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

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 1C^o , 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]:

α_PC=K((λ’)²/(υ’rρ’’δ_PC))^1/(2+m)(D_maxrρ’’/(4σT_s))^m/(2+m)q^(1+m)/(2+m)      (1)

где  K=0.203+1.8P/P_CR ,

m=-16.3*10³δ_PC/ λ_ef+4,

λ_ef= λ_CMγ+(1-γ)((1-ε)/ λ_CM+ ε’/λ’+ ε’’/λ’’)^-1,

γ=(1- ε^1/3)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= N_{естеств}+N_доп    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.