О механизме теплопереноса в слое теплоносителя на нижней крышке закрытого двухфазного термосифона

Об авторах:

Пономарев Константин Олегович, аспирант, Инженерная школа энергетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; kop.tpu@gmail.com; ORCID: 0000-0003-4877-1536

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

Феоктистов Дмитрий Владимирович, кандидат технических наук, доцент, Исследовательская школа физики высокоэнергетических процессов, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; fdv@tpu.ru

Орлова Евгения Георгиевна, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель научно-образовательного центра И. Н. Бутакова Инженерной школы энергетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; lafleur@tpu.ru

Максимов Вячеслав Иванович, кандидат технических наук, доцент, Научно-образовательный центр И. Н. Бутакова, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; elf@tpu.ru

Аннотация:

Выдвинута гипотеза о том, что интенсивность всех теплофизических и гидродинамических процессов в термосифоне зависит в первую очередь от интенсивности теплопереноса в слое теплоносителя на нижней крышке и на свободной поверхности этого слоя. По результатам анализа и обобщения, полученных при проведении экспериментальных исследований температурных полей в закрытом двухфазном термосифоне, сформулирована математическая модель теплопереноса в таких теплообменниках, отличающаяся от известных тем, что при моделировании основных характеристик работы термосифонов рассматриваются процессы кондукции и конвекции только в слое теплоносителя на нижней крышке термосифона, а также кондукции в испарительной части корпуса последнего. Сравнение результатов вычисления температур в характерных точках слоя теплоносителя с показаниями термопар показало их хорошее соответствие. Результаты численного моделирования дают основания для вывода о доминирующей роли термогравитационной конвекции в слое теплоносителя на нижней крышке в регулировании интенсивности теплопереноса в термосифоне.

Список литературы:

1. Безродный М. К. Процессы переноса в двухфазных термосифонных системах. Теория и практика / М. К. Безродный, И. Л. Пиоро, Т. О. Костюк. Киев: Факт, 2005. 704 с.

2. Asirvatham L. G. Heat transfer performance of a glass thermosyphon using graphene-acetone nanofluid / L. G. Asirvatham, S. Wongwises, J. Babu // Journal of Heat Transfer. 2015. Vol. 137. № 11. P. 111502. DOI: 10.1115/1.4030479

3. Bouhal T. Performance optimization of a two-phase closed thermosyphon through CFD numerical simulations / T. Bouhal, Y. Agrouaz, T. Kousksou, T. El Rhafiki, Y. Zeraouli // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 128. Pp. 551-563. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.09.049

4. Colinet P. Interfacial nonequilibrium and Benard-Marangoni instability of a liquid-vapor system / P. Colinet, G. Lebon, C. S. Iorio, J. C. Legros // Physical Review E. 2003. Vol. 68. P. 041601. DOI: 10.1103/PhysRevE.68.041601

5. Fadhl B. Numerical modelling of the temperature distribution in a two-phase closed thermosyphon / B. Fadhl, L. C. Wrobel, H. Jouhara // Applied Thermal Engineering. 2013. Vol. 60. Pp. 122-131. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2013.06.044

6. Guichet V. Condensation, evaporation and boiling of falling films in wickless heat pipes (two-phase closed thermosyphons): a critical review of correlations / V. Guichet, H. Jouhara // International Journal of Thermofluids. 2019. P. 100001. DOI: 10.1016/j.ijft.2019.100001

7. Jafari D. Unsteady experimental and numerical analysis of a two-phase closed thermosyphon at different filling ratios / D. Jafari, S. Filippeschi, A. Franco, P. Di Marco // Experimental Thermal and Fluid Science. 2017. Vol. 81. Pp. 164-174. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2016.10.022

8. Kabov O. A. Vapor-gas mixture condensation in a two-chamber vertical thermosyphon / O. A. Kabov, E. A. Chinnov // Journal of Enhanced Heat Transfer. 2002. Vol. 9. № 2. Pp. 57-67. DOI: 10.1615/JEnhHeatTransf.v9.i2.10

9. Kuznetsov G. V. Numerical analysis of convective heat transfer in a closed two-phase thermosyphon / G. V. Kuznetsov, M. A. Al-Ani, M. A. Sheremet // Journal of Engineering Thermophysics. 2011. Vol. 20. № 2. Pp. 201-210. DOI: 10.1134/S1810232811020081

10. 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. № 1. Pp. 103-111. DOI: 10.1007/s10891-014-0990-8

11. Maestro L. M. On the existence of two states in liquid water: impact on biological and nanoscopic systems / L. M. Maestro, M. I. Marqués, E. Camarillo, D. Jaque, J. G. Solé, J. A. Gonzalo, H. E. Stanley // International Journal of Nanotechnology. 2016. Vol. 13. № 8-9. Pp. 667-677. DOI: 10.1504/ijnt.2016.079670

12. Pan B. High-temperature digital image correlation method for full-field deformation measurement at 1 200 °C / B. Pan, D. Wu, Z. Wang, Y. Xia // Measurement Science and Technology. 2010. Vol. 22. № 1. P. 015701. DOI: 10.1088/0957-0233/22/1/015701

13. Ponomarev K. Experimental modelling of evaporation and boiling processes in a two-phase thermosyphon / K. Ponomarev, S. R. Gupta, E. Orlova, D. Feoktistov // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 141. P. 01011. DOI: 10.1051/matecconf/201714101011

14. Ponomarev K. O. Critical heat flux density in diphasic thermosyphons / K. O. Ponomarev, E. G. Orlova, A. E. Nurpeiis // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 110. P. 01064. DOI: 10.1051/matecconf/201711001064

15. Saylor J. R. The correlation between surface temperature and subsurface velocity during evaporative convection / J. R. Saylor, K. A. Flack, M. P. Schultz, G. B. Smith // Experiments in Fluids. 2002. Vol. 32. № 5. Pp. 570-579. DOI: 10.1007/s00348-001-0400-9

16. Sheremet M. A. The influence of cross effects on the characteristics of heat and mass transfer in the conditions of conjugate natural convection / M. A. Sheremet // Journal of Engineering Thermophysics. 2010. Vol. 19. № 3. Pp. 119-127. DOI: 10.1134/S1810232810030021

17. Strakhov V. L. Mathematical simulation of thermophysical and thermochemical processes during combustion of intumescent fire-protective coatings / V. L. Strakhov, A. N. Garashchenko, G. V. Kuznetsov, V. P. Rudzinskii // Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2001. Vol. 37. № 2. Pp. 178-186. DOI: 10.1023/A:1017557726294

18. Volkov R. S. Exprimental study of liquid drop surface transformation in air within a group of successive deformation cycles / R. S.Volkov, G. V. Kuznetsov, P. A. Strizhak, P. A. Kuibin // Chemical and Petroleum Engineering. 2017. Vol. 52. № 9-10. Pp. 662-668. DOI: 10.1007/s10556-017-0249-2

19. Xu Z. Heat performances of a thermosyphon as affected by evaporator wettability and filling ratio / Z. Xu, Y. Zhang, B. Li, C. C. Wang, Q. Ma // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 129. Pp. 665-673. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2017.10.073