Силовая оптика (стр. 6 )

(2.8)

где с, n − постоянные, зависящие только от структурных характеристик ПС.

На основании известных в литературе опытных данных [42] нами был проведен анализ зависимости с и n от структурных характеристик ПС, для которых последние были достаточно достоверно известны. В результате было установлено, что с и n зависят, главным образом, от объемной пористости . Таким образом, зависимость (2.8) для безразмерного критерия Нуссельта с учетом корреляционных выражений с () и n () позволила рассчитать коэффициент конвективного теплообмена в ПС.

2.3. Гидродинамика однофазного потока в ПС

Температурное поле и термическая деформация ЭСО в значительной степени определяются расходом прокачиваемого через ПС теплоносителя, который зависит от гидродинамических характеристик и условий подвода и отвода теплоносителя. Исследованию гидродинамических характеристик при течении однофазного теплоносителя в ПС, в основном в области было посвящено большое количество экспериментальных исследований [41,42]. В общем случае гидродинамика потока в ПС описывается модифицированным уравнением Дарси (уравнение Дюпуи − Рейнольдса − Форхаймера[ 43-45] :

(2.9)

где р − давление потока; и − скорость фильтрации, равная отношению удельного массового расхода теплоносителя G к плотности ; и − вязкостный и инерционный коэффициенты сопротивления соответственно; − коэффициент динамической вязкости теплоносителя.

Из уравнения (2.9) нами была получена зависимость для коэффициента сопротивления трению в виде:

(2.10)

где (характерный размер ).

Практическое использование зависимости (2.10) для расчета гидродинамики потока в различных типах ПС, структурные характеристики которых изменяются в широких пределах, затруднено из-за отсутствия необходимых сведений о коэффициентах и , которые, как правило, определяются экспериментальным путем.

Известен и иной подход к расчету Cf: в качестве характерного размера выбирается , где K − коэффициент проницаемости, характеризующий гидродинамику течения потока в режиме Дарси , тогда [46] :

(2.11)

Связь между коэффициентами и и параметрами с и K может быть представлена в виде ; .Параметр с является универсальной постоянной для однотипных ПС, например, для всех материалов из металлических порошков с частицами сферической или близкой к ней форм , а для материалов из порошков произвольной формы 0,45<с<0,566. Поэтому в дальнейшем при расчете гидравлических характеристик структур нами принималось с=0,55, хотя это в нашем случае дает несколько завышенное значение коэффициента Cf.

Исследования, проведенные с волокнистыми материалами, пенопластами и структурами из пластов частиц произвольной формы показали, что параметр с для них сравнительно мал. Это объясняется тем, что с, характеризуя долю инерционных потерь, зависит в основном от характера следа, образующегося позади твердых частиц при обтекании их потоком, а след определяется типом ПС. Наличие в металловолокнистых структурах свободных концов, дополнительно турбулизирующих поток, приводит к увеличению с; так, для относительно коротких волокон, l/d=50−100, . (L и d - длина и диаметр волокон соответственно)

Коэффициент проницаемости K, являющийся структурной характеристикой ПС, не зависит от режима течения и определяется экспериментально из закона Дарси. В связи с развитием работ в области тепловых труб в настоящее время имеется достаточно большое число экспериментальных данных для определения K как для порошковых, так и металловолокнистых структур. Зависимость коэффициента проницаемости металловолокнистых ПС от объемной пористости имеет вид [46] :

(2.12)

где A, m − коэффициенты, зависящие от относительной длины волокон l/d. Аналогичные выражения могут быть получены и для порошковых ПС. Кроме того, коэффициент проницаемости рассчитывается по известному соотношению Кармана − Козени [ 41] :

(2.13)

где − постоянная, зависящая от структуры.

Приведенные зависимости использовались нами для определения гидравлических характеристик ЭСО, выполненных на основе ПС из металлических порошков и металловолокон.

2.4. Влияние условий подвода и отвода теплоносителя на гидравлические характеристики ЭСО

Обычно в охлаждаемых ЭСО подвод и отвод теплоносителя к ПС осуществляется через равномерно распределенные по поверхности охлаждения чередующиеся каналы, которые выполняются в виде щелей или отверстий. При щелевом подводе обеспечивается более равномерное поле скоростей теплоносителя и минимальный перепад давления, необходимый для его прокачки, а при подводе и отводе в виде чередующихся отверстий может иметь место существенная неравномерность поля скоростей при растечке потока в радиальных направлениях. Это приводит к дополнительным потерям давления при циркуляции теплоносителя, которые учитываются коэффициентом Kг; в этом случае суммарный перепад давления в ПС

(2.14)

где − перепад давления при равномерном поле скоростей.

В предположении равномерного впрыска (оттока) теплоносителя в радиальных направлениях в зонах подвода (отвода), ограниченных областью (s − шаг между чередующимися отверстиями, r0 − радиус отверстия), коэффициент Kг, характеризующий влияние коллекторных эффектов на гидравлическое сопротивление при движении потока в ПС, можно представить в виде:

(2.15)

Здесь G − массовый расход теплоносителя; F − площадь облучаемой поверхности; n − число каналов для подвода (отвода) теплоносителя; − относительный шаг между отверстиями. Из (2.17) видно, что Kг зависит как от геометрических характеристик системы подвода и отвода теплоносителя (от а), так и от G; с увеличением а и G коэффициент Kг возрастает. Таким образом, Kг характеризует конструктивное совершенство системы раздачи и сбора теплоносителя охлаждаемого ЭСО.

При известном Kг суммарный перепад давления в ПС рассчитывается по формуле (2.14) с учетом следующего выражения для расчета :

(2.16)

где − скорость фильтрации теплоносителя.

2.5. Теплопроводность ПС теплообменника ЭСО.

Применительно к вопросам охлаждения ЭСО представляло интерес исследование каркасной теплопроводности ПС без учета теплопроводности прокачиваемого теплоносителя. Обобщенные результаты многочисленных экспериментальных исследований теплопроводности материалов различных ПС [47] показали, что эффективная теплопроводность зависит не только от объемной пористости, но и от таких факторов, как спекаемость материала, размер и форма исходных частиц, технология прессования и спекания и др., что приводит к большому разбросу данных и затрудняет обобщение результатов. В большинстве случаев данные обобщаются в виде зависимости (ПV) для образцов, выполненных по единой технологии из однотипного материала. Для расчета в широком диапазоне значений пористости порошковых материалов была использована формула Одолевского [47]: