Теоретическое и экспериментальное исследование пульсационных тепловых труб. Этап 3 (заключительный)

Выполнено экспериментальное исследование режимов работы в ПТТ. Изучено влияние мощности нагрева, коэффициента заполнения и свойств рабочей жидкости на условия запуска ПТТ. Проведена визуализация двухфазного снарядного течения во время работы. До запуска ПТТ существуют градиенты температур между испарителем и конденсатором. После начала работы устанавливается некоторая квазистационарная температура жидкости, которая соответствует температуре адиабатной зоны. При этом могут наблюдаться локальные неравномерности, вызванные пульсационным движением жидкости и наличие паровых пузырьков. При этом как для стеклянной, так и для медных трубок видно наличие движущихся пузырьков, что обусловлено более интенсивным теплообменом со стенкой. Было выполнено экспериментальное исследование по испарению капель жидкости на медной подложке в широком диапазоне концентраций раствора и температур подложки. Для сравнения также исследовалась чистая вода. В общем случае скорость испарения зависит от геометрии капли, условий теплообмена и свободной конвекции. Эксперименты показали, что и для чистой воды и для раствора ПАВ зависимость потока массы от времени линейная и совпадает между собой, однако длина мениска возникающего на боковой стенке кюветы больше для раствора ПАВ на 9-12% в зависимости от температуры кюветы. Термографические снимки показали, что для слоя воды с ПАВ средняя температура по поверхности слоя выше, чем температура для слоя чистой воды. Присутствие ПАВ комплексно влияет на скорость испарения капли за счет нескольких факторов, одни из которых уменьшают скорость испарения, а другие, наоборот, увеличивают. Проведено экспериментальное исследование теплообмена в капиллярной трубке диаметром 2 мм с использованием различных рабочих жидкостей. В качестве рабочих жидкостей использованы дистиллированная вода Milli-Q и растворы лаурилсульфат натрия (SLS). При малых тепловых потоках наблюдается только конвективный режим теплообмена, на который никак не влияет наличие ПАВ в жидкости. При увеличении теплового потока температура стенки повышается. При достаточном перегреве стенки (выше температуры насыщения на несколько градусов в зависимости от расхода) на ней происходит вскипание. В таком режиме паровые пузыри существуют непродолжительное время и конденсируются, не покидая пристеночную область нагревателя. Когда жидкость прогревается до температуры насыщения, паровые пузыри растут, отрываются от стенки и попадают в зону визуализации. В капиллярной трубке такие пузыри занимают практически все сечение канала, а от стенки их отделяет только тонкий слой жидкости. Пока пузырь прикреплен к месту его образования, происходит его быстрый рост. Затем пузырь отрывается и начинает конденсироваться в зоне визуализации, т.к. температура окружающей его жидкости падает ниже температуры насыщения. Кипение в трубке носит стохастический характер, что сопровождается пульсациями температуры. При увеличении мощности нагрева увеличивается средняя температура стенки. При этом могут увеличиваться амплитуды пульсаций. С ростом теплового потока амплитуда пульсаций температуры стенки для воды значительно возростает и превосходит таковую для раствора ПАВ. Кроме того, возросшая амплитуда пульсаций приводит к росту средней температуры стенки. В результате, для воды даже средняя температура стенки становится выше, чем для раствора ПАВ. При дальнейшем увеличении тепловых потоков сухие пятна образуются настолько интенсивно, что рост средней температуры начинает обгонять рост теплового потока, это приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи. Коэффициента теплоотдачи изменяет характер зависимости для различных жидкостей при разных критических тепловых потоках. Причем воде соответствует наименьший критический тепловой поток, раствору ПАВ с концентрацией 100 ppm соответствует наибольший критический тепловой поток, а для концентрации 1000 ppm наблюдается снижение критического теплового потока. Это может быть связано с тем, что при высокой концентрации ПАВ кипение жидкости сопровождается образованием большого количества маленьких пузырьков и ее вспениванию, приводящему к снижению критического теплового потока. Моделирование движения пузыря Тейлора в круглом нагретом канале проводилось с использованием метода VOF. При входе пузыря в зону нагрева наблюдается нестабильность формы пузыря. Показано, что трение вблизи пузыря выше, чем в однофазной области. Однако значительные колебания наблюдаются в хвостовой зоне пузыря. Перед носом и за хвостом пузыря расположены две крупномасштабные зоны циркуляции, превышающие диаметр. Кроме того, между пузырем и стенкой имеется одна или несколько зон мелкомасштабной циркуляции. Циркуляция жидкости около носика пузыря приводит к оттоку горячей жидкости от стенки перед носом пузыря и толкает ее в направлении движения пузыря с большей скоростью. Это приводит к появлению на оси канала узкого конуса из горячей жидкости, движущейся перед пузырьком.