Влияние шероховатости вертикальной поверхности теплообменника на теплоотдачу при охлаждении импульсным газокапельным потоком Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 536.2

ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕННИКА НА ТЕПЛООТДАЧУ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ИМПУЛЬСНЫМ ГАЗОКАПЕЛЬНЫМ ПОТОКОМ

Александр Дмитриевич Назаров

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1; Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]

Анатолий Федорович Серов

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, профессор, тел. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]

Виктор Иванович Терехов

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, зав. отделом; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, профессор, тел. (383)330-67-36, e-mail: [email protected]

Павел Николаевич Карпов

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, аспирант, тел. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]

Николай Богданович Миськив

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, аспирант; Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]

В работе представлены результаты экспериментального исследования влияния шероховатости нанопокрытия медной низкотемпературной изотермической поверхности на усредненную теплоотдачу при охлаждении импульсным газокапельным потоком. Интегральная теплоотдача регистрировалась проточным цифровым калориметром при заданной скважности жидкой фазы. Показано, что в режиме малых удельных расходов жидкости наблюдается увеличение эффективности теплоотдачи при определенном массовом покрытии одностенными углеродными нанотрубками «TUBALL». С ростом толщины охлаждающей пленки, эффективность теплоотдачи падает, и при толщине D < 0.5 мм коэффициент теплоотдачи сравнивается с режимом без покрытия.

Ключевые слова: импульсный газокапельный поток, нанопокрытие, пленка жидкости, испарение, теплообмен.

INFLUENCE OF ROUGHNESS OF VERTICAL SURFACE HEAT EXCHANGER ON HEAT TRANSFER WHEN COOLING WITH PULSE AEROSOL

Alexandr D. Nazarov

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect; Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2 Pirogova St., D. Sc., Professor, tel. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]

Anatoly F. Serov

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Professor, chief researcher; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marx Prospect, Professor, tel. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]

Viktor I. Terekhov

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., The Head of Department; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 K. Marx Prospect, Professor, tel. (383)330-67-36, e-mail: [email protected]

Pavel N. Karpov

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, graduate student, tel. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]

Nikolay B. Miskiv

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, graduate student; Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 2 Pirogova St., senior researcher, tel. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]

The paper presents the results of experimental research of influence of a roughness of the copper coating of low-temperature isothermal surface on average heat transfer during the cooling of the pulsed gas-droplet stream. The integrated heat flow was registered with a digital calorimeter at a given duty cycle of the liquid phase. It is shown that in the regime of small specific consumption of liquid there is an increase of heat transfer efficiency at a certain mass coating single-walled carbon nanotubes "TUBALL". With the increasing thickness of the cooling film efficiency of heat transfer decreases and when the thickness D<0.5 mm the heat transfer coefficient is compared with the regime without coverage.

Key words: pulsed gas-droplet flow, nano-coating, liquid film, evaporation, heat transfer.

Охлаждение поверхности струями диспергированной жидкости характеризуется высокой интенсивностью теплообмена [1, 2]. Более сложный механизм теплообмена реализуется в процессе охлаждения импульсным потоком жидкости с особыми свойствами поверхности. Представленный в работах [3, 4] экспериментальный стенд позволяет проводить исследования влияния параметров газокапельного потока на теплообмен на поверхности плоского теплообменника. Управляемый источник газокапельной струи конструктивно выполнен в виде двухкамерного блока: для воздуха и воды, что позволяет формировать газокапельный поток с заданным массовым расходом жидкой и газовой фаз. Теплообменник выполнен из высокотеплопроводной меди, в качестве основных методов регистрации гидродинамических и теплообменных процессов приме-

нялись проточный калориметр, традиционные приборы для термометрии и оптические регистраторы (тепловизор, быстродействующие фото- и видео камеры). Ранее выполненные исследования показали, что существует эффективный режим, когда капельный импульсный поток заданного удельного расхода формирует пленку жидкости на поверхности, которая за время периода между импульсами участвует в конвективном и испарительном процессах. Эксперименты выполнялись для трех режимов: чистая полированная поверхность (с шероховатостью < 20 мкм) и для двух покрытий плотностью 0.03 г/м2 и 0.21 г/м2 из нанотрубок «TUBAL» (изготовитель ООО «Плазмохимические технологии», Новосибирск). Нанопокрытие наносилось по авторской технологии.

Наблюдения показали, что при расходе жидкой фазы g =120 г/м2-с, капельная масса осаждается на чистую поверхность теплообменника и под действием капиллярных сил формирует отдельные области «толстой» пленки и капель жидкости (рис. 1, а, г). Нанопокрытие за счет большей гидрофильности приводит к более равномерному распределению жидкости по теплообменной поверхности (рис. 2, б, в, д, е).

Рис. 1. Влияние нанопокрытия из углерода на распределение

охлаждающей пленки а) чистая медная поверхность; б) плотность нанопокрытия на поверхности, р = 0,03 гр/м2; в) плотность нанопокрытия на поверхности, р = 0,21 гр/м2; г) островковое пленочное образование на чистой медной поверхности; д) пленочное образование с нанопокрытием р = 0,03 гр/м2; е) пленочное образование с нанопокрытием р = 0,21 гр/м2

На рис. 2 приведена зависимость теплоотдачи от удельного расхода жидкости при различных плотностях покрытия и для двух временных режимов формирования потока. При покрытии слоем углеродных нанотрубок плотностью р = 0,03 г/м2 наблюдается рост теплоотдачи (рис. 2) относительно чистой поверхности. При дальнейшем увеличении плотности покрытия (р = 0,21 г/м2) наблюдается уменьшение теплоотдачи относительно чистой поверхности при техже расходах.

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от расхода жидкостной фазы для разной толщины нанопокрытия теплообменника при различной длительности открытия жидкостных клапанов

Проведенные исследования показали:

1. Нанопокрытие, нанесенное по авторской технологии, позволяет создавать более эффективные системы охлаждения с импульсной системой подачи охлаждающей жидкости.

2. Покрытие теплообменной поверхности наноматериалом приводит к более равномерному распределению жидкости по поверхности. В зависимости от плотности покрытия поверхности теплообменника материалом из одностенных углеродных нанотрубок наблюдается рост коэффициента теплоотдачи до 25 % относительно чистой полированной поверхности.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации НШ-8780.2016.8.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. David J. Sailor, Daniel J. Rohli. Qianli Fu Effect of variable duty cycle flow pulsations on heat transfer enhancement for an impinging air jet // International Journal of Heat and Fluid Flow. -1999. - 20. - P. 574-580.

2. Исаченко В. П., Кушнырев В. И. Струйное охлаждение. - М. : Энергоатомиздат, 1984. - 216 с.

3. Назаров А. Д., Серов А. Ф., Бодров М. В. Интенсификация охлаждения импульсным газокапельным потоком. Аппаратура, параметры, результаты // ЖТФ. - 2010. - Т. 80, № 5. -С.132-135.

4. Назаров А. Д. Разработка методов и электронных средств для теплофизических исследований двухфазных потоков : дис. ... д-ра техн. наук. 2013. 273 с.

© А. Д. Назаров, А. Ф. Серов, В. И. Терехов, П. Н. Карпов, Н. Б. Миськив, 2017