information on boundary layers: hydrodynamic and thermal. The formation of the boundary layer under forced and natural convection is examined. A hypothesis is proposed regarding the formation of the thermal boundary layer in two-phase thermosiphon operation, considering the limitation of the bottom wall and continuous heat input. An experimental setup is described, allowing the study of boundary layer formation through indirect measurements without interfering with the process. This method is based on optical refraction and light diffraction effects and is known as the shadow method. The research findings reveal a distinct boundary layer formation shape. Furthermore, specific formation stages under conditions closely resembling those of two-phase systems are identified. Analysis of the data identified the primary superheating zone of the working liquid, providing deeper insights into the initial stages of thermosiphon operation under startup conditions. Based on the obtained results, experimental studies with partial application of an intensifier in the heating zone of the two-phase thermosiphon were conducted and described. This enabled the determination of the optimal ratio of the intensifier height to the total height of the heating zone. The dissertation materials deepen the understanding of vaporization processes occurring in conditions similar to those in two-phase heat transfer systems. The materials and results of this dissertation can be applied in the design of efficient heat exchangers based on two-phase heat transfer systems for energy, industrial, and alternative energy systems. The results have been implemented in the educational process at the Department of Nuclear Power Engineering, Institute of Nuclear and Thermal Power Engineering, National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute." The work is associated with research conducted under the project of the National Research Foundation of Ukraine No. 2020.02/0357 "Development of Thermophysical and Structural-Technological Principles for Improving the Cooling Efficiency of Radar Station Transceiver Modules," 2020–2022 (with suspension in 2022 and continuation in 2023 due to force majeure circumstances). Part of the obtained data was included in the research project conducted at the Department of Nuclear Power Engineering, Institute of Nuclear and Thermal Power Engineering, National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute," titled "Investigation of Thermophysical Characteristics of Thin Flat Heat Pipes for the Modernization of Existing and Development of Prospective Radar Stations," state registration No. 0123U101837.
dc.format.extent154 с.
dc.identifier.citationЛіпніцький, Л. В. Інтенсифікація процесів теплообміну в двофазних термосифонах при використанні нарізних зон нагріву : дис. … д-ра філософії : 142 – Енергетичне машинобудування / Ліпніцький Леонід Володимирович . – Київ, 2025. – 154 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/74261
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectтермосифон
dc.subjectтеплообмін
dc.subjectкипіння
dc.subjectконденсація
dc.subjectінтенсивність охолодження
dc.subjectвипаровування
dc.subjectтермічний опір
dc.subjectконвекція
dc.subjectінтенсивність теплообміну
dc.subjectприродна циркуляція
dc.subjectенергоефективність
dc.subjectнадлишкова температура
dc.subjectтеплообмінник
dc.subjectкоефіцієнт теплопередачі
dc.subjectthermosiphon
dc.subjectheat transfer
dc.subjectboiling
dc.subjectcondensation
dc.subjectcooling intensity
dc.subjectevaporation
dc.subjectthermal resistance
dc.subjectconvection
dc.subjectheat transfer intensity
dc.subjectnatural circulation
dc.subjectenergy efficiency
dc.subjectexcess temperature
dc.subjectheat exchanger
dc.subjectheat transfer coefficient
dc.subject.udc536.4
dc.titleІнтенсифікація процесів теплообміну в двофазних термосифонах при використанні нарізних зон нагріву
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Lipnytskyi_dys.pdf
Розмір:
8.34 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (АЕ)
Дисертації (вільний доступ)