Вплив параметрів капілярної структури на інтенсивність тепловіддачі при кипінні в умовах капілярного транспорту та субатмосферних тисках
| dc.contributor.advisor | Кравець, Володимир Юрійович | |
| dc.contributor.advisor | Дешко, Валерій Іванович | |
| dc.contributor.author | Мельник, Роман Сергійович | |
| dc.date.accessioned | 2023-11-07T13:03:38Z | |
| dc.date.available | 2023-11-07T13:03:38Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | 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. | uk |
| dc.description.abstractother | Melnyk Roman . Capillary structure parameters influence on heat transfer intensity for sub-atmospheric boiling and capillary feeding conditions. Dissertation for a Philosophy Doctor degree in speciality 144 «Heat-power engineering». - National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute” MES of Ukraine, Kyiv, 2021. The dissertation is devoted to the study of vaporization processes on porous media at the subatmospheric pressures conditions. The introduction substantiates the relevance of the work. The purpose, object and subjects of research are defined. The scientific novelty of the obtained results is indicated. Information about personal contribution of the applicant is provided. Information about approbation of the work results is also provided. The structure and scope of the dissertation are described. Active development of electronics and related components causes creation new formats of two-phase heat transfer systems, such as vapor chambers. The main difference from classical heat transfer systems is absence of heat transfer over long distances, but such systems perform a different function, namely, transform the heat flow, reducing its density. This approach allows to create compact thermal stabilization systems that are less depends from environment cooling conditions. In addition, stable increasing of specific heat fluxes gradually brings two-phase systems such as heat pipes closer to the limits of heat flux transfer. This is due to design of heat pipes and type of wick. The efficiency of two-phase systems heat transfer ability depends from a number of factors. The main ones are the coolant, the type of capillary structure (if any), the structure itself and the type of system, as well as the material from which the system body is made. The first section presents a literature review of the main types of heat transfer devices which use porous wicks and based on the evaporation-condensation cycle. It is shown which types of porous structures are currently widely represented. In the general case, they are made of various materials such as copper, titanium, nickel, etc. Mesh structures are made from fastened together of few layers of grids by contact welding or other method, and attached to the inner wall of the heat pipe housing. Currently, research and methods of manufacturing foamed porous structures, which are essentially foam metal, are being actively developed. Also widespread are the so-called structural porous structures, or grooved. These structures are channels in the body of the heat transfer device. In addition to the above types, there are also metal-fiber capillary structures. The possibility of using composite CS in two-phase heat transfer systems is also being actively studied. All the above types of CS more or less studied, additionally investigated the effectiveness of their use in two-phase systems. It is quite difficult to conduct research in conditions close enough to the operating of two-phase systems. One of the main is providing capillary transport condition of coolant to the operation area. Additionally, during the research it is necessary to maintain the saturation temperature at the same level. Least part of all papers is dedicated to experimental research with such experiment conditions. This is especially true for metal felt structures (MFS). The second section is devoted to determining the liquid permeability coefficients of metal-fiber porous structures samples along the plane of felt. The scheme of the experimental facility and methods of conducting research are presented. Although the permeability coefficients of FMS in a wide range of parameters were conducted earlier, the conditions for which the studies were not fully consistent with the conditions in heat pipes and vapor chambers. The coolant in such devices mainly flows along the felt plane, and previous studies were conducted when the coolant flows across the plane of the felt. As a result, it was determined that the direction of liquid filtration through the porous sample affects the liquid permeability coefficient. An explanation of this deviation in the results was analyzed and proposed. Dependencies for calculating the liquid permeability coefficient for filtration conditions along the felt plane were also proposed. The third section presents the study of capillary pressure for metal-fiber porous structures samples at a wide range of parameters, namely fiber diameters and porosities. Capillary pressure studies were performed for samples of porous structure with a range of porosity values from 60% to 90%, for fiber diameters from 10 to 50 m. The results obtained differ slightly from the data presented in similar published studies. It was first observed that the dependence of transport characteristics can be described with respect to the effective pore diameter independently from porosity and fiber diameter. That is, the results are the same for samples with the same effective pore diameter, despite the fact that the samples are made of fibers with different diameters and have different porosity values. The fourth section presents the results of determining the heat transfer coefficients depending on the regime, structural and geometric factors In this paper, the author proposes the design of an experimental facility, which allows aproxamate to the operating conditions of two-phase systems, vapor chambers for example, as the most promising method of portable electronic equipment thermal stabilization. The main type of CS for the study was chosen MFS structure, due to the possibility of verification with other authors. This type of porous structure is well studied in a wide range of parameters under conditions of boiling in large volumes at atmospheric pressure, which gives a good opportunity to compare the results and verify the method of experimental research. Additionally, the efficiency of heat transfer at boiling is partially studied in the conditions of capillary transport at atmospheric pressure.For purpose to compare the heat transfer efficiency, several samples of sintered powder structure (SPS) were made. As a result of comparison, it was found that the heat transfer efficiency for SPS is higher than for MFS in the conditions of pool boiling and for the of capillary transport conditions, but the maximum of heat flux for MFS were higher by 12-96%. As the saturation temperature decreased, the heat transfer efficiency for the SPS was lower than for the MFS samples. The maximum values of heat fluxes for MFS also exceeded the values obtained for SPS. 25 MFS samples with fiber diameters from 10 to 50 m, in the range of porosity values from 60 to 85%, with thicknesses of 0.3 and 0.5 mm were investigated. Each sample was tested under pool boiling conditions at atmospheric pressure, and under capillary transport conditions at saturation temperatures of 100 C, 65 C and 50 C. The liquid used in the research is distilled water. The fifth section is devoted to the development of a physical model of vaporization process on porous media and the generalization of the obtained data. As a result of visual observations of samples in the main studies, and comparing them with temperature values, it was first proposed to classify the processes of vaporization on the CS in capillary transport conditions by stages, with a description of these stages and possible causes. Visual observations were performed for powder structures and for metal fibers. Qualitatively, the pictures of observations on them did not differ, from which it can be assumed that other types of porous structures with an aperiodic structure behave in a similar way. Criterion dependence of the form Nu = f (Re) for different saturation temperatures, describing the experimental points with a maximum deviation of ±30%. Was obtained The dependence of the maximum heat flux density on the structural parameters of the porous structure was also analyzed. It was first observed that the limiting value of the heat flux density is depends from values of the effective pore diameter of the sample, and not by the parameters of the fibers from which it is made. However, it should be noted that in this study, for all samples, fibers of the same length, which was 3 mm, were used. The materials of the dissertation deepen the understanding of the vaporization processes occurring at the conditions close to the operating of two-phase heat transfer systems. Materials of dissertation work IMPLEMENTATION Present work connected with research project № 2020.02/0357 Development of thermophysical and design-technological bases for increasing the cooling efficiency of radar transmit/receive modules, of NATIONAL RESEARCH FOUNDATION OF UKRAINE. Terms of project 2020-2022 (temporarly stopped in 2022 and will continue in 2023 due to force majeure). Result of work implemented in operation process of NAUKOVOVPROVADZHUVALNA FIRMA TEPLOVI TEKHNOLOHIYI at 2021. | uk |
| dc.format.extent | 155 с. | uk |
| dc.identifier.citation | 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. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/62041 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | коефіцієнт тепловіддачі | uk |
| dc.subject | криза кипіння | uk |
| dc.subject | пориста структура | uk |
| dc.subject | субатмосферний тиск | uk |
| dc.subject | питомий тепловий потік | uk |
| dc.subject | коефіцієнт проникності | uk |
| dc.subject | капілярний напір | uk |
| dc.subject | капілярний транспорт | uk |
| dc.subject | heat transfer coefficient | uk |
| dc.subject | boiling crisis | uk |
| dc.subject | porous media | uk |
| dc.subject | subatmospheric pressure | uk |
| dc.subject | specific heat flux | uk |
| dc.subject | permeability coefficient | uk |
| dc.subject | capillary pressure | uk |
| dc.subject | capillary transport | uk |
| dc.subject.udc | 536.248.2 | uk |
| dc.title | Вплив параметрів капілярної структури на інтенсивність тепловіддачі при кипінні в умовах капілярного транспорту та субатмосферних тисках | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Melnyk_dys.pdf
- Розмір:
- 20.5 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.1 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: