CC BY
25
УДК 536.248.2
ВЛИЯНИЕ ОРИЕНТАЦИИ ТЕПЛООТДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ТЕПЛООТДАЧУ К ЖИДКОМУ АЗОТУ
М.И. Дслов, К. В. Куцснко, A.A. Лаврухин
В работе изучена теплоотдача с поверхности высокотемпературных сверхпроводников к жидкому азоту. Исследовано влияние на характеристики теплообмена плотности теплового потока и ориентации теплоот-дающей поверхности в поле силы тяжести. Показа,но, что коэффициент теплоотдачи в области развитого пузырькового кипения, на двухсторонне охлаждаемой ленте имеет минимум при углах наклона, близких к 45°. Получены соотношения, описывающие зависимость коэффициента теплоотдачи от ориентации теплоотдаю-щей поверхности.
Ключевые слова: ВТСП. жидкий азот, ориентация поверхности, пузырьковое кипение. кризис теплоотдачи, кривая кипения.
Введение. В настоящий момент в мире для нужд энергетики ведется большое количество разработок различных систем (генераторы, трансформаторы, токоограничители. накопители энергии и пр.) на основе высокотемпературных сверхпроводников второго поколения (ВТСП-2). Эти разработки ПОЗВОЛЯТ ПОВЫСИТЬ эффективность производства и передачи электроэнергии, что положительно скажется на развитии электроэнергетики.
Жидкий азот является основным хладагентом при работе с высокотемпературными сверхпроводниками, охлаждение устройств на основе ВТСП жидким азотом позволяет обеспечить их надежную тепловую стабилизацию. На характеристики теплообмена в жидком азоте влияет большое число различных факторов (давление. НбДОГрбВ до температуры насыщения, геометрические и теплофизические характеристики теплоот-даютцей поверхности, ориентация в поле силы тяжести и т.д.). К настоящему моменту накоплено большое КОЛИЧЕСТВО ДсШНЫХ по теплообмену при кипении азота на различных
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Россия, Москва, Каширское шоссе, 31; e-mail: DelovMI@yandex.ru.
поверхностях нагрева [1], однако такие знания о кипении на подложках, используемых при производстве лент ВТСП-2, в литературе практически не представлены. При этом достоверные данные по теплообмену к жидкому азоту с подложек ВТСП-2 могут быть получены только в результате экспериментальных исследований.
Результаты экспериментов. Описание экспериментальной установки представлено в работе [2]. В качестве рабочих участков использовались ленты №-5а1%\¥-еукю-STANDARD, которые являются основой для производства ВТСП-2. Лента одновременно служила нагревателем и термометром сопротивления, разогрев осуществлялся за счет джоулева тепловыделения при пропускании через подложку постоянного тока. Эксперименты по исследованию теплообмена представлены в виде зависимости плотности теплового потока д от перегрева подложки относительно температуры азота АТ (кривые кипения) для различных ориентаций подложки в поле силы тяжести с углами р относительно вертикали 0°, 30о, 45°, 60о и 90°. Качественный характер кривых кипения в зависимости от угла ориентации теплоотдающей поверхности р к нормали не меняется.
I ■ ■ ■■■■■[ I ■ ■ ■■■■■! I ■ ■ ■■■■■[ I
10 102 103
ДГ, К
Рис. 1: Зависимость плотности теплового потока д от перегрева рабочего участка АТ
ной ориентации теплоотдающей поверхности (р = 0°).
На рис. 1 представлена кривая кипения жидкого азота при атмосферном давлении для вертикально ориентированной теплоотдающей поверхности. В режиме естественной конвекции экспериментальные данные хорошо согласуются с принятыми критериаль-
ными уравнениями [3].
На основании анализа наших экспериментальных данных для двухсторонне охлаждаемой ленты в области развитого пузырькового кипения получено следующее эмпирическое уравнение для коэффициента теплоотдачи а:
а(ф) = A(f) • qm,
A(f) = A(f = 0) • (1 + di • sin2 f + d2 • sin4 f).
Значения коэффициентов равны ai = —1.3 и a2 = 1.4 Показатель степени m практически не зависит от угла наклона и равен m = 0.78 ± 0.04 Наименьшее значение A наблюдается при углах, близких к 45o (рис. 2).
1.2т
1.0
о
II
9; 0.8
б
0.6
0.4
Рис. 2: Зависимость коэффициента теплоотдачи от ориентации теплоотдающей поверхности. 1 - экспериментальные точки, 2 - аппроксимация выражением 1 + ai х sin2 ( + a2 sin4 f.
Максимальное значение первого критического теплового потока qcri, т.е. потока, при котором поверхность покрывается паровой пленкой, достигается при вертикально ориентированной теплоотдающей поверхности (рис. 3). В закризисной области результаты расчета по формуле Д. А. Лабунцова [4] для вертикальной ориентации показывают хорошее согласие с экспериментальными данными вплоть до перегревов порядка 1000 К. Последующее улучшение теплоотдачи, по-видимому, объясняется механизмом уноса тепла за счет излучения.
Н-1-1-1-1-1-h
0 15 30 45 60 75 90
Рис. 3: Зависимость первого критического теплового потока от ориентации тепло-отдающей поверхности.
Анализ результатов. В настоящее время отсутствуют какие-либо физические модели, позволяющие получить функциональную зависимость а(р). Известны лишь несколько работ [1, 5, 6], в которых экспериментально исследовалось влияние угла наклона на теплоотдачу при кипении на плоских нагревателях с односторонним охлаждением.
Ухудшение теплоотдачи в области развитого пузырькового кипения при углах наклона, близких к 45°, можно объяснить влиянием двух конкурирующих процессов. Первый заключается в наличии жидкостного микрослоя большой площади, который образуется между обращенной вниз теплоотдаюгцей поверхностью и прижатыми к ней паровыми пузырями. Испарение этого микрослоя приводит к интенсификации теплообмена и увеличению коэффициента теплоотдачи с нижней поверхности аПри уменьшении угла р влияние этого эффекта быстро уменьшается. Второй эффект связан с интенсификацией теплоотдачи восходящими двухфазными потоками при вертикальной ориентации ленты (рис. 4), который ослабевает с увеличением угла. Рост коэффициента теплоотдачи с нижней поверхности а| и уменьшение коэффициента теплоотдачи с верхней поверхности а^ при увеличении угла наклона р приводит к появлению минимума в зависимости а(р) (рис. 2).
Условия эвакуации пара для вертикальной теплоотдающей поверхности являются наилучшими и постепенно ухудшаются вплоть до горизонтального положения ленты.
Это объясняет максимум дСг1 при вертикальной ориентации ленты.
Рис. 4: Качественный характер кипения на двухсторонне охлаждаемой ленте при различной ориентации теплоотдающей поверхности.
Заключение. В работе показано, что на процесс теплоотдачи с поверхности высокотемпературных сверхпроводников к жидкому азоту влияет ориентация поверхности в поле силы тяжести. Коэффициент теплоотдачи в области развитого пузырькового кипения на двухсторонне охлаждаемой поверхности имеет минимум при углах наклона, близких к 45°. Тем самым, наилучшее охлаждение достигается при кипении на горизонтальных и вертикальных поверхностях.
Уменьшение критического теплового потока с ростом угла наклона говорит о наибольшем запасе до кризиса теплоотдачи при вертикальной ориентации ленты. Значительный рост температуры при переходе к пленочному кипению после кризиса теплоотдачи может приводить к разрушению сверхпроводниковых устройств.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Ю. А. Кириченко, С. М. Козлов, К. В. Русанов, Теплообмен при кипении азота и вопросы охлаждения высокотемпературных сверхпроводников (Наук, думка, Киев, 1992).
[2] V. I. Deev. К. V. Kutsenko. А. А. Lavrukhin. et al.. Cryogenics 38(7), 715 (1998).
[3] О. Г. Мартыненко. К). А. Соковитпин. Свободно-конвективный теплообмен: Спра-во'ч,ник (Наука и техника. Минск. 1982).
[4] Д. А. Лабунцов. Теплоэнергетика 5. 60 (1963).
[5] S. Ishigai. М. Ivaji. Т. Watanabe. and A. Yarnaji. Technol. Repts. Osaka Univ. 27. 485 (1977).
[6] И. И. Берлин. В. В. Костюк. X. С. Нурмухамедов и др.. Соврем, пробл. гидродинамики и теплообмена в элементах энерг. установок и криог. технике 11. 21 (1982).
Печатается, по материалам III Международной молодежной научной ги,колы-конференции "'Современные проблемы физики и технологий", Москва, МИФИ, апрель 2014 г.
Поступила в редакцию 7 мая 2014 г.
