Теплофизические исследования процесса испарения жидкости при опускном течении в микроструктурированном теплообменнике Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 536.248.2

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПРИ ОПУСКНОМ ТЕЧЕНИИ В МИКРОСТРУКТУРИРОВАННОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ

Алишер Сезгирович Шамирзаев

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)316-57-31, e-mail: [email protected]

Владимир Васильевич Кузнецов

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, зав. лабораторией, тел. (383)330-71-21, e-mail: [email protected]

Приведены результаты экспериментального исследования теплообмена при испарении хладона R-21 в условиях опускного течения при малых тепловых потоках в вертикальном микроструктурированном теплообменнике, образованном системой миниканалов. С использованием многоточечных измерений температуры стенки и измерений локального теплового потока проведен сравнительный анализ теплоотдачи при испарении для двух массовых скоростей, и выявлены причины ухудшения теплообмена при изменении параметров течения.

Ключевые слова: теплообмен, микроструктурированный теплообменник, миниканал, испарение, хладон R-21.

THERMOPHYSICAL STUDY OF PHASE CHANGE DURING FORCED CONVECTION IN MICRO HEAT EXCHANGER

Alisher S. Shamirzaev

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect, Ph. D., senior researcher, tel. (913)455-25-82, e-mail: [email protected]

Vladimir V. Kuznetsov

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavren-tiev Prospect, D. Sc., The Head of Multiphase Systems Laboratory, tel. (383)330-71-21, e-mail: [email protected]

The results of experimental study of the heat transfer with evaporation of refrigerant R-21 under the downward flow at low heat fluxes for two mass fluxes in the vertical micro heat exchanger with minichannels are presented. Using multipoint wall temperature and local heat flux measurements the comparative analysis of the heat transfer under evaporating is presented. The reason of heat transfer reduction with changing of the flow parameters is discussed.

Key words: heat transfer, microstructured heat exchanger, minichannel, evaporation, refrigerant R-21.

В связи с быстрым ростом приложений в энергетике и электронике, которые требуют передачи больших тепловых потоков в ограниченном пространстве, все большее внимание уделяется теплофизическим исследованиям, направленным на разработку микроструктурных теплообменников для систем охлаждения микропроцессорной техники, лазерных зеркал, энергетического и

криогенного оборудования. Типичные размеры каналов микроструктурных теплообменных систем лежат в диапазоне от 10 микрометров до 1000 микрометров, что значительно меньше размеров обычных каналов, и в них возникает широкий спектр явлений, которые не типичны на большом масштабе и слабо изучены [1]. Одним из эффективных способов изготовления микроструктурированных теплообменников с миниканалами (каналами меньше капиллярной постоянной) является вакуумная или химическая пайка формованных пластин, что позволяет достигать высокую удельную поверхность теплообмена и тепловую производительность при малом температурном напоре. Механизмы теплообмена при кипении и конденсации в миниканалах и микроканалах рассмотрены в [2-4]. В этих работах показана как высокая эффективность таких каналов в теплообменных системах, так и отсутствие достоверных методов расчета теплообмена из-за недостаточной информации о механизмах теплообмена при фазовых переходах в таких системах. Целью данной работы является исследование механизмов испарения хладона R-21 в элементе пластинчато-ребристого микроструктурированного теплообменника, в условиях опускного течения при малом тепловом потоке, что является типичными для многих практических приложений.

Исследование теплообмена при испарении хладона R-21 в условиях нисходящего течения проведено для массовых скоростей 20 и 50 кг/м2с с использованием теплообменного участка, показанного на рис. 1а. При проведении экспериментов был использован вертикальный микротеплообменник прямоугольного сечения размером 6.7 х 70 х 279 мм. Конструкция входного коллектора обеспечивала равномерное распределение жидкости и пара на входе в участок, который изготовлен вакуумной пайкой формованной перфорированной алюминиевой пластины со стенкой теплообменника толщиной 3 мм и имел плотность ребер 800 ребер на метр.

И21 вход

16000

01 А II

О III

©

О О

о

1£21 выход

0 200 400 600 800 1000 1200

Рис. 1а. Схема рабочего участка для исследования теплообмена

Рис. 1б. Карта режимов течения для давления 2 бар

Охлажденный хладон R-21 из конденсатора подавался центробежным насосом в предварительный парогенератор, который использован для получения начального паросодержания на входе в рабочий участок. На выходе рабочего участка расположен доиспаритель жидкости, который обеспечивал подавление пульсаций давления в линии, соединяющей рабочий участок с конденсатором.

Коэффициент теплоотдачи h вычисляется с учетом тепловой эффективности поверхности теплообмена =1 -(4/A X1 ) и падения температуры в стенке теплообменника следующим образом:

Qfr = AtfoKTw - TSat). (1)

Здесь Qfr есть количество тепла, подведенное к стенке теплообменника, есть эффективность ребра, A1 и A0 - поверхность ребер и полная внутренняя поверхность теплообменника. Внутренняя температура стенки Tw определена как средняя температура на внешней поверхности теплообменника, скорректированная с учетом градиента температуры в стенке и TSat есть температура насыщения. Для измерения температуры внешней поверхности теплообменника на его поверхности в канавках зачеканены 12 термопар; 6 на одной стороне и 6 на другой стороне участка. В боковой стенке теплообменника просверлены три отверстия для измерения статического давления (в центре рабочего участка) и перепада давления. Десять термоэлектрических модулей Пельтье и две выравнивающие температуру медные пластины используются для нагревания теплообменного участка (рис. 1а). Внешние водные теплообменники, соединенные с модулями Пельтье термопастой КПТ-8, осуществляют снятие тепла с элементов Пельтье для поддержания постоянной разности температур между холодной и горячей сторонами элементов Пельтье. Среднеквадратичное отклонение средней температуры стенки для всех термопар не превышало 0.15 оС.

Перед исследованием теплообмена проведена визуализация режимов па-рожидкостного течения хладона R21 в подобной системе. На рис. 1б приведена карта режимов течения, полученная с использованием скоростной видеосъемки для формованной алюминиевой пластины, зажатой между двумя стеклянными пластинами. Высота ребра формованной пластины равна 7 мм, плотность ребер равна 315 ребер на метр, толщина ребра - 0,5 мм. На карте режимов выделены следующие области: I - течение с крупными волнами и перемычками; II -течение с волнами и сухими пятнами; III - течение жидкости в менисках в углах каналов и с не смоченными ребрами теплообменника. Линии на этом рисунке показывают изменение чисел Рейнольдса жидкости и пара при изменении паросодержания для массовой скорости G = 20 кг/м2с и G = 50 кг/м2с.

На рис. 2 приведена зависимость безразмерного коэффициента теплоотдачи Nu при испарении от числа Рейнольдса потока пара, определенного по входным параметрам потока. Данные получены при давлении 1.8 бар в диапазоне

тепловых потоков от 1200 Вт/м2 до 1600 Вт/м2. Измеренные температурные напоры на стенке теплообменника в опытах изменялись от 0.9 oC до 3.5 oC.

40 35 30 25 Nu 20 15 10 5 0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Rev

Рис. 2. Безразмерный коэффициент теплоотдачи при испарении в зависимости от числа Рейнольдса пара для массовой скорости 20 и 50 кг/м2с

Данные рис. 2 показывают, что коэффициент теплоотдачи при испарении практически не изменяется при изменении массового паросодержания от 0.1 до 0.8, а при больших его значениях начинает уменьшаться, что показывает ухудшение теплообмена вблизи полного испарения жидкости. Из рис. 2 следует, что изменение теплового потока для кипения от 1200 Вт/м2 до 1600 Вт/м2 не оказывает заметного влияния на величину коэффициента теплоотдачи, и пузырьковое кипение не является преобладающим механизмом теплообмена в рассмотренных условиях. В этих условиях, наиболее вероятным механизмом теплообмена является испарение тонкой искривленной капиллярными силами пленки жидкости, что было предложено ранее в [1].

На рис. 3 приведена зависимость безразмерного коэффициента теплоотдачи при испарении от числа Рейнольдса жидкости, определенного по входным параметрам потока. Данные рис. 3 показывают, что ухудшение теплообмена наблюдается при числах Рейнольдса жидкости, меньших 100, и величина критического числа Рейнольдса зависит от массовой скорости парожидкостного потока. Используя карту режимов течения (рис. 1б) получим, что переход к режиму течения с преимущественным течением жидкости в менисках в углах ми-никаналов и не смоченными ребрами теплообменника наблюдается при числе Рейнольдса жидкости, величина которого определяется массовой скоростью потока. Числа Рейнольдса, соответствующие переходу к такому типу течения хорошо соответствуют критическим числам Рейнольдса, при которых возникает ухудшение теплообмена на рис. 2 и 3. Это показывает, что определяющим механизмом, вызывающим ухудшение теплообмена при испарении в условиях опускного течения в миниканалах микроструктурированного теплообменника

является образование не смоченных жидкостью областей на стенках канала (сухих пятен).

40 35 30 25 Nu 20 15 10 5 0

0 50 100 150 200 250 300

ReL

Рис. 3. Безразмерный коэффициент теплоотдачи при испарении в зависимости от числа Рейнольдса жидкости для массовой скорости 20 и 50 кг/м2с

Полученные данные устанавливают механизм теплообмена при испарении теплоносителя в условиях опускного течения в вертикальном микроструктурированном теплообменнике и определяют числа Рейнольдса для потоков жидкости и пара, при которых изменяется режим парожидкостного течения и возникает ухудшение теплообмена, снижающее эффективность применения теплообменника для решения задач отвода тепла от зон повышенного тепловыделения.

Работа выполнена в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект РНФ № 14-49-00010).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Kuznetsov V. V. Heat and Mass Transfer with Phase Change and Chemical Reactions in Microscale // Proc. 14 Int. Heat Transfer Conf. Washington: ASME. - 2010. - Keynote 22570.

2. Robertson J. M., Lovergrove P. C. Boiling Heat Transfer with Freon 11 in Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchangers // J. of Heat Transfer. - 1983. - V. 105 (3). - P. 605-610.

3. Thome J. R. State-of-the-Art Overview of Boiling and Two-Phase Flows in Microchannels // Heat Transfer Eng. - 2006. - V. 27, No. 9. - P. 4-19.

4. Kandlikar S. G. Similarities and Differences Between Flow Boiling in Microchannels and Pool Boiling // Heat Transfer Eng. - 2010. - V. 31, No. 3. - P. 159-167.

© А. С. Шамирзаев, В. В. Кузнецов, 2017

А А & А ^ дд

- ^

д

- д О Nu_G 20

Д Nu_G 50