CC BY
35
УДК 536.242
© В.А. Иодис, Р.И. Пашкевич, 2014
В.А. Иодис, Р.И. Пашкевич
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНДЕНСАЦИИ ВОДЯНОГО ПАРА В ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ МИНИ-И МИКРОКАНАЛАХ
В статье дан обзор результатов экспериментальных исследований процессов теплопереноса при конденсации водяного пара в мини- и микроканалах. На структуру потока в мини- и микроканалах оказывает основное влияние массовая скорость пара, скорость его охлаждения, число Рейнольдса пара, форма поперечного сечения и эквивалентный диаметр канала. Конденсация в мини- и микроканалах приводит к росту падения давления, которое зависит от массовой скорости, количества сконденсировавшегося пара, а также от эквивалентного диаметра мини- или микроканала. Коэффициент теплоотдачи зависит от безразмерных критериев — Ми, Яе, И1е, Ре, Рг, геометрических характеристик канала, падения давления, физических свойств пара, массовых скоростей пара-конденсата.
Ключевые слова: конденсация водяного пара, миниканал, микроканал, экспериментальный стенд, визуальные исследования, структура потока, эффект стратификации, инжекция, падение давления, коэффициент теплоотдачи.
Важной задачей при освоении парогидротермальных месторождений является установление параметров теплопереноса в проницаемой области геотермального резервуара. Для лучшего понимания процессов теплоотдачи, происходящих в трещинах горных пород, необходимо экспериментальное изучение закономерностей теплообмена при конденсации в мини- и микроканалах.
При изучении процессов конденсации паров в мини- и микроканалах важную роль играют их размеры и классификация. В работе [1] Cheng и др. предложена классификация каналов по значению числа Бонда, Bo. Так при значении числа Bo < 0,05 канал классифицируется как микроканал, гравитационным эффектом в нем можно пренебречь, при 0,05 < Bo < 3,0 — это миниканал, эффект поверхностного натяжения преобладает над гравитационным эф-
99
фектом. При температуре перегретого пара 110 °С, поверхностном натяжении а = 65-10-3 Н/м, pv и pj соответствующих 110 °С, при Dh < 0,58 мм — это микроканал, а при 0,58 мм < Dh < 4,5 мм — это миниканал.
В отличие от макроканалов, где процесс конденсации изучен в достаточной мере, физические механизмы и тепломассообменные процессы мини- и микроконденсации с доминирующими силами поверхностного натяжения исследованы недостаточно.
1. Визуальные исследования
По данным, доступным авторам, одно из первых визуальных исследований конденсации водяного пара в микроканалах было проведено Chen и Cheng [2]. Визуальный эксперимент был проведен в горизонтальных кремниевых микроканалах трапециевидной формы (табл. 1) на экспериментальном стенде (рис. 1), состоящем из электрического парогенератора, испытательного участка, участка цифровой съемки, бака слива конденсата, манометров и фильтра. Цифровую видеосъемку процесса конденсации позволяла вести стеклянная пластина, закрепленная на пластине с микроканалами. Производительность парогенератора составляла 4,08 кг/ч насыщенного пара, его давления и температуры при экспериментах на входе менялись от 127,5 до 225,5 кПа и от 106,6 до 124 °С соответственно. Давление конденсата на выходе из кремниевой пластины составляло 101,3 кПа, а температура была в пределах от 42,8 до 90 °С, при воздушном охлаждении пара в каналах.
Список используемых обозначений:
М — температурный напор, °С; а — коэффициент теплоотдачи, Вт/м2К.
д — ускорение свободного падения, м/с2;
ц — коэффициент динамической вязкости, Па-с;
V — коэффициент кинематической вязкости, м2/с; и — скорость, м/с; ц — плотность теплового потока, Вт/м2;
Яе — число Рейнольдса; Ни — число Нуссельта;
Др^ — падение давления на единице длины микроканала, кПа/м; X — относительное количество сконденсировавшегося пара;
— массовая скорость, кг/м2с; в — массовый расход, кг/с; 4 — коэффициент трения; X — коэффициент теплопроводности, Вт/м-К;
ср — теплоемкость изобарная, кДж/(кг-К);
т — касательные напряжения, Н/м2; Т5, Т+ — падение температуры пленки конденсата, °С, безразмерная;
100
Во — число Бонда;
Ше — число Вебера;
Ре — число Пекле;
Бы — число Суратмана;
Х№ — параметр Мартинелли;
С — константа Мартинелли-Чис-
холма;
ф — множитель двухфазного трения; L — характерный линейный размер (длина канала), м; В — ширина канала, м; Н — высота канала, м; р — плотность жидкости, кг/м3; О — диаметр, м; о — поверхностное натяжение, Н/м;
Оь — эквивалентный диаметр канала, м;
т — массовый расход, кг/с;
Ас — площадь поперечного сечения
канала, м ;
п — число микроканалов; {р — частота инжекции, Гц; xp/L — безразмерное место инжек-ции;
Д — толщина, м; р — давление, Па; Др — падение давления, Па, бар; (р/(х — градиент давления;
Я — радиус, м;
и* — динамическая скорость, м/с; t, Т — температура, °С, К.
Индексы:
— верхние
□ — среднее значение величины.
— нижние
, — жидкая фаза(конденсат); у — паровая фаза; í — пленка конденсата; № — вода охлаждающая; пуз — пузырек; тр — трение;
кан
■ канал;
в, н — верх, низ (канала);
ш, 01л — вход, выход (канала);
2 — локальное, местное значение
величины;
охл — охлаждение.
Визуальный эксперимент показал, что стационарная, стабильная капельная конденсация наблюдается только на входе в микроканал, а в центре канала капли располагаются ближе к периферии сечения. Поток уносит только большие капли и поток пара-конденсата становится прерывистым.
При снижении диаметра микроканала плотность теплового потока, q в процессе капельной конденсации уменьшается и достигает 12 000 кВт/м2 (At = 10 °C, tv = 124 °С), что по утверждению авторов [2] в три раза выше чем плотность теплового потока при капельной конденсации на охлаждаемой поверхности в макросистеме.
Продолжили визуальные исследования процесса конденсации в 2008 г. Quan, Cheng и Wu [3] для двух типов параллельных, горизонтальных, трапециевидных микроканалов (табл. 1), при переходе
101
Рис. 1. Экспериментальный стенд, использованный в работах [2, 4, 5, 7-10]
от кольцевой к снарядной структуре потока на экспериментальной установке (рис. 2), состоящей из четырех основных элементов — системы генерации пара, горизонтальной испытательной секции, охлаждаемой циркулирующей водой, системы обработки данных и системы видеозаписи. При неполной конденсации потока на выходе из испытательной секции использовался дополнительный конденсатор.
Было визуально установлено [3], что режим потока менялся вдоль канала — от эмульсионного к кольцевому, затем к инжекционному, далее к снарядному и пузырьковому. Переход режима от кольцевого к снарядному зависит от массовой скорости пара, и скорости охлаждения, иохл v испытательной секции.
Были обнаружены [3] две различные формы инжекции потока, также зависящие от и иохл v — инжекции потока с неустойчивыми паровыми связями, происходящими при низком (или высокой иохл V и инжекции потока с устойчивыми паровыми связями, происходящему при высоком (или низкой иохл V). Установлено, что увеличение пара, снижение иохл уп или уменьшением Оь имеет тенденцию к повышению нестабильности пленки конденсата на стенке в результате возникновения инжекции потока у входа в канал с увеличением кратности возникновения.
102
Таблица 1
Данные визуальных исследований процесса конденсации водяного пара в горизонтальных микро-и миниканалах
Авторы Канал Я, кВт/м2 Структура потока U М У? и N 2 и М Ъ СП р
Тип* Форма** 11 Dh, мкм LxBxH, мм
Chen Y. и Cheng Р. (2005) [2] мк Т 10 75 80x0,2x0,05221 7000-12 000 Капельная 4,08 -
Quan X., Cheng P., Wu H. 2008 [3] мк т 8 90 60x0,5x0,4278x0,0051 Эмульсионная, кольцевая, инжекционная, снарядная, пузырьковая 165, 194, 243, 385
8 136 60x0,3x0,1442x0,11
1 120 60x0,427x0,3208x0,075
1 128 60x0,6x0,4938x0,075
1 128 60x0,268x0,1122x0,11
Chen Y., WuR., Shi M., Wu J., Peterson G.P (2009) [9] Мк т 10 100 56,7x0,1933x0,1365 1417 Эмульсионная, кольцевая, инжекционная и снарядно-пузырьковая 6 55
250 56,7x0,483,4x0,3413 518 20,3
Wu J., ShiM., Chen Y., LiX. (2010) [10] Мк п 10 90,6 56,7x0,4834x0,05 967-4516 Эмульсионно-кольцевая (преобладающая), инжекционная (характерная), снарядно-пузырьковая
H. Louahlia-Gualous, B. Mecheri (2007) [14] Мн о 1 780 L = 690 мм Кольцевая, пузырьковая 330
Кольцевая (преобладающая), пузырьковая 550
Кольцевая 820
- 1360
Примечание * MK — микроканал; MH — миниканал. ** T — треугольная; П — прямоугольная; Тп — трапециевидная; О — круглая.
К аналогичным результатам в исследованиях течения в микроканалах пришли Chen и др. и Wu и др. [9, 10], но для микроканалов не трапециевидного сечения. В [9] в микроканалах треугольной формы (табл. 1) наблюдались эмульсионный, кольцевой, инжекционный и снарядно-пузырьковый режимы, при преобладании сил поверхностного натяжения и напряжения сдвига на границе пар-жидкость, а не сил тяжести и выталкивающей силы, как в макроканалах. Эксперимент показал, что с увеличением массового расхода конденсата Gf и Dh, при одних и тех же числах Rev пара на входе, инжекция потока все более отдаляется по направлению от входа в треугольный микроканал и увеличивается частота инжекции f.
Wu и др. [10] (табл. 1) изучали инжекцию потока в «широких» прямоугольных микроканалах (с большим отношением ширина/глубина). С увеличением Rev пара на входе и числа Wej, место инжекции двигалось по направлению от входа в микроканал к его выходу, возрастала и ее частота. В отличие от режимов течения в трапециевидных, треугольных и прямоугольных микроканалах, в «широких» прямоугольных микроканалах наблюдались смесь эмульсионно-коль-цевого, инжекционного и снарядно-пузырькового режимов.
В миниканалах круглой формы (табл. 1) Louahlia-Gualous и др. [14] визуально наблюдали совершенно другая картина течения, поскольку в этом случае, кроме сил поверхностного натяжения, начинают проявляться и гравитационные силы. На экспериментальном стенде [2] исследовались модели двухфазных потоков (pvin = 73,6 кПа) при различных рабочих условиях — tvin и mvin, — 96,7 °С и 33 г/см2-с; 96,7 °С и 50 г/см2-с; 99,1 °С и 82 г/см2-с; 99 °С и 136 г/см2-с. При pv = 73,6 кПа, tv = 99,1 °С и mv = 82 г/см2-с пар конденсировался на охлаждаемой поверхности в виде тонкой жидкой пленки, образовывая кольцевую структуру потока, занимающую весь канал, но процесс конденсации находится в неустойчивом состоянии. Эксперименты показали образование межфазной волны на границе раздела жидкость-пар в нижней части трубки, возникающие в результате межфазного сдвига между жидкой и паровой фазами, движущимися с разностными скоростями (неопределенность Келвин-Хелмотз). Существование кольцевой структуры потока возможно, когда поверхностный сдвиг преобладает над капиллярными и гравитационными силами. Был сделан вывод, что жидкость в результате конденсации паров аккумулирует и формирует волны на поверхности. Волны на
105
обеих поверхностях трубки растут и, достигая предельного значения, сливаются. Таким образом, поток пара вытесняется и жидкость заполняет пространство между кольцевым потоком и впрыскиваемым паром. Если длина волны станет очень большой, то двухфазный поток станет устойчивым, но, когда пленка конденсата достигнет значительной толщины на поверхности теплообмена и пар в канале будет проходить с трудом, скорость жидкой фазы увеличится и появится нестабильность.
Для 73,6 кПа, температуре 96,7 °С и средней массовой скорости 33 г/см2-с, наблюдалась кольцевая структура потока, а ниже по течению — пузырьковая, образующаяся благодаря непрерывной инжекции (отрыву) пузырьков. Как показано в [16], в нижней части миниканала, на границе раздела фаз, образовавшаяся волна больше, чем волна в верхней его части. Объясняется это действием силы тяжести на пленку конденсата, утолщающую ее в нижней части ми-никанала. Этот эффект был назван расслоением (стратификацией). После отсоединения каждого пузырька, длина кольцевого потока уменьшалась и наблюдался обратный поток пара по каналу слева направо. Для тех же экспериментальных условий, что и в предыдущем эксперименте, но при средней массовой скорости 50 г/см2-с, было замечено увеличение длины кольцевого потока и количества межфазных волн на паровой поверхности. Двухфазный поток состоял из кольцевого потока на входе и сферическо-пузырькового ниже по течению потока, но эффект расслоения менее значителен по сравнению с предыдущим экспериментом. Авторы отмечают, что асимметрия жидкой пленки вокруг трубки, есть результат эффекта расслоения. Соседние волны в верхней и в нижней части трубки имели примерно одинаковую амплитуду. Таким образом, увеличение скорости пара на входе уменьшает эффект стратификации, а пузырьки, перемещаясь внутри канала из зоны отрыва к выходу канала, находятся в контакте с верхней частью канала из-за капиллярных сил.
Как показывает обзор визуальных исследований [2, 3, 7, 9, 10], количество работ по данной тематике для микроканалов ограниченно. На картину течения и составляющие ее потоки в микроканалах оказывает основное влияние Нер, иохл форма поперечного сечения и При различных вариациях данных величин, картина течения в целом остается постоянной, изменяются только размеры областей, занимаемые теми или иными потоками вдоль канала и частота образования-отрыва пузырьков пара (инжекция).
106
2. Падение давления
Данные экспериментов [2, 5, 9] показывают значительное увеличение теплоотдачи при конденсации сред в мини- и микроканалах по сравнению с каналами макромасштаба. Однако интенсификация теплообмена при снижении Dh канала ведет и к росту перепада давления Др [5, 6]. Сведение к минимуму Др, при тех же параметрах процесса, является важной и актуальной задачей исследований процесса конденсации водяного пара в мини- и микроканалах.
В литературе представлено значительное количество исследований падения давления двухфазных потоков в горизонтальных/ вертикальных каналах, трубах, однако работ, исследующих падение давления при конденсации водяного пара в мини-, микроканалах ограничено. Одна из них — статья Wu и Cheng [4]. Эксперимент проводился при конденсации водяного пара в 10 микроканалах (табл. 2), при разных значениях давления на входе от 4,15-105 до 1,25-105 Па, с соответствующим уменьшением от 47,5 до 19,3 г/см2-с, давление же на выходе из измерительной секции экспериментального стенда поддерживалась на значении 105 Па.
При pin = 4,15-105 Па, = 47,5 г/см2-с и Др = 3,15-105 Па по всей длине микроканала образовывалась капельная структура потока, при pin = 2,15-105 Па, uw = 30,4 г/см2-с и Др = 1,15-105 Па появлялась инжекция потока, возникающая после эмульсионной и кольцевой структур потока, но перед снарядно-пузырьковой структурой. При pin = 1,45-105 Па, uw = 23,6 г/см2-с и Др = 0,45-105 Па инжекционная структура потока образуется ближе к входу в канал, в то время как на выходе также остается снарядно-пузырьковая структура. Заключительный эксперимент происходил при рп = 1,25-105 Па, = 19,3 г/см2-с и Др = 0,25-105 Па, здесь инжекция потока происходила непосредственно на входе в каналы, кольцевой же поток исчезал полностью, а снарядно-пузырьковый поток занимал уже практически весь микроканал. Экспериментом было установлено, что структура потока при конденсации водяного пара в микроканале в значительной степени зависит от массового расхода и давления на входе и выходе канала.
К подобным выводам при исследовании падения давления в микроканалах пришли Hu и Chao [5], изучавщие процесс конденсации водяного пара в микроконденсаторе с тридцатью параллельными микроканалами (табл. 2). Микроконденсатор соединялся с паровой и охлаждающей линиями испытательного стенда, аналогичному,
107
Таблица 2
Данные экспериментальных исследований падения давления при конденсации водяного пара в горизонтальных кремниевых трапециевидных микроканалах
Авторы Канал q, kBt/m2 a, BT/m2K Ар*, кПа Ap/L**, кПа/м Др***, бар кг/м2с Формулы, зависимости, критерии подобия, корреляции Ар, Re, Во, Su, с, xff, о, fk
n Dh, MKM LxBxbxH, MM
WuH.Y., Cheng P. (2005) [4] 10 82,8 30x0,2515x 0,1557x0,0565 315* 47 500 Ар = Pin - Pout-,
115* 30 400
45* 23 600
25* 19 300
Ни J.S., Chao C.Y.H. (2007) [5] 30 73 28x0,5x (40-200) 6-40 320-2100 110-740** 16-45 Re, = ivDj/ц/, dpi/dxi = 8vfy./(R2mH - R2mj3). a = /(Re,) (см. рис. 4, а)
131 750-2400 50-260** 15-35
177 320-1800 40-260** 12-25
237 220-1850 20-60** 5-22
Quan X., Cheng P., WuH. 2008 [6] 4 151 60x0,650x 0,5226x0,09 75-270*** 253 С = (Х2Й-(ф;2 - 1) - 1)/Xtt; (-dp/dx)7p= (-dp/dx) i+C- ((-dp/c/x)| • ■(-dp/dx)v))°-5+(-dp/dx)v) ф2 = 1 +C/Xtt+ 1/Xtt2; С = 0,168-Bo0'265-Re°'337-SU-0'041; Bo = gDh2(p, - pv)/a- Re, = vsv-Dh/[i,- Su = |i;2/(p i-Dh-a)- ф 2 =(-dp/dx)7p/(-dp/dx)J; Xtt2 = (-dp/dx)/(-dp/dx)v- (~dp/dx),= 24-Us2/(Dh-P)); 4-Re= ll,43+0,8exp(2,67-BK/BH).
50-200*** 187
25-125*** 105
142 60x0,480x 0,3526x0,09 70-170*** 231
109 60x0,300x 0,1937x0,075 60-330*** 187
259 60x0,500x 0,00437x0,350
использовавшемуся в работе [2]. Структуры потока конденсата изучались при различных диаметрах микроканалов, тепловых потоках и массовых скоростях. Для снарядно-пузырьковой структуры потока в микроконденсаторе были измерены падение давления и коэффициенты теплоотдачи.
Наблюдения [5] показали пять структур потока — эмульсионный, снарядно-пузырьковый, инжекционный и доминирующий снарядно-пузырьковый. В микроконденсаторах с меньшим диаметром канала, градиент давления и коэффициенты теплоотдачи были выше при тех же числах Рейнольдса конденсата — = 73 мкм, Яе, = 17, Ар/Ь = = 145 кПа/м, а » 2100 Вт/м2-К; Оь = 131 мкм, Яе, = 17, Ар/Ь = = 121 кПа/м, а » 1700 Вт/м2-К; Оь = 177 мкм, Яе, = 17, Ар/Ь = = 92 кПа/м, а » 1400 Вт/м2-К; Оь = 237 мкм, Яе, = 17, Ар/Ь = = 48 кПа/м, а » 1300 Вт/м2-К (рис. 3, а).
Проводя дальнейшие исследования падения давления Ар при конденсации водяных паров в четырех микроканалах (табл. 2) на а б
3,0
700 600
|
(5 500 400 ^ 300
* Ли = 73 мкм я Ли = 131 мкм - а Ли -177 мкм х Ли =237мкм ♦
♦
4
х ХХА>АХ"Х Х
2,5 ~ 2,0
ь
И: 1,0 -
0,5
0,0
Г)1г = 151 МКМ
а «уу, = 253 кг/м с » =187кг/м2с я = 105 кг/м2с
1-Х
^ 6-
=187 кг/м2 с ■ 1)к =109 мкм »1)и = 151 мкм
1-Х
3,5 3,0 V© 2,5
= 231кг/м2с Ой = 142 мкм
0,0 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50
1-Х
Рис. 3. Экспериментальные данные [5, 6]: а — зависимость Ар/Ь от и5У для горизонтальных кремниевых трапециевидных микроканалах, [5]; б-в — Ар от (1 - х), [6]
в
109
установке [3], Quan, Cheng и Wu [6] к экспериментальным данным применили корреляцию (пределы ± 15%) Локкарта-Мартинелли, с модифицированной константой Мартинелли-Чисхолма — «С» (табл. 2), с учетом поверхностного натяжения, а и эффективного диаметра, Dh. Экспериментальные данные показали, что Др в микроканалах зависит от массовой скорости, uw, количества сконденсировавшегося пара, х и Dh, а также от формы канала (рис. 3, б, в) и коэффициент трения fk.
3. Коэффициент теплоотдачи
Изучением коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара (при низких его скоростях) в прямоугольном кремниевом микроканале (табл. 3) занимались Zhang, Xu и Thome [7, 8]. Изменяя скорость водяного охлаждения кремниевого микроканала экспериментального стенда (аналогичен стенду в работе [2]), можно было контролировать форму, размер и частоту образования пузырьков. При использовании только естественной конвекции воздуха, модель течения в микроканале состояла из почти стабильного вытянутого пузырька у входа в микроканал, отсекающего шлейф эллиптических пузырьков (инжекция) ниже по течению. При водяном охлаждении микроканала частота инжекции значительно увеличилась, в то время как размер пузырьков снижался, формируя идеальный пузырьковый шлейф. На основании проведенных экспериментов Zhang и др. для вычисления безразмерного локального коэффициента теплоотдачи на смене структур потоков с инжекционного на снарядный была предложена корреляция (табл. 3).
Корреляция для безразмерного коэффициента теплоотдачи, среднего по треугольному каналу (табл. 3), полученная на основании экспериментов, предлагается Chen и др. [9]. Эксперимент показал, что с увеличением массовой скорости конденсата и Dh, при одних и тех же числах Rev пара на входе, инжекция потока все более отдаляется по направлению от входа в треугольный микроканал и увеличивается частота инжекции fp. Инжекцию потока, т.е. место отрыва пузырька пара, Chen и др. [9] характеризуют безразмерным местом инжекции — xp/L (отношение расстояния от входа в микроканал до места отрыва пузырька пара (инжекции) к длине всего микроканала). Как показали исследования, xp/L возрастает с увеличением числа Вебера Wej, что указывает на действие в пленке
110
конденсата сил инерции и поверхностного натяжения. То же происходило при уменьшении Оь канала. Получена корреляция для безразмерного места инжекции (табл. 3). Кроме того, наблюдалось уменьшение температуры стенки канала вдоль потока конденсации, общее падение давления Ар, однако число N0 возрастало с увеличением Кеу (рис. 4, б). Для всего микроканала а возрастал от 3900 до 15 500 Вт/м2К при увеличении Кеу от 250 до 1780.
Математически описывали инжекцию потока Ши и др. [10], но уже при конденсации водяного пара в 10 прямоугольных микроканалах с большим отношением ширина/глубина («широкие» микроканалы) (табл. 3). Как и в работе [9], с увеличением Кеу пара на входе и числа Ше,, место отрыва — инжекции двигалось по направлению от входа в микроканал к его выходу, возрастала частота инжекции /р. Для всего микроканала среднее а и N0 увеличивается с увеличением Кеу (рис. 3, в). Авторами выведена корреляционная зависимость (табл. 3).
2,4 2,0 1,6 1,2
2500 ^ 2000 £ 1500
Ъ 1000 500 О
О
АВп= 250 мкм
иОн= 100 мкм и ■
■
|А
■ ■
300 600 900 1200 15001800 Кеу
10 12 14 16 18 20 Ке1
в
1,4 12
0,8 0,6
200 400 600 800 1000 Кеу
Рис. 4. Экспериментальная данные работ [5, 9, 10]: а — зависимость а = /(Нв1) для трапециевидных микроканалов, [5]; б — N0 = /(Нву) для треугольных микроканалов в работе [9]; в — N0 = /(Нву) для прямоугольных микроканалов [10]
а
б
111
Таблица 3
Данные экспериментальных исследований коэффициента теплоотдачи при конденсации водяного пара в горизонтальных кремниевых микроканалах
Авторы Канал Ие„ я, кВт/м2 а, Вт/м2К Ар, кПа кг/м2с Формулы, зависимости, критерии подобия, корреляции N11, Ие, \Ме, хрД, Ре, Рг, а
Форма* п Оъ, мкм ¿хВхН, мм
2Ьапд\Л/. и др. (2008)[7] п 1 58 5x0,8x0,03 140,7-818,5 = р„-(1)„ — и )2-Оь/а)-Иц, = 0,0041Ре°'855 0,05 <Кеу< 2000; 10 < Ре„< 20 ООО
СЬеп У. и др. (2009) [9] т 10 100 56,7x0,1933 х0,1365 680-1780 1417 9000-15 500 - 55 = С^Дп-^-р^); = (рА/°)х(С/прА)2; хр/Ь = 5,939х103РЦ,°'695-•И/е°'302(О/Ц2'149; Ии= 1,329Кеу°'480(ОЙ/Ц0'5; (отклонение 13,6%) ос = Ии = см. рис. 3
250 56,7x0,483,4 х0,3413 250-650 518 3900-5000 50-280 20,3
\Л/и Л. и др. (2010) [10] П 10 90,6 56,7x0,4834 х0,05 310-920 967-4516 4500-10 000 25-110 Кеу = сгц/(п%-р„А); = (рА/°)х(С/прА)2 хр/Ь = 1,253х10^1Ке1,1'324; /р = 9,591-Ю^РЦ,1,834; Ии= 9,011х10-3Кеи.п°'7331; (отклонение 7,4%) ос = Ии = см. рис. 3
С)иап X., Бопд Ь., СЬепд Р. (2010) [11] Т 2 127 ЬхВхЬхН = 60x0,ЗООх 0,1655x0,095 100 000-180 000 175 «г= ргсрГи*/Т5+; и=(т/р,)0'5; Т = (Оь/4)-(с1р/с1х)1ю (Ф/сЦ„ - 2-{к-\)ж-(1 х); Т5= РРр1Т5 — Тш)и*/яш, «г= дш/(т5 — тшу, (отклонение 20%)
173 Lx.Bx.bxH = 60x0,410х 0,2259x0,130 750 00-150 000 175
90 000-195 000 243
Odaymet А., ЬэиаЬНа-СиаЬиБ Н. (2012) [12] К 1 305 L= 50 24 000-18 000 2900-3500 14 31 аг=0,023-(с(1-х)0й/ц()0'8-•РГ;°'4-(1+2,22/ Хп°-89)-Х/Оь-(отклонение 10%) Х„ = (¿р/Ах)/(Ар/Ах),-(Ф/с'х)^ = 2/(1,-из(1,2/(Ой-р(1,) = (1 " х)Чю И ^яи = Х^кф^+ф 4= (11,43 + 0,8ехр(2,67))-
27 000-19 000 3900-5400 17
55 000-36 000 5800-11 000 31
Примечание. * Т — треугольная; П — прямоугольная; К — квадратная; Тп — трапециевидная
Для определения зависимости коэффициента теплоотдачи от падения давления, вызванного трением в микроканале, Quan и др. [11] экспериментально-аналитическим методом исследовали местный коэффициент теплоотдачи пленки конденсата, az¡ для двух кремниевых микроканалов при снарядно-пузырьковой структуре потока, табл. 3. Метод определения местного коэффициента теплоотдачи основан на теории пограничного слоя жидкой пленки с корреляцией для градиента давления, (dp/dx)¡ и относительного количества сконденсировавшегося пара, %.
Более точную корреляцию для локального коэффициента теплоотдачи при снарядной структуре потока в кремниевом микроканале квадратной формы (табл. 3) в зависимости от градиента давления трения получили Odaymet и Louahlia-Gualous [12]. В ходе проведения экспериментов удалось зафиксировать следующие структуры потока — эмульсионный, вспененно-эмульсионнный, кольцевой, пузырьково-кольцевой, снарядно-удлиненно-пузырьковый и кольцевой. Однако авторы [12] сосредоточили внимание на анализе местной теплоотдачи и гидродинамических характеристиках снарядной структуры. Наблюдался этот режим при давлениях на входе от 101 до 115 кПа и массовой скорости от 14 до 31 кг/м2-с. Местные коэффициенты теплоотдачи возрастали с увеличением массовой скорости, так как доминировали касательные напряжения, что уменьшало толщину пленки конденсата на стенке микроканала.
Местная теплоотдача уменьшалась по направлению потока пара. С увеличением массового расхода пара, размер пузырьков уменьшался, а количество пузырьков возрастало.
Установлено, что наиболее близкой к экспериментальным данным является корреляция Dobson и Chato. При этом падение давления для фазы k ( или и) может быть рассчитано, как в работе [6], а коэффициент трения fk — по корреляционной зависимости, представленной в работе [13].
Louahlia-Gualous и др. [14] вывели корреляционную зависимость для локального безразмерного коэффициента теплоотдачи с учетом местного распределения толщины пленки, измеренной непосредственно перед отрывом пузырька:
Nuz = (ц/Vpf2 g)1/3-1/8f. (1)
Исследования процесса конденсации водяного пара в миниканале показывают, что локальное число Нуссельта снижается в зоне, где
114
образуется волна, так как тепловое сопротивление пленки конденсата в этом месте становится существенным. Однако вблизи входа в канал Nuz имеет высокое значение, поскольку пленка жидкости в этой зоне тоньше. В пределах канала значения Nuz менялись в пределах 0,07^0,17.
Обзор экспериментальных данных коэффициента теплоотдачи, критерия Нуссельта, их корреляционных зависимостей показал, что в микроканалах на коэффициент теплоотдачи влияют несколько безразмерных критериев — Nu, Re, We, Ре, Pr, величин — Dh, L, Ap, vv, pv, g, x, us, от их значений а различен для образующихся потоков в микроканале и меняется вдоль него. Необходимо отметить крайнюю ограниченность исследований для местных коэффициентов теплоотдачи для потоков, составляющих структуру течения, а также в местах смены структур потоков вдоль микроканала.
Заключение
При конденсации водяного пара в микроканалах различной формы поперечного сечения на картину течения оказывает влияние Rev, usv, иохл v и Dh. При различных их вариациях картина течений в целом остается постоянной, изменяются только размеры областей потоков вдоль канала, и меняется частота инжекции и падение давления. Падение давления зависит от формы микроканала, fk, usv, x и Dh и влияет на процесс теплопереноса в микроканале и значение коэффициента теплоотдачи.
Обзор выполненных экспериментальных исследований конденсации водяного пара в горизонтальных микроканалах, показал необходимость:
1. Изучения структур потоков в микро- и миниканалах как горизонтально ориентированных к горизонту, так вертикальных и наклонных, особенно для микроканалов с Dh ~ 0,58 мм, где кроме сил поверхностного натяжения, проявляются и гравитационные силы, а также для миниканалов, с Dh ~ 4,5 мм, где доминируют гравитационные силы.
2. Исследования падения давления в микро- и миниканалах.
3. Определения местных коэффициентов теплоотдачи как для потоков составляющих структуру течения, так и в местах смены режима потоков вдоль микро- и миниканалов.
4. Установление корреляционных зависимостей для коэффициентов теплоотдачи при различных тепловых и массовых параметрах.
115
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Cheng P., Quan X., Wu H. Condensation in Microchannels // Encyclopedia of Microfluidics and Nanofluidics. — 2008. — P. 285-291.
2. Chen Y., Cheng P. Condensation of steam in silicon microchannels // International Communications in Heat and Mass Transfer. — 2005. — Vol. 32. — P. 175-183.
3. Quan X., Cheng P., Wu H. Transition from annular flow to plug/slug flowin condensation of steam in microchannels // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 2008. — Vol. 51. — P. 707-716.
4. Wu H.Y., Cheng P. Condensation flow patterns in silicon microchannels // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 2005. — Vol. 48. — P. 21862197.
5. Hu J.S., Chao C.Y.H. An experimental study of the fluid flow and heat transfer characteristics in micro-condensers with slug-bubbly flow // International Journal of Refrigeration. — 2007. — Vol. 30. — P. 1309-1318.
6. Quan X., Cheng P., Wu H. An experimental investigation on pressure drop of steam condensing in silicon microchannels // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 2008. Vol. — 51. — P. 5454-5458.
7. Zhang W., Xu J., Thome J.R. Periodic bubble emission and appearance of an ordered bubble sequence (train) during condensation in a single microchannel // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 2008. — Vol. 51. — P. 34203433.
8. Zhang W., Xu J., Liu G. Multi-channel effect of condensation flow in a micro triple-channel condenser // International Journal of Multiphase Flow. — 2008. Vol. — 34. — P. 1175-1184.
9. Chen Y., Wu R., Shi M. et al. Visualization study of steam condensation in triangular microchannels // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 2009. — Vol. 52. — P. 5122-5129.
10. Wu J., Shi M., Chen Y., Li X. Visualization study of steam condensation in wide rectangular silicon microchannels // International Journal of Thermal Sciences. — 2010. — Vol. 49. — P. 922-930.
11. Quan X., Dong L., Cheng P. Determination of annular condensation heat transfer coefficient of steam in microchannels with trapezoidal cross sections // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 2010. — Vol. 53. — P. 36703676.
12. Odaymet A., Louahlia-Gualous H. Experimental study of slug flow for condensation in a single square microchannel // Experimental Thermal and Fluid Science. — 2012. — Vol. 38. — P. 1-13.
13. Wu H.Y., Cheng P. Friction factors in smooth trapezoidal silicon microchannels with different aspect ratios // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 2003. — Vol. 46. — P. 2519-2525.
14. Louahlia-Gualous H., Mecheri B. Unsteady steam condensation flow patterns inside a miniature tube // Applied Thermal Engineering. — 2007. — Vol. 27. — P. 1225-1235.
116
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
1Иодис Валентин Алексеевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
1Пашкевич Роман Игнатьевич — доктор технических наук; директор; e-mail: [email protected]
Научно-исследовательский геотехнологический центр ДВО РАН
UDC 536.24.01
EXPERIMENTAL STUDIES OF WATER STEAM CONDENSATION
IN HORIZONTAL MINI- AND MICROCHANNELS
1Iodis V.A.; Candidate of Technical Sciences; Senior Research Scientist, e-mail: [email protected]
1Pashkevich R.I., Doctor of Technical Sciencts; Director; e-mail: pashkevich@ kscnet.ru
1Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences
The review of experimental studies results of heat-and-mass exchange under water steam condensation in mini- and microchannels was made. It was shown that mass steam velocity, velocity of steam cooling, steam Reynolds number, cross-section shape and equivalent diameter of the channel influens essentially on the flow structure in mini- and microchannels. The condensation in mini- and microchannels leads to pressure drop increasing. The pressure depends on mass velocity, quantity of condensed steam and equivalent diameter of mini- or microchannel. Key words: water steam condensation, minichannel, microchennel, test stand, visual studies, flow structure, stratification effect, injection, pressure drop, heat transfer coefficient.
- REFERENCES
1. Cheng P., Quan X., Wu H. Condensation in Microchannels, Encyclopedia of Microfluidics and Nanofluidics, 2008, pp. 285-291.
2. Chen Y., Cheng P. Condensation of steam in silicon microchannels, International Communications in Heat and Mass Transfer, 2005, Vol. 32, pp. 175-183.
3. Quan X., Cheng P., Wu H. Transition from annular flow to plug/slug flowin condensation of steam in microchannels, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2008, Vol. 51, pp. 707-716.
4. Wu H.Y., Cheng P. Condensation flow patterns in silicon microchannels, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, Vol. 48, pp. 2186-2197.
5. Hu J.S., Chao C.Y.H. An experimental study of the fluid flow and heat transfer characteristics in micro-condensers with slug-bubbly flow, International Journal of Refrigeration, 2007, Vol. 30, pp. 1309-1318.
117
6. Quan X., Cheng P., Wu H. An experimental investigation on pressure drop of steam condensing in silicon microchannels, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2008. Vol, 51, pp. 5454-5458.
7. Zhang W., Xu J., Thome J.R. Periodic bubble emission and appearance of an ordered bubble sequence (train) during condensation in a single microchannel, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2008, Vol. 51, pp. 3420-3433.
8. Zhang W., Xu J., Liu G. Multi-channel effect of condensation flow in a micro triple-channel condenser, International Journal of Multiphase Flow, 2008. Vol, 34, pp. 1175-1184.
9. Chen Y., Wu R., Shi M. et al. Visualization study of steam condensation in triangular microchannels, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, Vol. 52, pp. 5122-5129.
10. Wu J., Shi M., Chen Y., Li X. Visualization study of steam condensation in wide rectangular silicon microchannels, International Journal of Thermal Sciences, 2010, Vol. 49, pp. 922-930.
11. Quan X., Dong L., Cheng P. Determination of annular condensation heat transfer coefficient of steam in microchannels with trapezoidal cross sections, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, Vol. 53, pp. 3670-3676.
12. Odaymet A., Louahlia-Gualous H. Experimental study of slug flow for condensation in a single square microchannel, Experimental Thermal and Fluid Science, 2012, Vol. 38, pp. 1-13.
13. Wu H.Y., Cheng P. Friction factors in smooth trapezoidal silicon microchannels with different aspect ratios, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2003, Vol. 46, pp. 2519-2525.
14. Louahlia-Gualous H., Mecheri B. Unsteady steam condensation flow patterns inside a miniature tube, Applied Thermal Engineering, 2007, Vol. 27, pp. 12251235. BZ32
118
