CC BY
15
УДК 532.51:536.248.2
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА
ПРИ ГРАВИТАЦИОННОМ ТЕЧЕНИИ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ
МИКРОСТРУКТУРИРОВАНИЕМ ТЕПЛООТДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
Олег Александрович Володин
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-87-00, e-mail: volodin@ngs.ru
Николай Иванович Печеркин
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)316-50-49, e-mail: pecherkin@itp.nsc.ru
Александр Николаевич Павленко
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, зав. лабораторией низкотемпературной теплофизики, тел. (383)328-43-87, e-mail: pavl@itp.nsc.ru
Николай Николаевич Зубков
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 105005, Россия, г. Москва, 2-я Бауманская ул., 5, доктор технических наук, профессор, e-mail: zoubkovn@bmstu.ru
Представлены результаты экспериментов по исследованию теплообмена при пленочном течении бинарной смеси хладонов на вертикальных цилиндрах с различным образом микроструктурированной наружной поверхностью. Исследовались три типа упорядоченных трехмерных микроструктур поверхности, полученных методом деформирующего резания. Показано, что коэффициенты теплоотдачи в режиме кипения на поверхностях с микроструктурой, имеющей меньшие геометрические параметры, превышают значения для поверхностей с более крупными характеристиками. Поверхности с частично закрытыми микропорами в режиме кипения дают преимущество в теплоотдаче по сравнению с микроструктурированной поверхностью без полузамкнутых пор.
Ключевые слова: микроструктурированная поверхность, стекающие пленки, интенсификация теплоотдачи, пузырьковое кипение, кризис кипения, хладоны.
HEAT TRANSFER ENHANCEMENT AT GRAVITATIONAL FLOW
OF LIQUID FILM BY MICROSTRUCTURING OF HEAT-RELEASING SURFACE
Oleg A. Volodin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Researcher, phone: (383)330-87-00, e-mail: volodin@ngs.ru
Nikolay I. Pecherkin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)316-50-49, e-mail: pecherkin@itp.nsc.ru
Aleksandr N. Pavlenko
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Акаёеш1к Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Corresponding Member of RAS, Head of Low Temperature Thermophysics Laboratory, phone: (383)328-43-87, e-mail: pavl@itp.nsc.ru
Nikolay N. Zubkov
Moscow State Technical University Named After N. E. Bauman, 5, 2-nd Bauman St., Moscow, 105005, Russia, D. Sc., Professor, e-mail: zoubkovn@bmstu.ru
The experimental results on the study of heat transfer at the film flow of a binary mixture of refrigerants on vertical cylinders with a differently microstructured outer surface are presented. Three types of ordered three-dimensional surface microstructures obtained by the deformational cutting were investigated. It is shown that the heat transfer coefficients in the boiling regime on surfaces with a microstructure having smaller geometric parameters exceed values for surfaces with larger characteristics. Surfaces with partially enclosed micropores in boiling regime give an advantage in heat transfer compared to a microstructured surface without semiclosed pores.
Key words: microstructured surface, falling films, heat transfer enhancement, nucleate boiling, boiling crisis, refrigerants.
С целью интенсификации теплообмена в режиме кипения теплоносителя применяются различные методы обработки металлических поверхностей [1]. Полученные в результате использования таких методов структуры поверхности, как правило, способствуют увеличению плотности центров парообразования и снижению температурных напоров закипания жидкости [2]. Данный подход особенно эффективен для случая жидкостей, обладающих высокой смачиваемостью (хладоны, криогенные жидкости и т. д.).
Одним из современных высокопроизводительных и экономичных методов формирования микроструктурированных поверхностей (т. е. теплообменных поверхностей с характерными размерами структуры в диапазоне 1-1000 мкм), является метод деформирующего резания (МДР). Применяемый в настоящей работе метод ДР позволяет создавать теплообменные поверхности сложной геометрии с возможностью увеличения площади поверхности по сравнению с исходной до 12 раз [3].
Новизна предлагаемого авторами подхода также связана с тем, что для случая пленочного течения маловязких высокосмачивающих жидкостей на поверхностях с различным характером микроструктурирования достаточно обширных и систематических исследований не проводилось.
Данная работа расширяет и дополняет ранее полученные авторами результаты по применению структурированных поверхностей для интенсификации теплообмена [4-6].
Описание экспериментальной установки приведено в [4, 5]. Выбранная в качестве рабочей жидкости смесь хладонов R114/R21 15%-й концентрации позволяет моделировать процессы, имеющие место в тепломассообменных аппаратах с близкими по физическим свойствам теплоносителями (фреоны и их смеси, криогенные жидкости). Такая смесь хладонов, являющихся высо-космачивающими веществами с низкими температурами кипения (соответст-
венно 3,5 и 8,7 °С при атмосферном давлении), хорошо подходит в качестве рабочей жидкости при проведении исследований по интенсификации теплообмена при кипении на микропористых поверхностях.
В работе исследовались два основных типа микроструктур:
1) микрооребрение с полузакрытыми подповерхностными порами, полученными за счет накатки роликом (рис. 1, а, б);
2) микроштырьковая структура, при формировании которой с помощью накатки создавался разрыв ребер в поперечном направлении (глубина разрыва -100 мкм), в результате чего формировался массив вертикальных штырьков, рис. 1, в.
9 9 - • < I ■■ 1 Г . V, Щ * " г ш t 1 - ■ Г - ' Г _ 4 t - I Г1
Г ' ' * 1 Г' ' 14 Г
1**1 V ' ^ ;(; •, г Г ¡1 г" *
Г К К ] г* * а
Г'.' Е-"*
».. 1. I - 1 • к У
1 г» * Г т I ; *
а)
б)
в)
Рис. 1. Исследуемые микроструктуры, фронтальный вид:
а) микроструктура № 1 (вертикальные полосы - области накатки); б) микроструктура № 2; в) микроструктура № 3
Параметры исследуемых микроструктур приведены в таблице.
Параметры микроструктурированных поверхностей
№ Тип Шаг ребер, мкм Высота ребер, мкм Шаг накатки, мкм
1 Микроструктура с полузакрытыми порами 100 220 318
2 200 440 318
3 Микроштырьки 150 250 318
На рис. 2 приведены характерные данные по зависимости осредненного по длине коэффициента теплоотдачи (КТО) от плотности теплового потока, полученные для микроструктурированных поверхностей № 1, 2 в диапазоне изменения числа Рейнольдса 300-1500. Здесь Кв = ^ у), где Q - объемный расход жидкости, м3/с; С - диаметр трубы, м; V - кинематическая вязкость жидкости, м2/с.
а)
б)
Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока: а) поверхность № 1; б) поверхность № 2
Из рис. 2, а видно, что коэффициент теплоотдачи для поверхности № 1 слабо возрастает с ростом д в режиме испарения (д < 1 Вт/см ), влияния плотности орошения не наблюдается. В режиме пузырькового кипения КТО увеличивается с увеличением числа Яе, расхождение значений КТО становится заметным при больших тепловых потоках - в околокризисных режимах, - когда появление на поверхности замываемых сухих пятен снижает коэффициент теплоотдачи (в первую очередь для малых расходов жидкости).
Для поверхности № 2 кипение начинается при заметно меньших тепловых
22 потоках, чем для поверхности №1 (д = 0,65 Вт/см против д ~
1 Вт/см ), на
рис. 2, б практически отсутствует характерная «полочка» испарения. Однако
в режиме кипения на поверхности № 2 получены более низкие значения КТО (примерно на 25 % в области развитого кипения). Это может быть связано с различной плотностью центров парообразования на данных поверхностях. В режиме развитого пузырькового кипения на поверхности № 2 наблюдаются разрозненные кипящие струи, в то время как на поверхности № 1 при тех же тепловых нагрузках активировано гораздо большее количество плотно «сидящих» центров парообразования.
На рис. 3 приведено сравнение полученных результатов по зависимости КТО от теплового потока для поверхностей № 1-3 с КТО эталонной гладкой поверхности.
25000
20000
.15000
&
810000
5000
♦ ♦ ♦ * * * ♦ ♦ Л * ♦ . * ♦ .
* ♦ V! ж $ А д р д I
* а х ** Ж
«Гладкая поверхность о Поверхность 1 ♦ Поверхность 1, серия 2 а Поверхность 2 ж Поверхность 3
о.о
2.0
4.0
6 0 <7, Вт/см2
8.0
10.0
12.0
Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока для поверхностей с различной микроструктурой
Видно, что коэффициент теплоотдачи для поверхности № 1 примерно в 3 раза превышает коэффициент теплоотдачи для гладкой поверхности (в области развитого кипения), значения КТО для поверхности № 2, как отмечалось, находятся заметно ниже. Интенсификации теплоотдачи на микроштырьковой поверхности № 3 в сравнении с гладкой поверхностью в режиме кипения не наблюдается, что можно связать с отсутствием полузакрытых микропор, способствующих увеличению плотности центров парообразования. Развитая по сравнению с гладкой поверхностью площадь поверхности № 3, тем не менее, приводит к увеличению КТО в режиме испарения пленки жидкости (примерно в 2 раза по сравнению с гладкой поверхностью).
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-08-00489) и РНФ (проект № 14-49-00010: изучение интенсификации теплообмена в стекающих пленках с использованием микроштырьковых структур тепловыделяющей поверхности)
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Попов И. А., Махянов Х. М., Гуреев В. М. Физические основы и промышленное применение интенсификации теплообмена. Интенсификация теплообмена. - Казань: Центр инновац. технологий, 2009. - 560 с.
2. Webb R. L. Odyssey of the enhanced boiling surface // J. Heat Transf. - 2004. Vol. 126 (6). - P. 1051-1059.
3. Thors P., Zoubkov N. Method for making enhanced heat transfer surfaces. Patent No. US 8573022 B2, Int. B21D53/01. - November 5, 2013.
4. Pecherkin N. I., Pavlenko A. N., Volodin O. A. Heat transfer and critical heat flux at evaporation and boiling in refrigerant mixture films falling down the tube with structured surfaces // Int. J. Heat and Mass Transfer. - 2015. - Vol. 90 (11). - P. 149-158.
5. Павленко А. Н., Печеркин Н. И., Володин О. А. Теплообмен и кризисные явления в стекающих пленках жидкости при испарении и кипении. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2016. - 196 с.
6. Влияние типа структурирования поверхности на теплоотдачу при испарении и кипении в стекающих пленках / О. А. Володин, Н. И. Печеркин, А. Н. Павленко, Н. Н.Зубков, Ю. Л. Битюцкая // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2017» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). -Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 1. - С. 157-162.
REFERENCES
1. Popov I. A., Mahyanov H. M., Gureev V. M. Physical basis and industrial application of heat transfer intensification: Heat transfer intensification. - Kazan: Innovative technologies center, 2009. - 560 p. [in Russian].
2. Webb R. L. Odyssey of the enhanced boiling surface // J. Heat Transf. - 2004. Vol. 126 (6). - P. 1051-1059.
3. Thors P., Zoubkov N. Method for making enhanced heat transfer surfaces. Patent No. US 8573022 B2, Int. B21D53/01. - November 5, 2013.
4. Pecherkin N. I., Pavlenko A. N., Volodin O. A. Heat transfer and critical heat flux at evaporation and boiling in refrigerant mixture films falling down the tube with structured surfaces // Int. J. Heat and Mass Transfer. - 2015. - Vol. 90 (11). - P. 149-158.
5. Pavlenko A. N., Pecherkin N. I., Volodin O. A. Heat transfer and crisis phenomena in the falling liquid films at evaporation and boiling. - Novosibirsk: SB RAS Press, 2016. - 196 p. [in Russian].
6. Volodin O. A., Pecherkin N. I., Pavlenko A. N., Zubkov N. N., Bityutskaya Yu. L. Influence of surface structuring type on heat transfer at evaporation and boiling in falling films // In Sbornik materialov Interekspo Geo-Sibir'-2017: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 1. SibOptika-2017 [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2014: International Scientific Conference: Vol. 1. SibOptics-2014] (pp. 157-162). Novosibirsk: SSGA [in Russian].
© О. А. Володин, Н. И. Печеркин, А. Н. Павленко, Н. Н. Зубков, 2018
