CC BY
7
УДК 536.248.2:536.46
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ТЕПЛООБМЕНА В МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ АППАРАТАХ
Владимир Васильевич Кузнецов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, профессор, зав. отделом, тел. (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
Герман Васильевич Барткус
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск,
пр. Академика Лаврентьева, 1, аспирант, инженер-исследователь, тел. (913)750-13-11, e-mail: germanbartkus@gmail.com
Игорь Анатольевич Козулин
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (923)182-08-97, e-mail: i.a.kozulin@yandex.ru
В работе рассмотрено применение оптических методов для исследования локальных характеристик теплообмена в сложных канальных системах современных тепломассообменных аппаратов. На основе детальной информации о структуре течений выявлены закономерности тепло- и массопереноса в структурных насадках и двухфазных компактных теплообменниках.
Ключевые слова: компактные микроструктурированные аппараты, оптические методы, тепло- и массоперенос.
APPLYING OPTICAL METHODS TO INVESTIGATION OF HEAT EXCHANGE LOCAL CHARACTERISTICS IN MICROSTRUCTURED DEVICES
Vladimir V. Kuznetsov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Professor, Head of Multiphase Systems Laboratory, phone: (383)330-71-21, e-mail: vladkuz@itp.nsc.ru
German V. Bartkus
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D. Student, Engineer-researcher, phone: (913)750-13-11, e-mail: germanbartkus@gmail.com
Igor A. Kozulin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (923)182-08-97, e-mail: i.a.kozulin@yandex.ru
The optical methods application for local characteristics studying of heat exchange in complex channel systems of modern heat and mass transfer devices are considered. Based on detailed data about flow structure the heat and mass transfer mechanisms in structural packing and two-phase compact heat-exchangers are identified.
Key words: compact microstructure devices, optical methods, heat and mass transfer.
Теплофизические исследования процессов теплообмена в сложных канальных системах микроструктурированных теплообменных аппаратов интенсивно проводятся в ведущих мировых научных центрах и университетах, что обусловлено их рекордными характеристиками по удельной поверхности и интенсификации процессов тепломассопереноса. Основным направлением в данной области является использование результатов экспериментальных работ, и разработка математических моделей. Представляют интерес физические процессы в сложных канальных системах микроструктурированных устройств с рекордной удельной поверхностью [1], активно развиваются экспериментальные исследования по изучению процессов тепломассообмена в компактных пластинчато-ребристых теплообменниках [2].
В работе рассмотрено применение инфракрасной термометрии для измерения локальных коэффициентов теплообмена в структурных насадках, и применение лазерного ножа и лазерно-индуцированной флюоресценции для измерения локальной толщины пленки жидкости в каналах пластинчато-ребристых теплообменников.
Одним из перспективных методов увеличения площади контакта фаз и интенсификации процессов теплообмена является применение структурных насадок. Схема течения жидкости на поверхности корругированных листов структурной насадки показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема течения жидкости в структурной насадке
Газ или пар движется в каналах насадки сложной формы, обеспечивая высокие значения коэффициентов тепло- и массообмена. Для определения коэффициентов теплоотдачи со стороны потока газа проведены измерения локальной температуры стенки с использованием метода инфракрасной термометрии
при отсутствии течения жидкости. Экспериментальный участок представлял собой два корругированных листа из нержавеющей стали, плотно прижатые друг к другу. На внешнюю поверхность листов было нанесено термочувствительное покрытие на основе жидких кристаллов, температура которого измерялась тепловизионной камерой. Нагрев листов проводился электрическим током.
На рис. 2, а представлено распределение температуры по периметру насадки в сечении, перпендикулярном к направлению течения газа в канале. Как видно, наибольшая температура листа насадки наблюдается в ее долине, а наименьшая температура наблюдается вблизи вершины листа насадки. Таким образом, поток газа неравномерно охлаждает поверхность листов насадки, что свидетельствует о значительной неравномерности локальных коэффициентов теплоотдачи по ее поверхности. Измерения профиля компонент скорости с помощью лазерного допплеровского анемометра показали, что газ движется главным образом вдоль каналов, расположенных под углом друг к другу, и потоки взаимодействуют в тонком слое смешения, при этом в соседних каналах образуется два вихревых течения с интенсивным обменом.
Рис. 2. Распределение температуры по поверхности для ReG = 3100 (а) и сравнение измеренного коэффициента теплоотдачи с расчетом для насадки Koch 1Y (б)
Используя установленные закономерности течения газа, разработан метод расчета локального теплообмена и массообмена в сложных канальных системах структурированных насадок, основанный на детальной структуре течения газа, полученной с использованием оптических методов. Расчёт теплоотдачи (массо-отдачи) проведем с учётом влияния массовых сил и высокой степени турбулентности потока в каналах структурированной насадки. Соотношениями клас-
сическои теории пограничного слоя определяется напряжение трения на стенке канала с учетом относительной функции, учитывающей фактор влияния степени турбулентности. Напряжение трения в слое смешения, вызывающее закрутку потока, рассчитывалось для слоя смешения по известному соотношению [3]. Безразмерный средний коэффициент теплоотдачи на поверхности листов насадки определяется как суперпозиция коэффициентов теплоотдачи:
NuDh = Dh/lw ( Nui + Nus ).
Коэффициенты теплоотдачи Nul и Nus в пограничных слоях до и после разделения потоков используем относительные законы массообмена [4] с поправкой на влияние степени внешней турбулентности.
Сравнение расчета коэффициента теплоотдачи для структурированной насадки Koch 1Y с экспериментальными данными, полученными на основе инфракрасной термометрии для угла раскрытия каналов 45 градусов, приведено на рис. 2, б. Как видно, построенная модель теплообмена в каналах структурной насадки, учитывающая самопроизвольную закрутку потока из-за взаимодействия потоков в слое смешения, достаточно хорошо описывает экспериментальные данные в широком диапазоне чисел Рейнольдса.
Одним из методов увеличения поверхности контакта фаз является применение пластинчато-ребристых теплообменников с каналами, показанными на рис. 3, а. Для поддержания высоких значений коэффициента теплоотдачи в канальных системах теплообменников необходима малая толщина пленки жидкости. Схема измерения локальной толщины пленки жидкости с использованием лазерно-индуцированной флюоресценции (ц-LIF) показана на рис. 3, б. В качестве красителя выбран Родамин 6Ж. Для определения интенсивности переизлученного света использовался светофильтр ОС-12 (3) и видеокамера Optronis CX600x2 (2).
а)
б)
Рис. 3. Каналы пластинчато-ребристого теплообменника (а) схема измерения толщины пленки (б)
На рис. 4, а приведено изменение формы поверхности жидкости по длине стеклянного миниканала с сечением 2х7 мм при опускном течении керосина без потока воздуха при ReL=14. Регистрация формы поверхности жидкости проводилась с использованием лазерного ножа и фотосъемки через нижнее прозрачное дно канала. Как видно, влияние капиллярных сил приводит к стягиванию жидкости в углы канала и формированию тонкой пленки жидкости на длинной стороне канала.
На рис. 4, б приведена динамика изменения толщины пленки во времени, полученная методом лазерно-индуцированной флюоресценции при течении смеси вода-воздух в канале с сечением 0.72х1.50 мм для приведенных скоростей жидкости и газа JL=0.08 м/с и JG=0.23 м/с. Как видно, толщина пленки жидкости существенно неравномерна по периметру канала и ее толщина не превышает 14 микрон. Под воздействием капиллярных сил поверхность изгибается и жидкость стягивается в углы канала. В центре канала толщина жидкости имеет максимальное значение, измерение толщина пленки жидкости вблизи боковых стенок требует проведения дополнительных экспериментов.
а)
84-, 70 56. 4228 14-1 0
0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50
мм
б)
Рис. 4. Изменение формы поверхности жидкости по длине канала (а) и локальная толщина пленки для смеси вода-воздух, JL=0.08 м/с и JG=0.23 м/с (б)
Использование лазерных методов, позволило количественно охарактеризовать теплофизические процессы в микроструктурированных тепломассообменных аппаратах. Выявленные механизмы течения газа в каналах структурной насадки позволили разработать модель тепломассообменных процессов, хорошо соответствующую экспериментальным данным. Экспериментальные данные по влиянию капиллярных сил на локальную толщину пленки жидкости показывают значительное изменение толщины пленки и определяют достижимую толщину пленки в двухфазных компактных теплообменниках на основе миниканалов.
Работа выполнена в ИТ СО РАН за счет гранта РНФ (№ 14-49-00010).
224
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Hanley B., Chen C. C. New mass transfer correlations for packed towers // AIChE journal. - 2012. - Т. 58. - №. 1. - С. 132-152.
2. Robertson J. M., Lovegrove P. C. Boiling heat transfer with Freon 11 (R11) in brazed aluminum, plate-fin heat exchangers //Journal of Heat Transfer. - 1983. - Т. 105. - №. 3. -С. 605-610.
3. Бадатов Е.В., Слинько М.Г., Накоряков В.Е. Математическое моделирование процессов переноса в отрывных течениях с турбулентной областью смешения // ТОХТ. -1970. -Т. 4, № 6. - С. 868-874.
4. Щукин В.К., Халатов А. А. Теплообмен, массообмен и гидродинамика закрученных потоков в осесимметричных каналах // М.: Машиностроение. -1982. - C. 200.
REFERENCES
1. Hanley, B., & Chen, C. C. (2012), New mass transfer correlations for packed towers. AIChE journal, 58(1), 132-152.
2. Robertson, J. M., & Lovegrove, P. C. (1983). Boiling heat transfer with Freon 11 (R11) in brazed aluminum, plate-fin heat exchangers. Journal of heat transfer, 105(3), 605-610.
3. Badatov, E. V., Slinko, M. G., Nakoryakov, V. E. (1970). Mathematical modelling of the transport processes in the detachment flows with a turbulent mixing region. TOHT' [Theoretical Foundations of Chemical Engineering], 4(6), 868-874 [in Russian].
4. Shukin, V. K., Khalatov, A. A. (1982) Heat transfer, mass transfer and hydrodynamics of swirling in axisymmetric channels. Moscow: Mashinostroenie, 200 [in Russian].
© В. В. Кузнецов, Г. В. Барткус, И. А. Козулин, 2018
