Авторы

Применение закрученного течения пара в коротких линейных тепловых трубах. Часть 1

DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-1-92-102
УДК 536.24.08: 533.6.011.6: 533.697.4

Применение закрученного течения пара в коротких линейных тепловых трубах. Часть 1

Серяков А. В., Конькин А. В., Алексеев А. П.

Ссылка для цитирования: Серяков А.В., Конькин А.В., Алексеев А.П. Применение закрученного течения пара в коротких линейных тепловых трубах. Часть 1. // Вестник Международной академии холода. 2024. № 1. С. 92-102. DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-1-92-102 [Seryakov A.V., Konkin A.V., Alekseev A.P. Swirling vapour flow in short linear heat pipes. Part I. Journal of International Academy of Refrigeration. 2024. No 1. p. 92-102. DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-1-92-102]

Аннотация
Представлены результаты экспериментальных исследований коэффициента теплопередачи К_ТТ коротких тепловых труб (ТТ) с выполненным в виде сопла Лаваля паровым каналом и с частично закрученным течением пара внутри канала. Частичная закрутка струйного парового потока создается с помощью наклонных инжекторных каналов диаметром 1 мм в плоском многослойном сеточном испарителе, с углом наклона φ относительно продольной осив азимутальном направлении, против часовой стрелки, в диапазоне 0° < φ < 60°. Анализ рекомендуемой формы парового канала, проведенный с помощью оценки числа Ричардсона Riструйного потока пара над испарителем, позволил оценить величину безразмерного продольного радиуса кривизны δ/R_conf конфузорной части парового канала, который определяют из условия минимальных потерь на трение при течении влажного пара в пограничном слое δ по вогнутой стенке конфузорной части канала с продольным радиусом кривизны R_conf. Форма вогнутой диффузорной части парового канала определена из условия параллельности векторов скорости движущихся паровых струй продольной оси диффузорной части парового канала ТТ. Результаты численного моделирования коэффициентов гидравлического сопротивления ξ_vpзакрытого плоскими крышками парового канала ТТ при частично закрученном струйном течении пара, полученные с помощь программы ANSYS, показывает снижение ξ_vp при высоких значениях температурного напора на испаритель в диапазоне скоростей течения пара 1 м/с < u_z≤ 100 м/с и в интервале углов закрутки 0°<φ<30°. При φ>30° начинается резкий рост коэффициента гидравлического сопротивления ξ_vp. Проведенное систематическое исследование коэффициентов теплопередачи К_ТТ с помощью набора тождественных ТТ с различными углами наклона инжекторных каналов в испарителях, с одинаковой массой заправки рабочей жидкостью (δm/m≤ 0,1%), представляет собой экстремальную выпуклую функцию в зависимости от угла наклона φ инжекторных каналов, с максимумом при угле закрутки потока пара φ = 26°±2°. Величина превышения К_ТТ с закрученным потоком пара над аналогичными К_ТТ с прямым потоком пара достигает 10%.

Ключевые слова: тепловые трубы, гидравлическое сопротивление, паровой канал, коэффициент теплопередачи.

Список литературы

1. Герасимов Ю.Ф., Майданик Ю.Ф., Щеголев Г.Т., Филиппов Г.А, Стариков Л.Г., Кисеев В.М., Долгирев Ю.Е.Низкотемпературные тепловые трубы с раздельными каналами для пара и жидкости. // Инженерно-физический журнал. 1975. т. 28. №6. с. 957-960. [Gerasimov Yu.F., Maidanik Yu.F., Shchegolev G.T., Filippov G.A., Starikov L.G., Kiselev V.M., Dolgirev Yu.E. Low-temperature heat pipes with separate channels for steam and liquid. Engineering Physics Journal. 1975. vol. 28. No.6. pp. 957-960. (in Russian)]

2. Tong B.Y., Wong T.N., Ooi K. T. Closed-loop pulsating heat pipe.Applied Thermal Engineering. 2001. v. 21, no 18. pp. 1845-1862.

3. Akachi H. Structure of Heat Pipe. US patent 4921041. 1990.

4. Seryakov A.V. Intensification of heat transfer processes in the low temperature short heat pipes with Laval nozzle formed vapour channel. American Journal of Modern Physics. 2018. v.7. no 1, pp. 48-61.

5. Seryakov A.V. Сomputer modeling of the vapour vortex orientation changes in the short low temperature heat pipes. International Journal of Heat and Mass Transfer.2019.v.140. pp.243-259.

6. Seryakov A.V. Resonant vibration heat transfer coefficient increase of short low-temperature heat pipes. International Journal of Heat and Mass Transfer.2020. v. 158. pp. 1-22.

7. Гольдштик М.А.Вихревые потоки. Новосибирск: Наука, 1981. 336 с. [GoldstickM.A. Vortexflow. Novosibirsk: Nauka, 1981. 336 p. (in Russian)]

8. Алексеенко С.В., Куйбин П.А, Окулов В.Л. Введение в теорию концентрированных вихрей. Новосибирск: ИнститутТеплофизики2003, 504 с.[Alekseenko S.V., Kuibin P.A., Okulov V.L. Introduction to the theory of concentrated vortices. Novosibirsk: Institute of Thermophysics 2003, 504 p.]

9. Халатов А.А.Теория и практика закрученных потоков. Киев: НауковаДумка1989. 192с. [Khalatov A.A. Theory and practice of swirling flows. Kiev: Naukova Dumka 1989. 192 p. (in Russian)]

10. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н.Закрученные потоки. М.: Мир, 1987. 588 с. [Gupta A., Lilly D., Sayred N. Swirled Flows. Moscow: Mir, 1987. 588 p.(in Russian)]

11. Щукин В.К.Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. М.: Машиностроение, 1980.240 с. [Shchukin V.K. Heat exchange and hydrodynamics of internal flows in the fields of mass forces. M.: Mashinostroenie, 1980. 240 p.(in Russian)]

12. Щукин В.К. Халатов А.А.Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах. М.: Машиностроение, 1982.200 с. [Shchukin V.K., Khalatov A.A. Heat transfer, mass transfer and hydrodynamics of twisted flows in axisymmetric channels. M.: Mashinostroenie, 1982. 200 p.(in Russian)]

13. Холодкова О.Ю., Фафурин А.В.Экспериментальное исследование теплоотдачи в цилиндрическом канале при наличии начальной закрутки и вдуве различных газов. В книге Тепломассообмен в двигателях летательных аппаратов. Труды КАИ. Казань, 1974, вып. 178, с. 20-27. [Kholodkova O. Yu., Fafurin A. V. Experimental study of heat transfer in a cylindrical channel in the presence of initial swirling and blowing of various gases. In the book Heat and Mass Exchange in Aircraft Engines. Proceedings of KAI. Kazan, 1974, v. 178, pp. 20-27.(in Russian)]

14. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. 7-еизд. М: 2003.840 с. [Loytsyansky L.G. Mechanics of liquid and gas. 7th ed. M: 2003. 840 p.(in Russian)]

15. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.Теоретическая физика в 10 томах. Том6. Гидродинамика. М: Наука, 1986. 736 с. [Landau L.D., Lifshits E. M. Theoretical Physics in 10 volumes. Volume 6. Hydrodynamics. M: Nauka, 1986. 736 p.(in Russian)]

16. Seryakov A.V. The solving of the inverse thermal conductivity problem for study the short linear heat pipes. Engineering.2022.v.14, pp. 1-32.

17. Серяков А.В., Алексеев А.П.Решение обратной задачи теплопроводности для исследования коротких линейных тепловых труб // Вестник Международной академии холода. 2022. № 1. с. 83-97. [Seryakov A.V., Alekseev A.P. A solution of inverse heat conduction problem for investigating short liner heat pipes. Journal of International Academy of Refrigeration. 2022. No 1. p.83-97. (in Russian)]

18. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И.Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергия. 1972. 376 с. [Kutateladze S.S., Leontiev A.I. Heat and Mass Exchange and Friction in Turbulent Boundary Layer. M.: Energia. 1972. 376 p.(in Russian)]

19. Prandtl L. Gesamelte Abhandlungen. Berlin u. a. Springer-Verlag, 1961, Bd. 2, pp. 798-811.

20. Bradshaw P. The analogy between streamline curvature and buoyancy in turbulent shear flow. Journal of Fluid Mechanics.1969. v. 36, pt. 1, pp. 177-191.

21. Кутателадзе С.С., Волчков Э.П., Терехов В.И.Аэродинамика и тепломассообмен в ограниченных вихревых потоках. Новосибирск: ИТ СО АН СССР. 1987, 282 с. [Kutateladze S.S., Volchkov E.P., Terekhov V.I. Aerodynamics and Heat and Mass Transfer in Limited Vortex Flows. Novosibirsk: IT SB AN USSR. 1987, 282 p.(in Russian)]

22. Гостинцев Ю.А.Тепломассообмен и гидравлическое сопротивление при течении по трубе вращающейся жидкости // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1968. № 5. с. 115-119. [Gostintsev Yu.A. Heat and mass transfer and hydraulic resistance in the course of a rotating liquid flow through a pipe. Izvestiya AN USSR Mekhanika Zhidkosti i Gaza. 1968, no 5, pp. 115-119. (in Russian)]

23. Мигай В.К., Голубев Л.К.Трение и теплообмен в турбулентном закрученном потоке с переменной круткой в трубе// Известия АН СССР. ЭнергетикаиТранспорт. 1969, № 4, с. 141-145. [Migai V.K., Golubev L.K. Friction and heat exchange in a turbulent swirled flow with variable torsion in a pipe. Izvestiya AN USSR Energetika i Transport.1969, No. 4, pp. 141-145. (in Russian)]

24. Seryakov A. V., Alekseev A. P. A Study of the Short Heat Pipes by the Monotonic Heating Method. Journal of Physics: Conference Series. 2020. 1683 022051.

25. Corino E.R., Brodkey R.S. A visual investigation of the wall region in turbulent flow. Journal of Fluid Mechanics. 1969.v. 37.no 1, pp.1-30.

26. Щукин А.В.Турбулентный пограничный слой на криволинейной поверхности // Известия вузов. Авиационнаятехника. 1978. № 3. с. 113-120. [Shchukin A.V. Turbulent boundary layer on a curvilinear surface. Izvestiya Vuzov. Aviation Engineering. 1978, no 3, pp. 113-120.(in Russian)]

27. Устименко Б.П.Процессы турбулентного переноса во вращающихся течениях. Алма-Ата: Наука. 1977. 228 с. [Ustimenko B.P. Turbulent transfer processes in rotating flows. Alma-Ata: Nauka. 1977. 228 p.(in Russian)]

28. Gillis J.C., Johnston J.P., Kays W.M., Moffat R.J. Turbulent boundary layer on a convex, curved surface: Report NHMT-31. Stanford University. 1980. 295 p.

29. Bradshaw P. Review. Complex turbulent flows. Transactions ASME. Ser. I, 1975, v. 97, № 2, pp.146-154.

30. Wattendorf F.H. A study of effect of curvature on fully developed flow. Proceedings of the Royal Society, London. Ser. A. 1935, v. 148, pp. 565-597.

31. Mayle R.E., Blair M.E., Kopper F.C. Turbulent boundary layer heat transfer on curved surfaces. Transactions ASME. Journal of Heat transfer. 1979. v. 101, no 3. pp. 521-525.

32. Васильев А.П., Кудрявцев В.М., Кузнецов В.А. и др.Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. В 2-х книгах. М: Высш. шк., 3-е изд., 1993. [VasilievA.P.; KudryavtsevV.M.; KuznetsovV.A. etal. Fundamentals of theory and calculation of liquid rocket engines. In 2 books. M: Vyshaya shkola 3rd ed., 1993. (in Russian)]

33. Brassard D., Ferchichi M. Transformation of polynomial for a contraction wall profile. Journal of Fluids Engineering. 2005. v. 127. pp. 183-185.

34. Kurokava J., Kajigaya A., Matusi J., Imamura H. Supression of swirl in a conical diffuser by use of J-groove, in: Proc. 20^th IAHR Symposium on hydraulic machinery and systems. Charlotte, North Carolina, USA, DY-01. 2000.

35. Doolan C.J. Numerical evaluation of contemporary low-speed wind tunnel contraction designs. Journal of Fluids Engineering. 2007. v. 129. pp. 1241-1244.