CC BY
25
УДК 532.51:536.248.2
ПРИМЕНЕНИЕ СЕТЧАТЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В СТЕКАЮЩИХ ПЛЕНКАХ
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: [email protected]
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: [email protected]
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: [email protected]
Луонг Чжан
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, тел. (383)330-84-80, e-mail: [email protected]
Хонг Ли
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-84-80, e-mail: [email protected]
В работе представлены результаты изучения особенностей течения и теплообмена в стекающих пленках бинарной смеси хладонов на вертикальных цилиндрах с сетчатыми покрытиями. Показано, что коэффициенты теплоотдачи в режиме испарения на поверхности с сетчатым покрытием возрастают по сравнению с гладкой поверхностью. Интенсификация теплообмена зависит от размера ячеек сетки и их ориентации на поверхности. Кипение на поверхности с сетчатым покрытием начинается при меньших температурных напорах.
Ключевые слова: стекающие пленки, теплообмен, интенсификация, кипение, испарение, сетчатые покрытия.
APPLICATION OF MESH COATING FOR HEAT TRANSFER INTENSIFICATION IN FALLING FILMS
Аleksandr N. Pavlenko
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, Corresponding Member of RAS, D. Sc., head of Low Temperature Thermophysics Laboratory, tel. (383)328-43-87, e-mail: [email protected]
Nikolay I. Pecherkin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Акаёеш1к Lavrentiev Prospect, senior researcher, tel. (383)316-50-49, e-mail: [email protected]
Oleg A. Volodin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, senior researcher, tel. (383)330-87-00, e-mail: [email protected]
Luhong Zhang
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., Professor, tel. (383)330-84-80, e-mail: [email protected]
Hong Li
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., senior researcher, tel. (383)330-84-80, e-mail: [email protected]
The paper presents the results of flow and heat transfer studying in falling films of binary mixtures of fluorocarbon refrigerants on vertical tubes with mesh coatings. It is shown that the heat transfer coefficients at evaporation on the surface with mesh coating increase as compared with a smooth surface. Heat transfer enhancement depends on the size of the grid cells and their orientation on the surface. Boiling on the surface with mesh coating begins at a lower temperature difference.
Key words: falling liquid film, heat transfer, intensification, evaporation, nucleate boiling, mesh coating.
Пленочные течения жидкости широко используются в различных технологических процессах (абсорбция, ректификация, выпаривание, тепловая защита, охлаждение и др.). Появляются новые приложения исследований, например, получение биотоплива при выпаривании растворов в пленочных аппаратах. Развиваются исследования кипения на поверхностях с нанорельефом, на структурированных поверхностях, а также на поверхностях с сетчатыми покрытиями.
В литературе имеются данные, которые показывают многократную интенсификацию теплообмена в стекающих пленках на структурированных поверхностях. В работах [1, 2] разработана модель теплоотдачи, основанная на испарении микрослоя жидкости на вершинах ребер в верхней части горизонтальной трубы. Результаты моделирования теплообмена и результаты экспериментов при течении пленки хладона R11 на поверхности горизонтальных труб с различной геометрией оребрения показывают, что коэффициенты теплоотдачи в ламинарно-волновом режиме течения увеличиваются с увеличением плотности орошения. Основным механизмом увеличения теплоотдачи является периодическое смачивание ребер на верхней части оребренной трубы волнами возмущения и испарением очень тонкой пленки, возникающей в результате этого процесса. Коэффициенты теплоотдачи в режиме пузырькового кипения на такой поверхности также существенно возрастают по сравнению с гладкой поверхностью. Согласно этой модели, интенсификация теплообмена в режиме испарения ламинарно-волновой пленки хладона R11 на горизонтальной оребрен-ной трубе может достигать восьмикратной величины.
При больших тепловых потоках, в режиме развитого пузырькового кипения, эффективным средством увеличения коэффициентов теплоотдачи является нанесение сетчатого покрытия на оребренную поверхность [3]. Важную роль в интенсификации теплообмена играет комбинация шага и размеров ребер и характеристик металлических сеток.
Установка металлических сеток на поверхности гладких или структурированных труб может также способствовать интенсификации теплообмена. По аналогии с оребрением, толщина пленки на внешней поверхности проволочек сетки может значительно уменьшаться. Испарение микрослоя жидкости как на поверхности проволочек, так и внутри ячейки, при малых расходах жидкости может привести к увеличению коэффициентов теплоотдачи.
В работе приведены результаты экспериментального исследования теплообмена в пленках жидкости, стекающих по вертикальному цилиндру. В качестве рабочей жидкости использовалась смесь хладонов R114/R21. Описание экспериментальной установки и методики измерения приведено в работах [4, 5]. Течение пленки осуществляется по наружной поверхности вертикальных рабочих участков цилиндрической формы длиной 200 мм, диаметром 50 мм. Число Рейнольдса пленки изменялось в диапазоне от 30 до 270. В экспериментах измерялись расход жидкости в пленке, тепловой поток, давление, температура в жидкости и в паровом объеме, состав бинарной смеси, а также проводились визуальные наблюдения и высокоскоростная видеосъемка поверхности стекающей пленки. Жидкость в установке находилась в состоянии насыщения при давлении 2 бар.
Для исследования влияния геометрических характеристик сетчатых покрытий на теплообмен при гравитационном течении пленок жидкости использовались металлические сетки из латуни и нержавеющей стали с различными размерами и ориентацией ячеек. При прямоугольной ориентации ячеек (сетка из латуни и нержавеющей стали) проволочки сетки ориентированы в направлении течения пленки и поперек течения пленки. При ромбовидной ориентации ячеек (латунная сетка) проволочки сетки ориентированы под углом 45° к направлению течения пленки. Сетка из латуни имела размер ячейки 1.6*1.6 мм, из нержавеющей стали - 3*3.3 мм. Сетки устанавливались на рабочий участок из латуни с гладкой поверхностью.
Основное различие в форме расположения ячеек относительно направления течения пленки состоит в характере обтекания жидкостью контактных точек, т. е. точек прилегания узлов сетки к поверхности рабочего участка. На поверхности с ромбовидной формой ячеек контактные точки расположены в шахматном порядке, поэтому жидкость стекает вниз, периодически изменяя направление течения. На поверхности с прямоугольной формой ячеек жидкость в месте контакта сетки со стенкой натекает на горизонтально расположенную проволочку. Далее жидкость растекается в обе стороны и стекает в зазоры под проволочкой в контактных точках соседних ячеек. Различие в режимах течения жидкости в пленке в области контактных точек может влиять на интенсивность теплоотвода от стенки.
Для всех типов сетчатого покрытия при малых расходах жидкости в пленке капиллярные силы стягивают жидкость к проволочкам сетки. При этом по всему периметру ячеек сетки образуются мениски, а в центральной части ячейки происходит уменьшение толщины пленки. При больших расходах количество жидкости в месте натекания на горизонтально расположенную проволочку увеличивается. Жидкость стекает вниз не только в зазоре под проволочкой, но может также перетекать через проволочку. Толщина пленки внутри ячейки значительно возрастает. Для сеток с меньшим размером ячейки заполнение ячеек при увеличении числа Рейнольдса более равномерное.
Результаты экспериментов по теплоотдаче в стекающей пленке смеси хла-донов на различных сетчатых покрытиях показаны на рис. 1. Данные представлены в виде зависимости теплового потока q от температурного напора ДГ.
Яе +
X 40
О 50
□ 80 X лей
Л 110
+ 160 ХЙЯ ^
о 260 % и +3 *
X о +
о +
4
Л Г, к
Рис. 1. Зависимость теплового потока от температурного напора между стенкой и жидкостью:
а) гладкая поверхность; б) сетка из латуни, ромбовидная; в) сетка из нержавеющей стали
На графике зависимости q от ДГ для гладкой поверхности, рис. 1а, отчетливо выделяется режим испарения I, режим пузырькового кипения II и переходная область III, сопровождающаяся резким падением ДГ. Характерной особенностью данных по теплообмену на поверхности с сетками является отсутствие падения температурного напора при переходе от режима испарения к пузырьковому кипению, рис. 1б. На поверхности с латунной сеткой переход к пузырьковому кипению начинается при температурном напоре примерно шесть градусов. Зависимость от числа Рейнольдса практически отсутствует и в режиме испарения при тепловых потоках до 1-1.5 Вт/см , и в режиме пузырькового кипения в пленке. На поверхности с сетчатым покрытием из нержавеющей стали, рис. 1в, зависимость теплового потока от температурного напора для чисел Рейнольдса 40-110 практически линейна, т. е. не изменяется при переходе от режима испарения к пузырьковому кипению. При больших числах Рейнольдса
160-260 характер изменения теплового потока от температурного напора становится таким же, как на гладкой поверхности, с небольшим скачком температуры при переходе к пузырьковому кипению. Величина температурного напора при переходе к пузырьковому кипению на всех сетчатых покрытиях оказывается примерно одинаковой, за исключением малых чисел Рейнольдса.
При малых расходах жидкости коэффициенты теплоотдачи для различных сетчатых покрытий в одинаковых условиях зависят от вида сетчатого покрытия, см. рис. 2а. Наибольшие коэффициенты теплоотдачи имеют место на сетке из нержавеющей стали с наибольшим размером ячейки. Наименьшие коэффициенты теплоотдачи получены на латунной сетке с наклонным расположением проволочек относительно течения пленки. При увеличении числа Рейнольдса разница в коэффициентах теплоотдачи на поверхности с различными типами сетчатого покрытия в режиме испарения уменьшается, см. рис. 2б.
6000
и,
4000
н CÛ
щ 2000
2.0 3.0
q, Вт/см"
6000
4000-
(-
DQ
ÎS 2000"
X
+
13
ф
1 2 3
хн@ □ Чк>е ООО о X □
6 о 4
5.0
1.0
2.0 3.0
q, Вт/см"
4.0
5 0
Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от теплового потока на поверхности с сетчатыми покрытиями: а - Re = 80; б - Re = 260:
1 - сетка из латуни, прямоугольная; 2 - сетка из латуни, ромбовидная; 3 - сетка из нержавеющей стали; 4 - гладкая поверхность
При увеличении расхода жидкость начинает перетекать через проволочки сетки, толщина пленки внутри ячеек также увеличивается. Увеличение коэффициентов теплоотдачи с увеличением размера ячейки вероятно обусловлено увеличением удельной поверхности с малой толщиной пленки внутри ячейки. Разница в коэффициентах теплоотдачи на сетке из одного материала с одинаковым размером ячеек, но с различной ориентацией проволочек к направлению течения пленки, обусловлена характером обтекания контактных точек узлов сетки со стенкой трубы. Обтекание горизонтальной проволочки может приводить к увеличению коэффициентов теплоотдачи.
Коэффициенты теплоотдачи на поверхности с сетчатым покрытием в режиме испарения увеличиваются в 1.5-2 раза по сравнению с гладкой поверхностью. Образование менисков вокруг проволочек приводит к увеличению поверхности испарения. Уменьшение толщины пленки внутри ячеек сетки снижа-
ет термическое сопротивление пленки жидкости. Эти факторы являются причинами увеличения теплоотдачи по сравнению с гладкой поверхностью.
Опытные данные по кипению стекающей пленки смеси хладонов на поверхностях с сетчатым покрытием были обобщены по аналогии со структурированными поверхностями по модели Гогонина [6], рис. 3.
№* = 0.01 • Яе*08 Рг1/3Ь • К
0.4
Г Л
-0.2
к.
(1)
В качестве характерного масштаба в числах Нуссельта №* и Рейнольдса Яе* в этой модели используется постоянная Лапласа. В качестве характерной скорости используется скорость парообразования. Параметр К характеризует рост паровых пузырей и является комбинацией числа Якоба и безразмерного диаметра пузыря. Коэффициент Ь учитывает влияние давления. Член в скобках, введенный Якобом, учитывает влияние теплофизических свойств материала стенки.
Рис. 3. Теплообмен при кипении на поверхности с сетчатыми покрытиями:
1 - сетка из латуни, прямоугольная; 2 - сетка из латуни, ромбовидная; 3 - сетка из нержавеющей стали; 4 - гладкая поверхность; I - расчет по формуле (1)
Наибольшее отклонение от расчетной модели наблюдается при малых значениях параметра Re*, соответствующих неразвитому пузырьковому кипению. При больших тепловых потоках совпадение с расчетной моделью удовлетворительное. Наличие сетки на поверхности влияет на начало пузырькового, интенсивность отвода тепла при кипении не изменяется по сравнению с гладкой поверхностью. Для интенсификации теплообмена в режиме пузырькового кипения стекающих пленок необходимо разрабатывать новые поверхности со специальной структурой.
Работа выполнена в ИТ СО РАН за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 14-49-00010): блок исследований по теплообмену на поверхности
с ромбовидной формой ячеек сетки), и РФФИ (грант № 13-08-00527): блок исследований на поверхности с прямоугольной формой ячеек.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Gambaryan-Roisman T., Stephan P. Heat transfer analysis of falling film evaporation on structured surfaces // Proc. of the 12th International Heat Transfer Conference, Grenoble, France, August 2002. - V. 3. - P. 449-454.
2. Gambaryan-Roisman T., Stephan P. Analysis of falling film evaporation on grooved surfaces // Journal of Enhanced Heat Transfer. - 2003. - V. 10. - P. 445-448.
3. Pastuszko R. Pool boiling on micro-fin array with wire mesh structures // Int. Journal of Thermal Sciences. - 2010. - V. 49. - P. 2289-2298.
4. Печеркин Н. И., Павленко А. Н., Володин О. А. Теплоотдача при испарении стекающих пленок смеси фреонов на гладкой и структурированной поверхностях // Теплофизика и аэромеханика. - 2011. - Т. 18, № 4. - С. 605-616.
5. 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, № 2. - С. 143-154.
6. Гогонин И. И. Теплообмен при кипении жидкости в пленке, движущейся под действием силы тяжести // ИФЖ. - 2010. - Т. 83, № 4. - С. 821-826.
© А. Н. Павленко, Н. И. Печеркин, О. А. Володин,
Луонг Чжан, Хонг Ли, 2016
