Исследование интенсификации теплообмена при кипении на поверхности с микро- и нанорельфом

Страницы работы

Содержание работы

УДК 53.06

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ НА ПОВЕРХНОСТИ С МИКРО И НАНОРЕЛЬФОМ

Ю.А.Кузма-Кичта1, д.т.н.; А.В.Лавриков 1, к.т.н; М.В.Шустов1; П.С.Чурсин1,  А.В.Чистякова1,  Ю.А.  Звонарев2, к.т.н; В.М.Жуков3, к.т.н. 

 

1 Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»

111250, Москва, Красноказарменная, 17,

2 Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»,

123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1,

3 Объединенный институт высоких температур РАН,

111116, Москва, Красноказарменная, 17А,


Аннотация

Представлены результаты исследования интенсификации теплообмена при кипении на поверхности с микро- и нанорельефом. Результаты могут найти применение в компактных теплообменниках, холодильных установках, тепловых трубах, зеркалах мощных лазеров, мишенях и резонаторах ускорителей заряженных частиц, при внешнем охлаждении корпуса реактора в аварийных условиях.

ВВЕДЕНИЕ

Теплообмен при кипении может быть интенсифицирован при нанесении на поверхность микро- и нано-рельефа. Искусственный микро- и нанорельеф позволяет повысить критическую тепловую нагрузку и коэффициент теплоотдачи, а также снизить гидравлическое сопротивление и отложения на поверхности, повысив тем самым эффективность теплообменных устройств [1]. Микро- и нанорельеф поверхности позволяет значительно снизить энергопотребление  в термостабилизаторах круглогодичного действия (ТКД) [2], улучшить надежность охлаждения корпуса реактора в аварийных условиях [3,4], повысить эффективность микроканального охлаждения [5], надежность захолаживания высокотемпературных сверхпроводников [6].

Результаты исследования влияния микропористого покрытия на теплообмен при кипении в условиях свободной и вынужденной конвекции представлены в работах [1,7].

В работе [1] получены данные по теплоотдаче при кипении воды на поверхности с пористым покрытием (из меди толщиной 0.4 мм и нержавеющей стали толщиной 0.15 мм и 0.22 мм). Обнаружено, что коэффициент теплоотдачи увеличивается с ростом плотности центров парообразования и этот эффект проявляется в большей мере с уменьшением термического сопротивления пористого покрытия. Температура начала кипения снижается с уменьшением скорости потока и увеличением эффективной теплопроводности микропористого покрытия. В исследованных условиях для пористого медного покрытия кипение начинается при разнице температур 1Co , коэффициент теплоотдачи до 12 раз выше, чем для поверхности без покрытия.

Коэффициент теплоотдачи при кипении на поверхности с пористым покрытием может быть рассчитан по формуле [1]:

αPC=K((λ’)2/(υ’rρ’’δPC))1/(2+m)(Dmaxrρ’’/(4σTs))m/(2+m)q(1+m)/(2+m)      (1)

где  K=0.203+1.8P/PCR ,

m=-16.3*103δPC/ λef+4,

λef= λCMγ+(1-γ)((1-ε)/ λCM+ ε’/λ’+ ε’’/λ’’)-1,

γ=(1- ε1/3)2,

Влияние пористого покрытия на теплообмен при кипении фреона-113 на сфере исследовалось в [6]. Обнаружено значительное увеличение минимальной критической тепловой нагрузки и коэффициента теплоотдачи при пленочном кипении на сфере с пористым покрытием, по сравнению со сферой без покрытия. Нанесение на поверхность сферы мелких лунок с небольшой плотностью приводит к улучшению теплообмена при пленочном кипении, однако в меньшей степени, чем пористое покрытие.

В работе [8,9] исследован теплообмен при кипении на поверхности с микростолбчатым рельефом.  Рельеф был создан методом электролитического осаждения металла на подложке. При исследовании кипения фреона R141b на трубке с микростолбчатым рельефом  установлено, что перегрев стенки практически постоянен. Коэффициент теплоотдачи увеличивается до трех раз. Следует отметить что микростолбчатый рельеф на поверхности получить сложно и его эффект на теплоотдачу не столь значителен.

Уменьшение диаметра каналов в теплообменниках позволяет достичь высокого отношения площади поверхности к их объему. Предложенная в работе [10] классификация каналов по их гидравлическому диаметру не учитывает свойств жидкости. В случае каналов малого диаметра, когда их размер сравним с капиллярной постоянной и размерами паровых пузырей, силы поверхностного натяжения и размеры канала имеют значительное влияние на гидродинамику и теплообмен.

В работе [5] при кипении недогретой воды в прямоугольных каналах малого размера была получена тепловая нагрузка, превышающая 10МВт/м2.  Форма кривых кипения в области кризиса теплоотдачи при наличии недогрева жидкости изменилась по сравнению с насыщенной водой. Это изменение обусловлено особенностями кипения недогретой жидкости, сопровождающегося коллапсированием крупных паровых пузырей на поверхности нагрева и появлением множества микропузырей пара. Однако в микроканальных теплообменниках растут потери на трение и возможно запаривание каналов.

Исследование кипения воды с добавлением октадециламина (ОДА) проводилось в работе [10]. Было достигнуто 25% увеличение коэффициента теплоотдачи по сравнению с кипением чистой воды.

При исследовании кипения водного раствора сульфата натрия [11,12] получено повышение теплоотдачи до 3 раз. Как обнаружено в опытах, кристаллы сульфата натрия осаждаются на поверхности нагрева под паровыми пузырями  и приводят к образованию дополнительных центров парообразования:

N= Nестеств+Nдоп    и коэффициент теплоотдачи растет. Отношение коэффициентов теплоотдачи при кипении водного раствора сульфата натрия и воды равно : 

     

(2)

где

;

E=10-22Дж – энергия дисперсного взаимодействия, k=2.5·10-7- константа.

Похожие материалы

Информация о работе