Охлаждение нагретых тел в наножидкостях, страница 3

На рис.3  показаны детали тестируемого образца.  Тестируемый образец состоит из металлической сферы, термопары для измерения температуры в центре сферы, и трубки, которая поддерживает сферу. Сферы, выбранные для данного исследования, изготовлены из нержавеющей стали (SS) и сплава циркония с оловом (Zry). Основанный на цирконии сплав, используется как материал оболочки в топливных элементах ядерных реакторов. SS-сферы имеют диаметр равный 9.5 мм, Zry-сферы имеют диаметр 10 мм. Шероховатость поверхности сфер - 0.6 мкм и 3.1 мкм, соответственно. В сферах просверлены отверстия. Отверстие диаметром 0.5 мм К-типа используются для вложения в нее термопары с погрешность измерения ±1 ^оC. Эта техника гарантирует хороший тепловой контакт со сферой, и таким образом минимизирует инертность термопары. Отношение диаметра трубы к диаметру сферы очень низко (0.09), таким образом потери тепла незначительны. Длина трубы также важный параметр, потому что интенсивное кипение на поверхности сферы заставляет ее вибрировать, что может изменить процесс кипения.

Рис.3. Собранный образец [1]

На рис.4 показана кривая охлаждения SS-сферы в чистой воде. Различные режимы теплопередачи были зарегистрированы на видеокамеру. Кадр (а) – пленочное кипение. Остывающая сфера полностью покрыта пленкой пара. При уменьшении температуры сферы паровая пленка становится более тонкой (кадр (b)). Кадр (с) соответствует прекращению пленочного кипения, кадр (d) – переходное кипение. При переходном кипении часть поверхности сферы смачивается жидкостью, а часть покрыта пленкой пара. Эта «картина» непрерывно меняется. После того, как при охлаждении сферы пройдена точка q_кр1 наблюдается интенсивное пузырьковое кипение. Когда температура сферы асимптотически приблизится к температуре окружающей жидкости (кадр (f)) теплообмен становится конвективным.

Рис.4. Нагретая SS-сфера охлаждается в насыщенной воде [1]

До тестов наножидкости, проводились опыты на чистой воде. На рис.5 показаны результаты этих тестов для SS-сферы и Zry-сферы. Кривые охлаждения практически воспроизводятся от опыта к опыту с некоторыми расхождениями, которые объясняются образованием окисной пленки на поверхности сфер. Кроме того, отмечается, что продолжительность охлаждения Zry-сфер - примерно в два раза меньше SS-сфер. Это связано с разной теплоемкостью материалов.

Рис.5 Кривые охлаждения для SS сферы (a)  и Zry сферы (b)   в насыщенной воде [1]

На рис.5 показаны кривые охлаждения SS-сферы в наножидкости на основе воды с добавлением наночастиц Al₂O₃ при различных концентрациях  (0.001 %, 0.01 %, и 0.1 %). Для самой низкой концентрации наночастиц (0.001 %) кривые охлаждения находятся в пределах разброса данных для  воды.

 Рис.6. Кривые охлаждения SS-сферы в наножидкости с добавлением наночастиц оксида алюминия. Концентрация частиц: (a) - 0.001%, (b) - 0.01%, (c) - 0.1% и (d) фотография скачкообразного образования пузыря после начала седьмого опыта для наножидкости с концентрацией 0.1 vol% Al₂O₃. Фотографии сделаны с интервалом 20мс [1]

На рис.7 показаны кривые охлаждения SS - и  Zry-сфер для Al₂O₃, SiO₂ и С наночастиц (для всех опытов концентрация наночастиц составляет 0.1%). Время охлаждения  зависит от материала наночастиц. С- наночастицы практически  не изменяют время охлаждения.

Рис.7. Кривые охлаждения SS (слева) и Zry (справа) сфер в наножидкости с концентрацией наночастиц 0.1% Al₂O₃ (a), Si(b), и С (c) при условиях насыщения [1]

Результаты для чистой воды и температуры охлаждающей жидкости 30 ^оC (недогрев 70 ^оC) при охлаждении SS- и Zry-сфер представлены на рис.8. Прекращение пленочного кипения (MHF) происходит в диапазоне температур 250-400^оC для SS-сферы и между 300-450 ^оC для Zry-сферы.

Рис.8. Кривые охлаждения SS (a) и Zry (b) сфер в недогретой воде [3]

Результаты опытов по охлаждению SS-сфер в наножидкости (Al₂O₃ и вода) показаны на рис.9. Кривые охлаждения для 0.001 и 0.01% содержания наночастиц в наножидкости почти такие же, как для воды в пределах разброса данных в первичных экспериментах.

Рис.9. Кривые охлаждения SS-сферы в недогретой наножидкости с добавлением наночастиц Al₂O₃ при объемных концентрациях:  0.001%(a), 0.01%(b), и  0.1%(c). (d) -  фотографии тонкой паровой пленки после второго погружения нагретой сферы  в наножидкость с концентрацией наночастиц 0,1% для следующих моментов времени: t = 0.000, 0.136, 0.451, 0.635, 0.865, 1.128 с [1]

Зависимость тепловой нагрузки от температурного напора представлена на рис.10. Влияние наночастиц на теплоотдачу при пленочном кипении не обнаружено. Это важный результат. Пока нет контакта наножидкости с поверхностью – не обнаружено влияние на теплоотдачу. Кроме того, можно предположить, что наночастицы задерживаются на границе раздела «пар-жидкость» и не проникают в пленку и затем к поверхности.