Вплив параметрів капілярної структури на інтенсивність тепловіддачі при кипінні в умовах капілярного транспорту та субатмосферних тисках

Ескіз

Файли

Melnyk_dys.pdf (20.5 MB)

Дата

2023

Автори

Науковий керівник

Кравець, Володимир Юрійович
Дешко, Валерій Іванович

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Мельник Р.С. Вплив параметрів капілярної структури на інтенсивність тепловіддачі при кипінні в умовах капілярного транспорту та субатмосферних тисках. -Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 «Теплоенергетика». - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", МОН України, Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена вивченню процесів кипіння на пористих структурах в умовах субатмосферних тисків. У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено мету, об’єкт та предмети дослідження. Вказано наукову новизну отриманих результатів та надано інформацію щодо особистого внеску здобувача. Також надано інформацію про апробацію результатів роботи. Описано структуру та обсяг дисертаційної роботи. Активний розвиток електроніки та супутніх компонентів, призвів в свою чергу до створення нових видів двофазних теплопередаючих систем, таких як парові камери. На відміну від класичних систем теплопередачі основним завданням парових камер є зміна густини теплового потоку. Такий підхід дозволяє створювати компактні системи термостабілізації що менше залежать від умов зовнішнього охолодження. Крім того, постійне підвищення питомих теплових потоків, поступово наближає двофазні системи на кшталт теплових труб до меж передачі теплового потоку, які пов’язані з конструкцією останніх. На ефективність теплопередачі двофазних систем впливає ряд факторів. Основними з яких є теплоносій, тип капілярної структури (якщо таку передбачено конструкцією), сама конструкція та вид системи, а також матеріал з якого виготовлено корпус системи. У першому розділі представлено літературний огляд по основним типам теплопередавальних пристроїв на основі випарно-конденсаційного циклу роботи, в яких використовуються пористі структури. Проаналізовано найбільш розповсюджені типи пористих структур та матеріали їх виготовлення. В загальному випадку виготовляють їх з різних матеріалів як мідь, титан, нікель та ін. Сітчасті структури, що представляють собою сітку, чи декілька сіток скріплених між собою за допомогою контактного зварювання чи іншого методу, та прикріплені до внутрішньої стінки корпусу теплової труби. Активно на даний час розвиваються дослідження та технології виготовлення спінених пористих структур, які по суті є пінометалом. Також широкого розповсюдження набули так звані конструкційні пористі структури, або ж канавчасті. Ці структури представляють собою канали в корпусі теплопередавального пристрою. Окрім названих вище типів існують ще металоволокнисті капілярні структури. Також досить активно досліджується можливість використання композитних капілярних структур (КС) в двофазних теплопередаючих системах. Всі вищезазначені типи КС та їх характеристики в тій чи іншій мірі досліджені, а також частково досліджено ефективність їх використання в двофазних системах. Частково через те, що провести дослідження в умовах наближених до функціонування двофазних систем доволі складно. Умовами проведення подібних досліджень є забезпечення капілярного транспорту теплоносія в робочу зону, по аналогії з тепловими трубами – зону нагріву. Також, під час проведення досліджень необхідно підтримувати температуру насичення на одному рівні. Саме в таких умовах проведено найменшу кількість досліджень, серед усіх що представлені в літературі. Особливо це стосується металоволокнистих структур. Другий розділ присвячено визначенню коефіцієнтів рідинної проникності зразків металоволокнистих пористих структур вздовж площини войлокування. Представлено схему експериментального стенду та методику проведення досліджень. Хоча визначення коефіцієнтів проникності металоволокнистих капілярних структур (МВКС) в широкому діапазоні параметрів проводились раніше, умови для яких проводились дослідження не в повній мірі відповідають умовам в теплових трубах та парових камерах, а саме, теплоносій в таких пристроях в основному рухається вздовж площини войлокування, а попередні дослідження проводились в умовах коли теплоносій рухається поперек площини войлокування. В результаті було визначено, що напрямок фільтрації рідини через пористий зразок впливає на коефіцієнт рідинної проникності. Було проаналізовано та запропоновано пояснення такого відхилення в результатах. Також було запропоновано залежності для розрахунку коефіцієнта рідинної проникності для умов фільтрації вздовж площини войлокування. У третьому розділі представлено дослідження капілярного напору для зразків металоволокнистих пористих структур в широкому діапазоні структурних характеристик, а саме діаметрів волокон та пористостей. Дослідження капілярного напору проводились для зразків пористої структури з діапазоном значень пористості від 60% до 90%, для діаметрів волокон від 10 до 50 мкм. Виявлено вплив напрямку фільтрації на коефіцієнт проникності за рахунок порівняння з опублікованими результатами подібних досліджень. Вперше було помічено, що залежність транспортних характеристик можна описувати відносно ефективного діаметру пор. Тобто результати однакові для зразків з однаковим ефективним діаметром пор, не зважаючи на те, що зразки виготовлені з волокон з різним діаметром та мають різні значення пористості. У четвертому розділі представлено результати визначення коефіцієнтів тепловіддачі в залежності від режимних, структурних та геометричних факторів. В даній роботі, автором запропоновано конструкцію експериментального стенду, за допомогою якого можливе наближення до умов функціонування двофазних систем, а саме парових камер, як найбільш перспективного на даний час методу термостабілізації портативного електронного обладнання. Основним типом КС для вивчення було обрано металоволокнисту структуру, що за результатами попередніх досліджень має переваги відносно інших типів пористих структур та не досліджена в умовах функціонування що наближені до умов теплових труб чи парових камер. Крім того, цей тип пористої структури добре вивчено в широкому діапазоні параметрів в умовах кипіння у великому об’ємі при атмосферному тиску, що дає можливість порівняння результатів та проведення верифікації методики проведення. Крім того, для порівняння ефективності тепловіддачі, було виготовлено декілька зразків зі спеченого порошку. В результаті порівняння було виявлено, що ефективність тепловіддачі на порошкових капілярних структур (ПКС) вища ніж для МВКС в умовах кипіння у великому об’ємі (ВО) та в умовах капілярного транспорту, проте граничні густини теплових потоків для МВКС мали вище значення на 12-96%. Зі зниженням температури насичення, ефективність тепловіддачі для зразків зі спеченого порошку була нижча, ніж для зразків з МВКС. Граничні густини теплових потоків зразків виготовлених з металовойлоку також перевищували значення отримані для зразків порошкових КС. В результаті було досліджено 25 зразків МВКС з діаметрами волокон від 10 до 50 мкм, в діапазоні значень пористості від 60 до 85%, з товщинами 0.3 та 0.5мм. Кожен зразок тестувався в умовах кипіння у ВО при атмосферному тиску, а також в умовах капілярного транспорту при температурах насичення 100С, 65С та 50С. Рідина що використовувалась в дослідженнях – дистильована вода. П’ятий розділ присвячено розробці фізичної моделі пароутворення на пористих структурах та узагальненню отриманих даних. В результаті візуальних спостережень за зразками в ході основних досліджень, та співставлення їх зі значеннями температур, вперше було запропоновано класифікувати процеси пароутворення на КС в умовах капілярного транспорту за стадіями, з описанням цих стадій та можливими причинами їх виникнення. Візуальні спостереження проводились як для порошкових структур так і для металоволокностих. Якісно результати спостережень на них не відрізнялись, з чого можна висловити припущення, що аналогічним чином себе поводять інші види пористих структур з аперіодичною будовою. Було отримано критеріальні залежності виду Nu=f(Re) для різних температур насичення, що описують експериментальні точки з максимальним відхиленням ±30%. Також було проаналізовано залежність максимальної густини теплового потоку від структурних хпрактеристик пористої структури. Вперше було помічено, що на граничне значення густини теплового потоку впливають значення ефективного діаметру пор зразка, а не параметри волокон з якого його виготовлено. Проте слід зазначити, що в даному дослідження, для всіх зразків, використовувались волокна однієї довжини, що становила 3мм. Матеріали дисертаційної роботи поглиблюють розуміння процесів пароутворення що відбуваються в умовах наближених до функціонування двофазних теплопередаючих систем. Матеріали дисертаційної роботи ВПРОВАДЖЕННЯ 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 форс-мажорні обставини) Результати роботи також впроваджено в НАУКОВОВПРОВАДЖУВАЛЬНА ФІРМА ТЕПЛОВІ ТЕХНОЛОГІЇ у 2021р.

Опис

Ключові слова

коефіцієнт тепловіддачі, криза кипіння, пориста структура, субатмосферний тиск, питомий тепловий потік, коефіцієнт проникності, капілярний напір, капілярний транспорт, heat transfer coefficient, boiling crisis, porous media, subatmospheric pressure, specific heat flux, permeability coefficient, capillary pressure, capillary transport

Бібліографічний опис

Мельник Р.С. Вплив параметрів капілярної структури на інтенсивність тепловіддачі при кипінні в умовах капілярного транспорту та субатмосферних тисках : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Мельник Роман Сергійович. – Київ, 2023. – 155 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/62041

DOI

Зібрання

Дисертації (ТАЕ)
Дисертації (вільний доступ)