Исследование тепло и массопереноса в двухфазных теплопередающих устройствах с низкотемпературными теплоносителями

УДК 536.248;621.566 Отчет 12 стр., 3 источ., 1 прил. Ключевые слова: двухфазные теплопередающие устройства, контурные тепловые трубы, капиллярно пористые структуры, испаритель, конденсатор, системы охлаждения электроники Контурные тепловые трубы (КТТ) являются пассивными двухфазными теплопередающи-ми устройствами, работающими по замкнутому испарительно-конденсационному циклу. Дви-жение теплоносителя в КТТ обеспечивается капиллярным давлением, создаваемым капилляр-ной структурой (КПС), которая специально разработана на основе мелкодисперсных порошков никеля, титана, меди и их комбинации. В качестве теплоносителей используются вода, метанол, аммиак, и другие, которые обеспечивают работу КТТ в диапазоне температур от –50 °С до +100 °С. Высокая эффективность КТТ обеспечивается специальной конструкцией, которая характеризуется особой формой и структурой КПС, локализованной в испарителе, раздельными паропроводом и конденсатопроводом, а также широкой возможностью адаптировать размеры и форму конденсатора к условиям отвода тепла. В этих устройствах происходят сложные сопряженные процессы тепло и массообмена при движении, испарении и конденсации теплоносителя при наличии трех границ раздела пар-жидкость. Эти процессы сильно зависят от конструкции КТТ, теплофизических свойств используемых материалов и теплоносителя, положения в пространстве, условий отвода и подвода тепла. Исследование данных процессов является актуальной задачей, решение которой позволит создать основу для правильного моделирования и проектирования этих устройств, что необходимо для их более широкого практического применения, в частности в системах охлаждения электроники, компьютерной, лазерной и светодиодной техники. В соответствии с этим в рамках запланированного периода разработана КТТ длиной 0.5 метра с цилиндрическим испарителем диаметром 12 мм, снабженным капиллярной структурой, выполненной из разных материалов. В качестве теплоносителя использовалась вода. Устройство предназначено для систем охлаждения серверных процессоров с максимальной мощностью 150 Вт. Показано, что КТТ, снабженная медь-титановой капиллярной структурой, позволяет достичь минимального термического сопротивления 0.10 ± 0.01 °С/Вт при тепловой нагрузке 180 Вт. Разработана миниатюрная КТТ из нержавеющей стали с цилиндрическим испарителем диаметром 10 мм, снабженным никелевой капиллярной структурой с пробойным радиусом пор 1.5 м. Проведены испытания устройства с метанолом в качестве теплоносителя. Показано, что минимальное значение термического сопротивления “источник – сток тепла” 0.26 °С/Вт достигается при тепловой нагрузке 180 Вт. Разработана тепловая модель КТТ с медным плоскоовальным испарителем. Проведено компьютерное моделирование рабочей температуры испарителя с источниками тепла 25 см2, 16 см2 и 9 см2 при плотности теплового потока 32 Вт/см2. Получено распределение температуры на поверхности нагрева в среднем сечении активной зоны испарителя. Результаты моделирования хорошо согласуются с результатами экспериментов.