CC BY
8
УДК 536.248.2
ВЛИЯНИЕ НА ТЕПЛООБМЕН СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ КИПЕНИИ И ИСПАРЕНИИ В ТОНКИХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СЛОЯХ ЖИДКОСТИ
Владимир Иванович Жуков
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, кандидат технических наук, доцент кафедры химии и химической технологии, тел. (383)346-08-01, e-mail: vizh@inbox.ru
Дмитрий Анатольевич Швецов
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, магистрант, механико-технологический факультет, тел. (383)346-08-01, e-mail: shvetsov.kh301@ya.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
Выполнен анализ влияния на теплообмен структур, образующихся при испарении и кипении в горизонтальном тонком слое жидкости (н-додекана). В слоях выше капиллярной постоянной при низком давлении под действием реактивной силы фазового перехода образовывались структуры в форме "воронок" и "кратеров". При повышении давления возникало пузырьковое кипение. Визуализация структур осуществлялась высокоскоростной видеосъемкой. Присутствие структур в форме "воронок" и "кратеров" при низком приведенном давлении увеличивает коэффициент теплоотдачи примерно на 70% по сравнению с пузырьковым кипением при более высоком приведенном давлении.
Ключевые слова: тонкий слой жидкости, реактивная сила фазового перехода, критический тепловой поток, интенсификация теплообмена, коэффициент теплоотдачи.
EFFECT ON HEAT TRANSFER OF STRUCTURAL FORMATION DURING BOILING AND EVAPORATION IN THIN HORIZONTAL LAYERS OF LIQUID
Vladimir I. Zhukov
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department Chemistry and Chemical Technologies, phone: (383)346-08-01, e-mail: vizh@inbox.ru
Dmitry A. Shvetsov
Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia, Graduate, Faculty of Mechanical Engineering and Technologies, phone: (383)346-08-01, e-mail: shvetsov.kh301@ya.ru
Aleksandr N. Pavlenko
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik 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
The effect on the heat transfer of structures formed during evaporation and boiling in a horizontal thin liquid layer of n-dodecane is analyzed. The structures in the shape of "funnels" and "craters" tend to form at low pressure in the films beyond the capillary constant limit while being induced by the vapor recoil force. The rise in pressure leads to bubble boiling. Visualization of structures was carried out by high-speed video. The presence of structures in the form of "funnels" and "craters" at a low reduced pressure increases the heat transfer coefficient by about 70% compared to bubble boiling at a higher reduced pressure.
Key words: thin layer of liquid, vapor recoil force, critical heat flux, enhanced heat transfer, heat transfer coefficient.
Тонкие пленки применяются для охлаждения поверхностей нагрева, когда необходимо обеспечить отвод высоких плотностей теплового потока при малых температурных напорах. Для понижения температуры охлаждаемых поверхностей используют низкое давление. При низком приведенном давлении существенно снижаются критические тепловые потоки, которые ограничивают сверху область рабочих тепловых потоков. К настоящему времени накоплен значительный экспериментальный материал, обобщенный в [1], где показано, что при кипении жидкости в большом объеме при низких приведенных давлениях критические тепловые потоки значительно выше, чем расчет по формуле Кута-теладзе [2]. В [3] исследовался теплообмен и критические тепловые потоки к тонкому горизонтальному слою вакуумного масла при пониженном давлении. Показано, что плотность критического теплового потока увеличивается в узком диапазоне изменения высоты слоя более чем на порядок и в слоях выше капиллярной постоянной его величина может быть на порядок больше, чем расчет по формуле Кутателадзе [2]. В слоях с толщиной больше капиллярной постоянной температурный напор слабо зависит от плотности теплового потока. В [4] представлены результаты экспериментального исследования теплообмена и высокоскоростной видеосъемки процессов испарения и кипения в горизонтальных пленках жидкости при изменении в широких диапазонах высоты слоя и давления. При низких приведенных давлениях реализовывались режимы испарения, когда в слоях образуются сухие пятна и структуры в форме "воронок" (углубления на поверхности слоя с полусферическим днищем) и "кратеров". Поверхность "кратеров", в отличие от сухих пятен, покрыта остаточным слоем жидкости. Построены карты режимов, в которых для каждой высоты слоя в зависимости от приведенного давления и плотности теплового потока определены области, где наблюдались сухие пятна, "воронки", "кратеры", пузырьковое кипение. Из выполненных в [4] расчетов по модернизированной модели [5] следует, что в области низких приведенных давлений формула Кутателадзе описывает в слоях с высотой равной капиллярной постоянной и выше смену гидродинамического режима, когда в слое присутствуют "воронки" и "кратеры", режимом, когда в слое остаются только "кратеры". В данной работе приводятся результаты исследования теплообмена в слоях н-додекана при пониженном давлении, а также некоторые результаты визуализации характерных структур с помощью высокоскоростной видеосъемки.
Исследования проводились на экспериментальной установке, подробное описание которой приведено в [3, 4]. Рабочая камера представляет собой цилиндрический сосуд из стали 12Х18Н10Т с внутренним диаметром 120 мм, высотой 300 мм и толщиной стенок 1 мм. На наружной поверхности верхней части расположен змеевик охлаждения. В нижней части к днищу установки крепился электронагреватель. Установка оснащена смотровыми окнами, через которые велась видеозапись процессов кипения и испарения слоя жидкости. Для фиксации результатов наблюдений применялась видеокамера, позволяющая снимать видео с частотой 240 кадр/с. Температура измерялась термопарами. Давление в рабочей камере измерялось деформационно-ионизационным датчиком вакуума и поддерживалось постоянным регулировкой с помощью натека-теля и вентиля. Погрешность измерения давления ±0.3% от текущего значения. В качестве рабочей жидкости использовался н-додекан. В экспериментах получали кривые кипения при постоянном значении давления. Основная часть экспериментов проводилась при давлениях над слоем Р (Р/Рсг): 33 (1.8-10-5), 67 (3.7 10-5), 133 (7.410-5), 103 (5.5 10-4), 104 (5.5 10-3), 2 104 (0.011). Высота слоя, при которой проводились эксперименты, была примерно равна капиллярной постоянной (/0 = 1.78 мм) или выше: И (И//а): 1.7 (0.99), 2.5 (1.45), 4 (2.32), здесь И - высота слоя, мм; (И//0) - безразмерная высота слоя.
При низких давлениях (33-103 Па) пузырьковое кипение отсутствовало. Теплообмен осуществлялся за счет интенсивного испарения с верхнего слоя жидкости при образовании в нем, под действием реактивной силы фазового перехода, структур в форме "воронок" и "кратеров" (рис. 1).
а) б)
Рис. 1. Фотографии структур, наблюдавшихся в слоях н-додекана:
а) «воронки» И = 4,0 мм; давление в объеме Р8 = 67 Па, q = 9070 Вт/м2; б) «кратеры» И = 2,5 мм, давление в объеме Р8 = 133 Па, q = 8000 Вт/м2
"Кратеры" обычно образовывались на месте массива "воронок". "Кратеры" имеют в центре протяженный плоский остаточный слой жидкости конечных размеров, покрытый в данном случае капельками жидкости (рис. 1, б). При низких тепловых потоках наблюдались "воронки" и "кратеры", при высоких тепловых потоках - "кратеры". При давлении 104 Па и выше во всех слоях наблюдалось пузырьковое кипение. Подробные карты гидродинамических режимов кипения и испарения, на которых в зависимости от приведенного давления и теплового потока для разных высот слоя показаны области существования различных структур, приведены в [4].
На рис. 2 приведено сравнение коэффициентов теплоотдачи для слоев с высотой порядка капиллярной постоянной жидкости и выше при двух значениях давления. Не закрашенными символами обозначены результаты соответствующие давлению над слоем Р, = 133 Па, когда в слое присутствуют "воронки" и "кратеры", закрашенные символы соответствуют давлению над слоем Р, = 104 Па, когда в слое наблюдалось пузырьковое кипение. Линиями 1 и 2 показан расчет по формуле Кутателадзе [2]:
су
2 Ш
а
1000 -
ж
Ь
А
оо
о-
.О
▼ ♦ / А
«г
----. 1
--------2
/?, тип Л А -1.7 О ♦ -2.5 V ▼ - 4.0
М
а
0.99 1.45 2.32
-т-I—|-
10000
-I-1-1—I—I-
100000
q, Вт/м
Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от теплового потока. 1, 2 - расчет по (1) для давлений насыщения над слоем Р, = 133 Па, (Р/Рсг)= 7.4 10-5 и Р, = 104 Па, (Р/Рсг) = 5.510-3, соответственно
Из данных, представленных на рис. 2, следует, что появление в слое жидкости "воронок" и "кратеров" при приведенном давлении (P/Pcr) = 7.4 10-5, позволяет увеличить коэффициенты теплоотдачи для тонких слоев жидкости высотой порядка капиллярной постоянной примерно на 70% по сравнению с режимами, когда в слоях той же высоты происходит пузырьковое кипение при приведенном давлении (P/Pcr) = 5.5 10- . Зависимость коэффициента теплоотдачи от теплового потока при пузырьковом кипении в данном случае описывается уравнением а ~ q0 92. Зависимость коэффициента теплоотдачи от теплового потока при давлении 133 Па (P/Pcr) = 7.4 10-5, когда в слое присутствуют "воронки" и "кратеры", описывается уравнением а ~ q0 86. Более низкий показатель степени в этом случае, связан с тем, что на кривой зависимости (рис. 2) имеется легкий излом. Наличие излома связано со сменой режима испарения
4 2
при тепловых потоках q > 1.810 Вт/м (расчет по (1)), когда в слое перестают образовываться "воронки" и остаются только "кратеры" [4, 5]. Показатели степени n ~ 0.86-0.92 в зависимости а ~ qn типичны для процессов кипения и испарения жидкости в тонких пленках и характеризуют слабую зависимость плотности теплового потока q от температурного напора (Tw - Ts).
Таким образом, в данной работе показано, что изменение механизма теплоотдачи, вызванное при понижении давления появлением в тонком слое жидкости структур в форме "воронок" и "кратеров", приводит к интенсификации теплообмена примерно на 70% по сравнению с пузырьковым режимом кипения.
Обозначения:
g - ускорение свободного падения, м/с ; Ню - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; n - показатель степени; P, Ps, Pcr - давление, давление насыщения над слоем, критическое давление, соответственно, Па; q - плотность теплового потока, Вт/м2; Tw , Ts - температура поверхности нагрева и температура насыщения, соответственно, К; а = q/(Tw - Ts) - коэффициент теплоотдачи,
Вт/(м2 К);
pv, pi - плотность пара и жидкости, соответственно, кг/м ; о - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м.
Исследование выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда (проект № 14-49-00010).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Yagov V.V. Is a crisis in pool boiling actually a hydrodynamic phenomenon? // Int. J. Heat and Mass Transfer. - 2014. - Vol. 73. - P. 265-273.
2. Кутателадзе С. С. Гидромеханическая модель кризиса теплообмена в кипящей жидкости при свободной конвекции // ЖТФ. - 1950. - Т. 20. № 11. - С. 1389-1392.
3. Zhukov V.I., Pavlenko A.N., Nagaitseva Yu.V., Weiss D. Effect of the layer height on heat transfer and the critical heat flux in evaporation of a fluid under low pressures // High Temperature. - 2015. - Vol. 53 (5). - P. 690-696.
4. Zhukov V.I., Pavlenko A. N. Heat transfer and critical phenomena during evaporation and boiling in a thin horizontal liquid layer at low pressures // Int. J. Heat and Mass Transfer. - 2018. -Vol. 117. - P. 978-990.
5. Zhukov V.I., Pavlenko A. N. Critical Phenomena at Evaporation in a Thin Liquid Layer at Reduced Pressures // J. Eng. Thermophys. - 2013. - Vol. 22 (4). - P. 257-287.
REFERENCES
1. Yagov, V.V. (2014). Is a crisis in pool boiling actually a hydrodynamic phenomenon? Int. J. Heat and Mass Transfer, 73, 265-273. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.01.076
2. Kutateladze, S.S. (1950). Hydrodynamic model of heat transfer crisis in free-convection boiling. Zhurnal Tekhnicheskoy Fiziki [Zh. Tekh. Fiz.], 20(11), 1389-1392. [in Russian]
3. Zhukov, V.I., Pavlenko, A.N., Nagaitseva, Yu.V., & Weiss, D. (2015). Effect of the layer height on heat transfer and the critical heat flux in evaporation of a fluid under low pressures. High Temperature, 53(5), 690-696. doi: 10.1134/S0018151X15050284
4. Zhukov, V.I., & Pavlenko, A. N. (2018). Heat transfer and critical phenomena during evaporation and boiling in a thin horizontal liquid layer at low pressures. Int. J. Heat and Mass Transfer, 117, 978-990. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.10.060
5. Zhukov, V.I., & Pavlenko, A. N. (2013). Critical Phenomena at Evaporation in a Thin Liquid Layer at Reduced Pressures. J. Eng. Thermophys., 22(4), 257-287. doi: 10.1134/S1810232813040012.
© В. И. Жуков, Д. А. Швецов, А. Н. Павленко, 2018
