Математическое моделирование температурных полей в характерных сечениях рабочей зоны замкнутого двухфазного термосифона

Об авторах:

Кузнецов Гений Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, Научно-образовательный центр И. Н. Бутакова, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; kuznetsovgv@tpu.ru

Нурпейис Атлант Едилулы, кандидат технических наук, ассистент, Научно-образовательный центр И. Н. Бутакова, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; nurpeiis_atlant@mail.ru

Аннотация:

Приведены результаты численных исследований совместно протекающих процессов теплопроводности и фазовых превращений теплоносителя в термосифоне цилиндрической формы. Решена задача теплопереноса для двух двуслойных пластин. Учитывалось испарение жидкости на нижней крышке и конденсация на верхней крышке термосифона. Численные исследования теплопереноса в закрытом двухфазном термосифоне в условиях отвода энергии от тепловыделяющей поверхности проведены в достаточно типичных диапазонах изменения тепловых потоков к нижней крышке, соответствующих режимам работы энергетического оборудования (от 2 кВт/м2 до 8 кВт/м2). В качестве теплоносителя рассматривалась дистиллированная вода. Коэффициенты заполнения и геометрические параметры термосифона выбирались такими же, как и в проведенных экспериментах (высота — 161 мм, диметр — 42 мм, толщина стенок — 1,5 мм, коэффициент заполнения ε = 4%). Основные результаты математического моделирования представлены в виде полей температур при различных тепловых потоках к нижней крышке термосифона и коэффициента теплоотдачи с поверхности верхней крышки рассматриваемого теплообменника. Установлено, что результаты математического моделирования, полученные численно, достаточно адекватно описывают процессы теплопереноса, протекающие в термосифоне, и лежат в пределах доверительных интервалов экспериментальных данных по температурам в характерных точках теплообменника.

Список литературы:

1. Безродный М. К. Процессы переноса в двухфазных термосифонных системах / М. К. Безродный, И. Л. Пиоро, Т. О. Костюк. Киев: Факт, 2005. 704 с.
2. Кравец В. Ю. Температуры начала кипения в закрытом двухфазном термосифоне / В. Ю. Кравец, В. А. Чернобай, А. А. Никитенко, Б. Голамреза // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2011. Т. 2/8. № 50. С. 40-44.
3. Самарский А. А. Численные методы решения задач конвекции — диффузии / А. А. Самарский, П. Н. Вабищевич. Москва: Эдиториал УРСС, 1999. 248 с. 
4. Тюрин М. П. Экспериментальное исследование процессов тепломассообмена в закрытом двухфазном термосифоне / М. П. Тюрин, Е. С. Бородина // МНТК Плановский. 2016. Т. 1. С. 239-241.
5. Hichem F. An Experimental and Theoretical Investigation of the Transient Behavior of a Two-Phase Closed Thermosyphon / F. Hichem, J. Jean Loui // Applied Thermal Engineering. 2003. Vol. 23. Pp. 1895-1912.
6. Huminic G. Numerical Study on Heat Transfer Characteristics of Thermosyphon Heat Pipes Using Nanofluids / G. Huminic, A. Huminic // Energy Conversion and Management. 2013. Vol. 76. Pp. 393-399.
7. Hussein H. M. S. Transient Investigation of a Two Phase Closed Thermosyphon Flat Plate Solar Water Heater / H. M. S. Hussein // Energy Conversion and Management. 2002. No 43. Pp. 2479-2492.
8. Jafari D. Two-Phase Closed Thermosyphons: A Review of Studies and Solar Applications / D. Jafari, A. Franco, S. Filippeschi, P. Di Marco // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016. Vol. 53. Pp. 575-593.
9. Jiao B. Investigation on the Effect of Filling Ratio on the Steady-State Heat Transfer Performance of a Vertical Two-Phase Closed Thermosyphon / B. Jiao, L. M. Qiu, X. B. Zhang, Y. Zhang // Applied Thermal Engineering. 2008. Vol. 28. Pp. 1417-1426.
10. Kuznetsov G. V. Numerical Analyses of Convective Heat Transfer in a Closed Two-Phase Thermosiphon / G. V. Kuznetsov, M. A. Al-Ani, M. A. Sheremet // Journal of Engineering Thermophysics. Vol. 20 (2). Pp. 201-210.
11. Kuznetsov G. V. Evaporation of Single Droplets and Dispersed Liquid Flow in Motion through High-Temperature Combustion Products / G. V. Kuznetsov, P. A. Strizhak // High Temperature. 2014. Vol. 52. Pp. 568-575.
12. Kuznetsov G. V. Numerical Investigation of the Influence of Convection in a Mixture of Combustion Products on the Integral Characteristics of the Evaporation of a Finely Atomized Water Drop / G. V. Kuznetsov, P. A. Strizhak // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2014. Vol. 87. Pp. 103-111.
13. Luo L. Thermal Enhancement by Using Grooves and Ribs Combined with Delta-Winglet Vortex Generator in a Solar Receiver Heat Exchanger / L. Luo, F. Wen, L. Wang, B. Sundén, S. Wang // Applied Energy. 2016. Vol. 183. Pp. 1317-1332. 
14. Noie S. H. Effect of Inclination Angle and Filling Ratio on Thermal Performance of a Two-Phase Closed Thermosyphon under Normal Operating Conditions / S. H. Noie, M. R. Sarmasti Emami, M. Khoshnoodi // Heat Transf Eng. 2007. Vol. 28. Рp. 365-371.
15. Nurpeiis А. Е. An Experimental Study of the Influence of a Thermosyphon Filling Ratio on a Temperature Distribution in Characteristic Points along the Vapor Channel Height / А. Е. Nurpeiis, E. G. Orlova, K. O. Ponomarev // MATEC Web of Conferences. Les Ulis: EDP Sciences. 2017. Vol. 110: Heat and Mass Transfer in the Thermal Control System of Technical and Technological Energy Equipment.
16. Nurpeiis А. Experimental Study of Temperatures in Characteristic Sections of the Working Zone of a Closed Two-Phase Thermosyphon under the Condition of a Heat Removal by External Periphery / А. Nurpeiis, E. Orlova, G. Mamontov // MATEC Web of Conferences 141,01006 (2017).
17. Nurpeiis А. Peculiarities of Temperature Fields Formation in Vapor Channels of Thermosyphons with Heat Carriers Boiling at Low Temperatures / А. Nurpeiis, K. Ponomarev, T. Nemova // MATEC Web of Conferences 141,01005 (2017).
18. Pioro I. L. Experimental Evaluation of Constants for the Rohsenow Pool Boiling Correlation / I. L. Pioro // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1999. Vol. 42. Pp. 2003-2013.
19. Renjith Singh R. Effect of Anodization on the Heat Transfer Performance of Flat Thermosiphon / R. Renjith Singh, V. Selladurai, P. K. Ponkarthik, A. Brusly Solomon // Experimental Thermal and Fluid Science. 2015. Vol. 68. Pp. 574-581.
20. Strakhov V. L. Mathematical Simulation of Thermophysical and Thermos Chemical Processes during Combustion of Intumescent Fire-Protective Coating / V. L. Strakhov, A. N. Garaschenko, G. V. Kuznetsov, V. P. Rudzinskii // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2001. Vol. 37. Pp. 1178-186.
21. Zhang P. Experimental Investigation on Two-Phase Thermosyphon Loop with Partially Liquid-Filled Downcomer / P. Zhang, B. Wang, W. Shi, X. Li // Applied Energy. 2015. Vol. 160. Pp. 10-17.