Кипение недогретой воды в мини- и микроканалах

Лекция 121. КипениЕ недогретой воды в мини- и микроканалахКанале малого диаметра

В случае недогретой жидкости в канале при определенных условиях обнаружено изменение кривой кипения в области кризиса теплоотдачи (рис.791.82). Этот эффект был назван Microbubble Emission Boiling или сокращенно MEB. При этом происходит разрушение крупных паровых пузырей с выбросом множества микропузырьков. Возникновение данного эффекта приводит к изменению кривой кипения  и росту максимальной тепловой нагрузки.

Рис.791.82. Кривая кипения воды при различных недогревах и атмосферном давлении

При возникновении MEB происходит периодически разрушение крупных паровых пузырей с выбросом микропузырьков пара, период пульсаций давления в системе составляет десятки микросекунд.

Рассмотрим возникновение кризиса теплоотдачи в прямоугольных каналах. Скорость движения воды составляет 0.25-2.5 м/с, недогрев – 20-40^ОС, размеры обогреваемой поверхности прямоугольного канала -  10-20 мм в ширину и 10-50 мм в длину. Изменения кривой кипения (MEB) зависят от недогрева жидкости: при недогреве 20^ОС эффект нестабильный и возможен переход к пленочному кипению, однако уже при недогреве 40 ^ОС и скорости жидкости 0.5м/с эффект  стабильный и  отводится тепловая нагрузка 10 МВт/м² .

Особый интерес представляет реализация режима кипения с эмиссией микропузырей (MEB) в каналах субмикронного диаметра, т.к. это может стать недорогим перспективным способом повышения максимальной тепловой нагрузки в теплообменниках для микроэлектронных устройств.

В нижеприведенной таблице представлены параметры, при которых происходят изменения формы кривой кипения (MEB) при кипении недогретой жидкости в прямоугольных каналах].

Таблица 1. Карта режимов кипения в одиночном прямоугольном канале]

Рис.80 1.83. Кривые кипения воды в прямоугольных каналах. ΔT_нед=40К, U=0.5м/с

В результате обработки данных скоростной видеосъемки кипения были обнаружены пульсации парового пузыря в канале (рис.1.8814).

Рис. 1.8814. Изменение размера парового пузыря во времени. q=3.31МВт/м², G=295 кг/м²с, ∆Т_нед=80^ОС

.

На рис.821.85 представлены кривые кипения воды в каналах малого диаметра при скоростях жидкости 0.15 и 0.1 м/с.

Кривая кипения (1)  получена при недогреве воды на входе в канал около 40К, в то время как кривая (2) получена для недогрева 80К.

При достижении критической тепловой нагрузки в случае кривой (2) происходит резкое снижение плотности теплового потока с увеличением температуры стенки. В случае кривой (1) при достижении критической тепловой нагрузки, несмотря на рост температуры стенки, плотность теплового потока продолжает оставаться на уровне 2.7МВт/м².

Рис.821.85. Кривые кипения воды в одиночных каналах малого диаметра.

1) Вода, недогрев 40К. Канал высотой 1мм. Скорость 0.15м/с

2) Вода, недогрев 80К, Канал высотой 0.5 мм. Скорость 0.1 м/с.

В результате обработки материалов видеосъемки процесса кипения в  системе  параллельных каналов (∆T_нед=40К, U=0.5м/с)  обнаружены колебания паровых пузырей при их росте на поверхности нагрева (рис.1.8683). Колебания парового пузыря при его росте на стенке в канале при кипении недогретой жидкости вызваны одновременным протеканием процессов испарения микрослоя в основании  парового пузыря и конденсации на остальной части  поверхности пузыря. С увеличением тепловой нагрузки происходит рост амплитуды колебаний парового пузыря.

Рис.831.86.  Колебания парового пузыря при росте на стенке в системе микроканалов. Вода. U=0.8м/с. а- q=940 кВт/м², б- q=1200 кВт/м².

Изменение формы кривой кипения в области кризиса теплоотдачи зависит от недогрева жидкости, ее скорости и размеров канала. В работе показано, что данный эффект возможен в каналах малого диаметра, однако условия его возникновения в субмиллиметровых каналах пока недостаточно изучены.

В работе обнаружены колебания паровых пузырей при росте на стенке канала при кипении недогретой жидкости в рассмотренных условия