CC BY
94
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2016 ISSN 2410-6070
К этим переменам нужно готовиться заранее, развивая физическое мышление и физическую интуицию, а заодно корректируя собственный здравый смысл. Лучшим средством для развития этих качеств ума являются размышления над задачами, подобными рассмотренным здесь и в статьях [5,6]. Это подготовит к правильному пониманию фундаментальных основ физики [7] и облегчит процесс освобождения от ложных и амбициозных теорий, ошибочно возведенных в ранг гениальных. Список использованной литературы:
1. Лагранж Ж. Аналитическая механика.-М.: ГИТТЛ, 1950. т.1, 594с.
2. Эйнштейн А. Собрание научных трудов.-М.: Наука, 1967, т.4, 599 с.
3. Крылов А.Н. Воспоминания и очерки.-М.: АН СССР, 1956, 884 с.
4. Ньютон И. Математические начала натуральной философии. Петроград: Известия Николаевской Морской Академии, 1915-1916. 620 с.
5. Емельянов А.В., Емельянов И.А. Физическая природа замедленного всплытия поплавка во вращающейся жидкости. Инновационная наука. 2016, №4, с. 24-28.
6. Емельянов А.В., Емельянов Л.А. Исследование движений в неидеальной жидкости твердой капсулы, внутри которой перемещается точечная масса. Южно-Сибирский научный вестник, 2015, №3(11), с.54-58.
7. Емельянов А.В., Емельянов И.А. Опыт и фундаментальные истины физики. Международный конгресс «Фундаментальные проблемы естествознания и техники». Санкт-Петербург, 2016. Серия: Проблемы исследования Вселенной. Ч.37, №1, с.114-166. (http://scicom.ru/files/joumal/v37/N1/10.pdf)
© Емельянов А.В., Емельянов И.А., 2016
УДК 536.248
А.Н. Павленко
чл.-корр. РАН, д.ф.-м.н., зав. лаб. низкотемпературной теплофизики Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
Н.И. Печеркин
к.т.н., с.н.с. лаборатории низкотемпературной теплофизики Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
О.А. Володин
к.ф.-м.н., н.с. лаборатории низкотемпературной теплофизики Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН г. Новосибирск, Российская Федерация
ИСПАРЕНИЕ И КИПЕНИЕ ПЛЕНКИ СМЕСИ ХЛАДОНОВ, СТЕКАЮЩЕЙ ПО ЦИЛИНДРУ С СЕТЧАТЫМ ПОКРЫТИЕМ
Аннотация
Представленные экспериментальные данные дополняют результаты, ранее полученные авторами при исследовании теплообмена в стекающих пленках по вертикальным цилиндрам с сетчатыми покрытиями. В работе исследуется теплообмен при течении пленки жидкости на покрытии с наиболее крупным в ряду размером ячейки (6^6 мм). В качестве рабочей жидкости использовалась смесь хладонов R114 и Я21. Число Рейнольдса изменялось в диапазоне 100-400. Описаны особенности характера течения жидкости на данной поверхности. Показано, что коэффициенты теплоотдачи в режиме испарения на поверхности с крупной сеткой в два раза превышают соответствующие значения для гладкой поверхности.
Ключевые слова
Стекающие пленки, теплообмен, испарение, пузырьковое кипение, сетчатые покрытия,
хладоны, бинарные смеси.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2016 ISSN 2410-6070_
Введение. Широко зарекомендовавшие себя в качестве эффективного средства межфазного теплообмена во второй половине прошлого века пленочные течения жидкости продолжают активно использоваться во множестве современных технологических процессов: при дистилляции, выпаривании, абсорбции и т.д. В научной литературе появляются новые теоретические и экспериментальные работы [5, 9, 14], обзорные статьи [12] и монографии [6, 10], посвященные данной тематике, возникают целые новые научные направления, так или иначе связанные с пленочными течениями, например, микрофлюидика и нанофлюидика [12].
Наиболее актуальной с точки зрения теплофизики в данной области остается задача интенсификации теплообмена в стекающих пленках жидкости. В то время как для интенсификации теплообмена при кипении или конденсации в условиях большого объема разработаны и успешно применяются специальные теплообменные поверхности [7], для пленочных течений пока почти нет таких широко используемых, внедренных в промышленность структурированных поверхностей.
В предыдущих исследованиях авторов было показано, что установка на теплообменную поверхность сетчатого покрытия приводит к увеличению поверхности теплообмена, появлению менисков по всему периметру ячеек сетки и, соответственно, уменьшению локальной толщины пленки внутри ячеек [2, 6, 14]. Это способствует увеличению коэффициента теплоотдачи при испарении пленки [2, 6, 14, 15], а появление добавочных микровпадин на поверхности с покрытием может способствовать развитию пузырькового кипения в пленке жидкости при меньших тепловых потоках и температурных напорах, чем в случае гладкой поверхности [2, 6].
В настоящий момент в научной литературе практически отсутствуют систематизированные исследования теплообмена при пленочном течении маловязких высокосмачивающих жидкостей на структурированных поверхностях. Данная работа расширяет и дополняет ранее полученные авторами результаты по применению сетчатых покрытий различной геометрии для интенсификации теплообмена при испарении пленок маловязких жидкостей. Полученные результаты могут быть практически полезны при разработке и внедрении в промышленности структурированных труб и других поверхностей, предназначенных для интенсификации тепломассобмена при пленочных течениях жидкости. Экспериментальные данные, полученные с использованием в качестве рабочей жидкости смеси хладонов, могут быть полезны для моделирования теплообменных процессов в холодильной, теплонасосной и криогенной технике.
Методика проведения экспериментов. Принципиальная схема экспериментальной установки для изучения теплообмена при пленочном течении бинарных смесей хладонов показана на рис. 1. Подробное описание экспериментальной установки приведено в [1, 4].
Вход жидкости
состава смеси
Рисунок 1 - Схема установки для изучения теплообмена при пленочном течении смесей хладонов: 1 -теплоизолированная колонна; 2 - расходный бак; 3 - рабочий участок; 4 - зона обогрева рабочего участка; 5 - приемный коллектор, 6 - термопары на стенке рабочего участка, 7 - места измерения температуры жидкой фазы; 8 - места измерения температуры паровой фазы; 9 - окна.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2016 ISSN 2410-6070_
Течение пленки бинарной смеси хладонов R114/R21 осуществлялось на вертикально ориентированных цилиндрах из латуни ЛС59 диаметром 50 мм. Толщина стенки цилиндра составляла 1.5 мм. Протяженность зоны тепловыделения вдоль течения - 50 мм. Эксперименты проводились как на гладком эталонном участке (рис. 2 а), так и на участке с сетчатым покрытием (рис. 2 б). В качестве покрытия использовалась стальная сетка с размером ячейки 6^6 мм и диаметром проволоки 0.7 мм, см. Таблица 1, № 4. Размер ячейки в свету составлял 5.3 мм.
В предыдущих экспериментах авторами использовались металлические сетки из латуни и нержавеющей стали с различными размерами и ориентацией ячеек, Таблица 1.
Таблица 1
Параметры исследованных сетчатых покрытий
№№ Материал Размер ячейки, мм Диаметр проволоки, мм Ориентация сетки
1 Латунь 1.6x1.6 0.4 Вертикальная (квадратные ячейки)
2 Латунь 1.6x1.6 0.4 Диагональная, 45° (ромбовидные ячейки)
3 Нерж. сталь 3.0x3.3 0.5 Вертикальная (квадратные ячейки)
4 Нерж. сталь 6.0x6.0 0.7 Вертикальная (настоящее исследование)
Для используемой в работе смеси хладонов значения постоянной Лапласа и средней толщины Нуссельта пленки составляли А = 1.1 мм и I н = 0.1 мм, соответственно. Такие параметры структуры сетчатого покрытия оказывают влияние на гидродинамику течения пленки и, вследствие этого, на интенсивность испарения жидкости. Также, используемые сетчатые покрытия могут оказывать влияние на динамику развития пузырькового кипения.
Направление проволочек сетки было вертикальным. К поверхности цилиндра проволочки сетки прилегали в местах пересечения друг с другом, образуя регулярно расположенные контактные точки (рис. 2б). Размер распределительной щели составлял 100 мкм.
а б
Рисунок 2 - Рабочие участки: а - гладкий цилиндр из латуни; б - цилиндр из латуни со стальным сетчатым покрытием (размер ячейки 6x6 мм)
Для обогрева рабочего участка использовался нагревательный элемент длиной 50 мм. Верхняя граница зоны тепловыделения находилась на расстоянии 100 мм от щелевого распределителя жидкости, что обеспечивало течение пленки жидкости по тепловыделяющей поверхности в режиме гидродинамической стабилизации. Для измерения локальной температуры поверхности по высоте тепловыделяющего участка трубы было установлено пять медь-константановых термопар диаметром 0.18 мм, заделанных заподлицо с поверхностью трубы. Шаг между термопарами составлял 14 мм, расстояние между началом зоны тепловыделения и верхней термопарой - 7 мм. Холодные спаи термопар,
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2016 ISSN 2410-6070_
погруженные в слой жидкости на дне колонны, находились при одинаковой температуре, которая измерялась терморезистором HEL-700. Для теплоизоляции от дна колонны холодные спаи термопар и терморезистор были закреплены на фторопластовой подложке. Температура в различных участках рабочего объема экспериментальной колонны контролировалась с помощью платиновых терморезисторов. Температура жидкости измерялась в сосуде перед рабочим участком, в сборном стаканчике непосредственно после рабочего участка, и в нижней части колонны. Температура паровой фазы измерялась в верхней, средней и нижней частях колонны. Абсолютное давление в колонне измерялось манометром Метран-100, расход жидкости - расходомером CORI-FLOW фирмы Bronkhorst, позволяющим измерять массовый расход жидкости в диапазоне 0-100 кг/ч. Мольная концентрация компонентов бинарной смеси фреонов измерялась методом газовой хроматографии. Измерение состава смеси производилось до и после рабочего участка.
Визуализация и запись процесса кипения пленки жидкости, осуществлялась с помощью высокоскоростной цифровой видеокамеры Phantom 7.0 с частотой 1000 кадров в секунду. Эксперименты проводились в стационарных условиях. Циркулирующая по замкнутому контуру бинарная смесь фреонов R21/R114 во время эксперимента находилась в условиях насыщения. Начальная концентрация легкокипящего компонента R114 составляла 15 %. Эксперименты проводились при давлении 2.4-2.7 бар. Число Рейнольдса изменялось в диапазоне 100-400 и определялось как Re=Q/(ndv), где Q - объемный расход жидкости, м3/с; d - диаметр трубы, м; v - кинематическая вязкость жидкости, м2/с. Величина плотности теплового потока q во время опытов варьировалась от 0 до 6104 Вт/м2. Утечки тепла с торцов обогреваемого участка, согласно расчетам, составляли не более 10 %.
Результаты и обсуждение. Высокоскоростная видеосъемка позволила выявить следующие особенности течения пленки на исследуемой сетчатой поверхности. При малых числах Рейнольдса на входе (Re = 108-218) наблюдался характерный пульсирующий характер стекания струй жидкости вдоль вертикальных проволочек сетки, напоминающий срыв дождевых капель. Жидкость накапливалась в верхних узлах сетчатого покрытия, затем, при превышении гравитационных сил над капиллярными, накопившаяся жидкость срывалась вниз (рис. 3 а-в) и стекала в виде струй вдоль вертикальных проволочек сетки. Момент срыва, как правило, совпадал с прохождением по структурированной поверхности очередной крупной волны. Измерения показали, что скорость наблюдаемых струй примерно равна скорости крупных волн и составляет около: с ~ 0.3 м/с для Re ~ 100-200. Данное значение скорости также хорошо совпадает по величине с ранее полученными значениями скорости крупных волн для гладкой и структурированных поверхностей [1, 4, 6].
При больших числах Рейнольдса срыв жидкости не носил указанного выше пульсирующего характера, наблюдаемого при числах Рейнольдса 108-218, визуально наблюдалось лишь скопление
а б в г
Рисунок 3 - а-в: - распространение пульсирующих струй вниз по потоку (Re = 110), г - скопление жидкости в узлах сетки (Re = 280). Видно начало кипения в нижней части обогреваемой поверхности.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2016 ISSN 2410-6070_
Процесс кипения на сетке также имеет некоторые особенности. Как показала видеосъемка, пузырьки пара начинают формироваться в верхней части области тепловыделения в местах контакта проволочки с тепловыделяющей поверхностью. Затем, продолжая расти, они смещаются вниз по потоку. При достижении диаметра, равного примерно 5 мм, пузырьки схлопываются. Появление таких крупных пузырей (диаметром 5-7 мм) и ранее наблюдалось авторами на гладких и структурированных поверхностях различной геометрии. Такое несколько нетипичное кипение жидкости напоминает вспенивание и, видимо, является характерной особенностью процесса парообразования в смесях [6], поскольку чистые жидкости не пенятся.
Рисунок 4 - Кипение на участке с сетчатым покрытием.
Выбранная для экспериментальной серии смесь хладагентов R114 и Я21 позволяет моделировать различные химико-технологические процессы в промышленности, криогенной технике. Данные хладагенты являются маловязкими высокосмачивающими веществами с низкими температурами кипения (3.5 и 8.7 °С, соответственно, при атмосферном давлении).
В ранее проведенных авторами экспериментах начальная концентрация легкокипящего хладона R114 в бинарной смеси варьировалась от 0 до 19 %. При таких концентрациях данная смесь не является азеотропной, следовательно, испарение ее компонентов происходит неравномерно.
Диаграмма зависимости концентрации летучего компонента от времени при увеличении тепловой нагрузки приведена в работах [1, 4, 6], где было показано, что концентрация R114 во время интенсивного испарения пленки смеси заметно уменьшается (на 3-4 % при околокризисных тепловых нагрузках). В настоящей работе концентрация R114 уменьшалась от 15 % до 13 %, то есть на 2 % при максимальных тепловых потоках и небольших расходах жидкости. Однако, согласно проведенным оценкам, в режиме испарения пленки воздействие термоконцентрационной конвекции, которое могло бы повлиять на гидродинамику пленочного течения и, соответственно, на коэффициент теплоотдачи, оказывается незначительным. Оценка скорости жидкости, обусловленной термоконцентрационным эффектом, приведенная в [15], дает величину ~ 10-3 м/с, что на два порядка меньше рассчитанной средней скорости жидкости в остаточном слое (~ 0.1 м/с).
Тем не менее, следует учитывать, что вследствие уменьшения концентрации легкокипящего компонента в смеси температура насыщения жидкости на выходе из рабочего участка увеличивается. Поэтому для уменьшения погрешности при расчете интегральных коэффициентов теплоотдачи в работе использовались средние значения температуры насыщения между входом и выходом тепловыделяющего участка.
На рис. 5 а, б показаны зависимости осредненного по длине коэффициента теплоотдачи от плотности теплового для различных сетчатых покрытий в сравнении с результатами для гладкой поверхности. При
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2016 ISSN 2410-6070_
расчете плотности теплового потока увеличение площади структурированной теплоотдающей поверхности за счет наличия сетки не учитывалось.
8000 7000 6000 2' 5000
m 4000
3000 2000 1000 0
о
о
i X □ ° £ А О гладкая поверхность
: X Е i ЕА IB О А о □ 1.6 мы АЗ.З мы
оо о о О У-6 ым
0.0
1.0
2.0
3.0 4.0
q, 10 4 Вт/м2
5.0
6.0
7.0
а
б
Рисунок 5 - Зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока для гладкой поверхности и сетчатых покрытий с различным размером ячейки. а - Яе = 160, б - Яе = 260.
Из рис. 5 видно, что опытные данные для коэффициента теплоотдачи в режиме испарения на крупной сетке близки по величине к значениям теплоотдачи для сетчатых покрытий с меньшим размером ячеек и примерно в два раза превышают значения теплоотдачи, полученные для гладкой поверхности.
Для гладкой поверхности явно видно различие в зависимости коэффициента теплоотдачи от теплового потока в режимах испарения и пузырькового кипения. Коэффициент теплоотдачи в режиме испарения (при q < 1104 Вт/м2) на гладкой поверхности практически не зависит от теплового потока. Для сетчатых покрытий, согласно визуальным наблюдениям, пузырьковое кипение также начинается при q > 1-104 Вт/м2 или несколько раньше при q ~ 0.7-104 Вт/м2 на сетчатых покрытиях с мелкими ячейками [2]. Однако видно, что коэффициент теплоотдачи в режиме испарения, как правило, увеличивается с ростом
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2016 ISSN 2410-6070_
теплового потока.
Увеличение коэффициента теплоотдачи в режиме испарения на сетке, по-видимому, связано с вызванным капиллярными силами изменением гидродинамики волнового течения пленки и ее перераспределением по сечению теплоотдающей поверхности. При этом, как показывает высокоскоростная видеосъемка, по периметру ячеек сетки образуются мениски с характерными областями утончения пленки в центральной части ячеек, что, как известно, может приводить к существенному увеличению теплоотдачи. Некоторый дополнительный вклад в перенос тепла по сравнению с гладкой поверхностью также может вносить теплопередача от стенки через контактные точки сетки.
В режиме развитого пузырькового кипения (q > 1104 Вт/м2) заметного увеличения коэффициентов теплоотдачи по сравнению с гладкой поверхностью не наблюдается (рис. 5 а, б).
На рис. 6 приведены данные по коэффициенту теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении для различных чисел Рейнольдса, а также сравнение с расчетной зависимостью [3] для кипения в пленке жидкости, стекающей по гладкой поверхности. Из рис. 6 видно, что данные по кипению на крупной сетке удовлетворительно совпадают с расчетом для гладкой поверхности.
Параметры исследуемых авторами сетчатых покрытий оказывают существенное влияние на гидродинамику течения пленки (перераспределение жидкости по сечению, увеличение поверхности испарения) и, вследствие этого, на интенсивность теплоотдачи при испарении пленки жидкости. Однако для достижения интенсификации теплоотдачи при пузырьковом кипении необходимо использовать поверхности с упорядоченной микротекстурой - микрорельефом, характеристики которого способствуют созданию большего количества центров парообразования, приводят к более раннему началу кипения и снижению температурных напоров, и, таким образом, достижению более высоких коэффициентов теплоотдачи и увеличению критического теплового потока [8, 11].
2.0
ц, 10"4 Вт/м2
Рисунок 6 - Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении на сетчатом покрытии от плотности теплового потока для различных чисел Рейнольдса.
Заключение
Получены новые опытные данные по влиянию сетчатого покрытия с крупным размером ячейки на коэффициент теплоотдачи в режимах испарения и кипения пленки смеси хладонов. Показано, что коэффициент теплоотдачи в режиме испарения увеличивается примерно в два раза по сравнению с гладкой поверхностью. Интенсификация теплообмена в режиме испарения на поверхности с сетчатым покрытием обусловлена образованием менисков по периметру ячеек сетки и существенным перераспределением
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2016 ISSN 2410-6070_
жидкости по поверхности.
В режиме пузырькового кипения увеличения коэффициентов теплоотдачи по сравнению с гладкой поверхностью не наблюдается. Для достижения интенсификации теплоотдачи при пузырьковом кипении необходимо тестировать и внедрять поверхности с микрорельефом, по аналогии с поверхностями типа «High Flux», «Gewa-Т», «Thermoexcel-E» и другими, успешно зарекомендовавшими себя в условиях кипения в большом объеме жидкости. Характеристики таких поверхностей способствуют созданию большего количества центров парообразования, приводят к более раннему началу кипения и снижению температурных напоров, таким образом, способствуя достижению более высоких коэффициентов теплоотдачи и увеличению критического теплового потока.
Исследование выполнено в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-4900010).
Список использованной литературы:
1. Володин О.А., Печеркин Н.И. Теплообмен и кризисные явления в пленках смесей фреонов, стекающих по структурированной поверхности // Тепловые процессы в технике. 2012. Т. 4, № 2. С. 56-67.
2. Володин О.А., Павленко А.Н., Печеркин Н.И., Сердюков В.С. Испарение и кипение пленки бинарной смеси хладонов на вертикальном цилиндре с сетчатым покрытием // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. 2014. Т. 9, № 1. С. 70-78.
3. Гогонин И.И. Теплообмен при кипении жидкости в пленке, движущейся под действием силы тяжести // ИФЖ. 2010. № 4. С. 821-826.
4. Павленко А.Н., Печеркин Н.И., Володин О.А. Теплообмен и кризисные явления при кипении в пленках смесей фреонов, стекающих по оребренной трубе // Теплофизика и аэромеханика. 2012. Т. 19, № 1. С. 143-154.
5. Павленко А.Н., Цой А.Н., Суртаев А.С., Кузнецов Д.В., Сердюков В.С. Влияние низкотеплопроводного покрытия на динамику повторного смачивания перегретой пластины стекающей пленкой жидкости // Теплофизика высоких температур. 2016. Т. 54, Вып. 3. С. 393-400.
6. 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.
7. 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.
8. Попов И.А., Щелчков А.В. Кипение различных жидкостей на микроструктурированных поверхностях // Инженерно-физический журнал. 2014. Т.87, № 6. С. 1362-1374.
9. Чиннов Е.А., Шатский Е.Н. Воздействие на контактную линию посредством искусственных возмущений в неизотермической пленке жидкости // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52, Вып. 3. С. 477-480.
10. Blossey R. Thin Liquid Films: Dewetting and Polymer Flow // Springer Science & Business Media. 2012. 154 p.
11.Christians M., Thome J.R. Falling film evaporation on enhanced tubes, part 1: Experimental results for pool boiling, onset-of-dryout and falling film evaporation // Int. J. of Refrigeration. 2012. Vol. 35, № 2. P. 300-312.
12.Craster R.V., Matar O.K. Dynamics and stability of thin liquid films // Reviews of modern physics. 2009. Vol. 81. P.1131-1198.
13.Lel V., Stadler H., Pavlenko A., Kneer R. Evolution of metastable quasi-regular structures in heated wavy liquid films // Heat Mass Transfer. 2007. Vol. 43 (5). P. 450-462.
14.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 // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. Vol. 90. P. 149-158.
15.Salvagnini W., Taqueda M. A Falling-Film Evaporator with Film Promoters // Ind. Eng. Chem. Res. 2004. Vol. 43 (21). P. 6832-6835.
© Павленко А.Н., Печеркин Н.И., Володин О.А., 2016
