Математическое моделирование теплопереноса в замкнутом двухфазном термосифоне

Предложен новый подход к описанию процессов теплопереноса в термосифонах и определения характерных температур. При постановке задачи описываются процессы термогравитационной конвекции в слое теплоносителя на нижней крышке, фазовые превращения в зоне испарения, теплоперенос в результате кондукции в нижней крышке. Основное допущение, которое использовалось при постановке задачи, – это положение о том, что характерные времена движения паров по каналу термосифона много меньше характерных времен теплопроводности и свободной конвекции в слое хладагента на нижней крышке термосифона. По этой причине не рассматривались процессы движения пара в канале термосифона, пленке конденсата на верхней крышке и вертикальных стенках. Область решения задачи представляет собой термосифон, через который осуществляется отвод теплоты от энергонасыщенного оборудования. Диапазоны изменения тепловых потоков выбирались исходя из экспериментальных данных. Геометрические параметры термосифона и коэффициенты заполнения выбирались такими же, как и в экспериментах (высота – 161 мм, диметр – 42 мм, толщина стенок – 1,5 мм, ε=4–16%) для последующего сравнения результатов численного моделирования и экспериментальных данных. При проведении численного анализа предполагалось, что теплофизические свойства крышек термосифона и хладагента не зависят от температуры; рассматривался ламинарный режим течения. Безразмерные уравнения переноса вихря, Пуассона и энергии для жидкого теплоносителя в условиях естественной конвекции и уравнения теплопроводности для стенки нижней крышки решены методом конечных разностей. По результатам численного моделирования установлена зависимость характерных температур от величины теплового потока, подводимого к нижней крышке термосифона. Результаты теоретического анализа находятся в удовлетворительном соответствии с известными экспериментальными данными.

1. Fu W., Li X., Wu X., Zhang Z. Investigation of a long term passive cooling system using two-phase thermosyphon loops for the nuclear reactor spent fuel pool // Annals of Nuclear Energy. 2015. Vol. 85. P. 346–356.

2. Parida P.R., Sridhar A., Vega A., Buyuktosunoglu A., Chainer T. Thermal model for embedded two- phase liquid cooled microprocessor // Proceedings of the 16th InterSociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, ITherm 2017. P. 441-449.

3. Fluder P.F., Marzec P., Kos A. Compact model of microprocessor cooling system based on ambient circumstances // Proceedings of the 24th International Conference on Mixed Design of Integrated Circuits and Systems, MIXDES 2017. P. 341-344.

4. Karavaev I.S., Shtern Y.I., Kozhevnikov Y.S., Shtern M.Y., Degtyarev A.A. Thermostating Components for Control of Heat-Transfer Agent Flow // Measurement Techniques. 2016. Vol. 59(9). P. 964-970.

5. Васильев Л.Л. Перспективы применения тепловых насосов в Республике Беларусь // ИФЖ. 2005. Т. 78, №1. С. 23–34.

6. Ibrahim E., Moawed M., Berbish N. S. Heat transfer characteristics of rotating triangular thermosyphon // Heat Mass Transfer. 2012. Vol. 48. pp. 1539 –1548.

7. Oh S.H., Choi J.W., Lee K.J., Cho H.H., Kim S.I. Experimental study on heat transfer performance of a two-phase single thermosyphon using HFE-7100 // Journal of Mechanical Science and Technology. 2017. Vol. 31(10), pp. 4957-4964.

8. P. Zhang, B. Wang, W. Shi, X. Li, Experimental investigation on two-phase thermosyphon loop with partially liquid-filled downcomer. // Applied Energy. 2015. Vol. 160. pp. 10–17.

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

10. Kuznetsov G.V., Sitnikov A.E. Numerical analysis of basic regularities of heat and mass transfer in high-temperature heat pipe // TVT. 2002. Vol. 40(6).pp 964–970.

11. Kuznetsov G.V., Al-Ani M.A., Sheremet M.A. Numerical analyses of convective heat transfer in a closed two-phase thermosiphon // Journal of Engineering Thermophysics. 2011. Vol. 20 (2). pp. 201–210.

12. Fadhl B., Wrobel L.C., Jouhara H. Three- dimensional CFD simulation of geyser boiling in a two-phase closed thermosyphon // International Journal of Hydrogen Energy. 2019. Vol. 41(37), pp. 16463-16476.

13. Wang X., Zhu Y., Chen H., Wang Y., Fan H. CFD modeling of phase change heat transfer behaviors in thermosyphons // Zhongnan Daxue Xuebao (Ziran Kexue Ban)/Journal of Central South University (Science and Technology). 2017. Vol. 48(5). pp. 1391-1397.

14. Jafari D., Franco A., Filippeschi S., Di Marco P. Two–phase closed thermosyphons: A review of studies and solar applications // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016. Vol. 53. P. 575– 593.

15. Feoktistov E.A., Vympin E.A., Nurpeiis A.E. Experimental research of thermophysical processes in a closed two–phase thermosyphon // MATEC Web of Conf. 2016. Vol. 72.

16. Nurpeiis А.Е., Orlova E.G., Ponomarev K.O. An experimental study of the influence of a thermosyphon filling ratio on a temperature distribution in characteristic points along the vapor channel height // 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.

17. Strakhov V.L., Garaschenko A.N., Kuznetsov G.V., et al. Mathematical simulation of thermophysical and thermos chemical processes during combustion of intumescent fire-protective coating // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2001.Vol. 37. pp 1178–186.

18. Самарский А.А. Численные методы решения задач конвекции – диффузии / A.A. Самарский, П.Н. Вабищевич. URSS, 2009. 246 с.

19. Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Evaporation of single droplets and dispersed liquid flow in motionthrough high-temperature combustion products // High Temperature. 2014. Vol. 52: pp. 568–575.

20. Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. 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 // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2014. Vol. 87.pp 103–111.

21. Nurpeiis A., Nemova T. The Opportunity Analyses of Using Thermosyphons in Cooling Systems of Power Transformers on Thermal Stations // MATEC Web of Conferences 72, 01077 (2016).