CC BY
43
УДК 532.51:536.248.2
ВЛИЯНИЕ ТИПА СТРУКТУРИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ НА ТЕПЛООТДАЧУ ПРИ ИСПАРЕНИИ И КИПЕНИИ В СТЕКАЮЩИХ ПЛЕНКАХ
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]
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]
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 Николаевич Зубков
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Россия, г. Москва, 2-я Бауманская ул., 5, доктор технических e-mail: [email protected]
Юлия Леонидовна Битюцкая
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Россия, г. Москва, 2-я Бауманская ул., 5, аспирант, e-mail: [email protected]
Представлены результаты, дополняющие экспериментальные данные, ранее полученные авторами при исследовании теплообмена в пленке жидкости, стекающей по вертикальным цилиндрам с сетчатыми покрытиями, а также предложен подход для достижения интенсификации теплообмена в режиме пузырькового кипения в пленке. Исследования теплообмена проводились на вертикальном цилиндре с крупным сетчатым покрытием (размер ячейки 6^6 мм) и на цилиндрах с микроструктурированными поверхностями. В качестве рабочей жидкости использовалась смесь хладонов R114 и R21. Число Рейнольдса изменялось в диапазоне, соответствующем ламинарно-волновому режиму. Изучены особенности характера теплообмена на исследуемых структурированных поверхностях. Показано, что коэффициент теплоотдачи на поверхности с крупной сеткой в два раза превышает соответствующие значения для гладкой поверхности в режиме испарения пленки, но практически не изменяется в режиме кипения. Для достижения интенсификации теплообмена в режиме пузырькового кипения предлагается использовать хорошо зарекомендовавшие себя в условиях большого объема микроструктурированные поверхности.
Ключевые слова: стекающие пленки, интенсификация теплообмена, испарение, пузырьковое кипение, сетчатые покрытия, микроструктурированная поверхность, хладоны.
INFLUENCE OF SURFACE STRUCTURING TYPE ON HEAT TRANSFER AT EVAPORATION AND BOILING IN FALLING FILMS
Oleg A. Volodin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik La-vrentiev Prospect, Ph. D., researcher, tel. (383)330-87-00, e-mail: [email protected]
Баумана, 105005, наук, профессор,
Баумана, 105005,
Nikolay I. Pecherkin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Akademik La-vrentiev Prospect, Ph. D., senior researcher, tel. (383)316-50-49, e-mail: [email protected]
Aleksandr N. Pavlenko
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Akademik La-vrentiev Prospect, D. Sc., Corresponding Member of RAS, Head of Low Temperature Thermophysics Laboratory, tel. (383)328-43-87, e-mail: [email protected]
Nikolay N. Zubkov
Bauman Moscow State Technical University, 105005, Russia, Moscow, 5 2-nd Bauman St., D. Sc., Professor, e-mail: [email protected]
Yulia L. Bitutskaya
Bauman Moscow State Technical University, 105005, Russia, Moscow, 5 2-nd Bauman St., graduate student, e-mail: [email protected]
The results complement the data previously obtained by the authors at the study of heat transfer in films falling down a vertical cylinder with mesh coverings are presented, as well as an approach to achieve the enhancement of heat transfer at film boiling. The study on heat transfer was carried out on the cylinder with large-sized mesh coating (mesh size of 6*6 mm) and on the cylinder with microstructured surfaces. The mixture of refrigerants R114 and R21was used as test fluid. The Reynolds number was varied in the range corresponding to the laminar-wave regime. The features of the character of heat transfer on investigated structured surfaces were studied. It is shown that the heat transfer coefficient for the surface with the coarse mesh is twice more than the corresponding values for the smooth surface in evaporation regime, but practically constant in the boiling regime. To achieve the enhancement of heat transfer in nucleate boiling regime it is proposed to use well-proven at pool boiling microstructured surfaces.
Key words: falling films, heat transfer enhancement, evaporation, nucleate boiling; mesh coating, microstructured surface, refrigerants.
Стекающие пленки жидкости являются широко известным средством для эффективной передачи тепла. В наши дни продолжают возникать все новые приложения для исследований, связанных со стекающими пленками, например, получение биотоплива при выпаривании растворов в пленочных аппаратах. Развиваются исследования кипения в пленках, стекающих на поверхностях с микро- и нанорельефом. Вместе с тем, в научной литературе практически отсутствуют систематизированные исследования теплообмена при пленочном течении маловязких высокосмачивающих жидкостей на поверхностях, структурированных на различном масштабе.
Данная работа расширяет и дополняет ранее полученные авторами результаты по применению сетчатых покрытий различной геометрии для интенсификации теплообмена при испарении пленок бинарной смеси хладонов [1, 2], а также описывает подход для достижения интенсификации теплообмена при кипении пленки с применением микроструктурированных поверхностей разного типа. Представленные результаты могут быть полезны при разработке и внедрении в промышленности структурированных труб и других поверхностей,
предназначенных для интенсификации тепломассобмена при пленочном течении жидкости в различных режимах.
Описание экспериментальной установки приведено в [3, 4]. Выбранная для экспериментов смесь хладагентов R114 и Я21 позволяет моделировать процессы тепло - и массопереноса в тепловых насосах, в холодильной технике, в криогенных аппаратах. Данные хладагенты являются маловязкими высокос-мачивающими веществами, температура кипения при атмосферном давлении 3.5 и 8.7 °С соответственно. В предыдущих работах авторов показано, что воздействием термоконцентрационной конвекции, возникающей при неравномерном выпаривании компонентов бинарной смеси, которое могло бы повлиять на гидродинамику пленочного течения и, соответственно, на коэффициент теплоотдачи, в данном случае можно пренебречь. Оценка скорости жидкости, обусловленной термоконцентрационным эффектом, проведенная в [5], дает величину ~ 10-3 м/с, что на два порядка меньше рассчитанной средней скорости жидкости в остаточном слое 0.1 м/с). В настоящей работе концентрация R114 при испарении и кипении пленки уменьшалась от 15 % до 13 %, то есть максимум на 2 % при максимальных тепловых потоках и небольших расходах жидкости. Тем не менее, следует учитывать, что вследствие уменьшения концентрации легкокипящего компонента в смеси температура насыщения жидкости на выходе из рабочего участка увеличивается. Поэтому для уменьшения погрешности при расчете интегральных коэффициентов теплоотдачи в работе использовались средние значения температуры насыщения между входом и выходом тепловыделяющего участка.
На рис. 1 показаны рабочие участки с различными сетчатыми покрытиями, а в таблице приведены параметры исследуемых сетчатых покрытий. Диаметр рабочих участков 50 мм, длина - 200 мм.
в) г)
' ' » .
/ »V'
' * * . XV / ■ \
V
> \ \ '
■
Ччл»>>>'
> > V V '
у\ \ ■
4« ' / /
Рис. 1. Рабочие участки с сетчатыми покрытиями № 1-4
Таблица
Параметры исследуемых сетчатых покрытий
№ Материал Размер ячейки, мм Диаметр проволоки, мм Ориентация сетки
1 - а Латунь 1.6x1.6 0.4 Вертикальная (квадратные ячейки)
2 - б Латунь 1.6x1.6 0.4 Диагональная, 45° (ромбовидные ячейки)
3 - в Нерж. сталь 3.0x3.3 0.5 Вертикальная (квадратные ячейки)
4 - г Нерж. сталь 6.0x6.0 0.7 Вертикальная (квадратные ячейки, новые данные)
Для используемой в работе смеси хладонов значения постоянной Лапласа и средней толщины Нуссельта пленки составляли Л = 1.1 мм и 5Н = 0.1 мм, соответственно. Такие параметры структуры сетчатого покрытия оказывают влияние на гидродинамику течения пленки и, вследствие этого, на интенсивность теплоотдачи при испарении жидкости. Также предполагалось, что исследуемые сетчатые покрытия могут влиять на динамику развития пузырькового кипения.
На рис. 2 показаны зависимости осредненного по длине коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока для различных сетчатых покрытий в сравнении с результатами, полученными для гладкой поверхности. При расчете плотности теплового потока увеличение площади структурированной теп-лоотдающей поверхности за счет наличия сетки не учитывалось.
Из рис. 2 видно, что опытные данные для коэффициента теплоотдачи в режиме испарения на поверхности с крупной сеткой близки по величине к значениям теплоотдачи для сетчатых покрытий с меньшим размером ячеек и примерно в два раза превышают значения теплоотдачи, полученные для гладкой поверхности. Увеличение коэффициента теплоотдачи в режиме испарения на поверхности с сеткой, по-видимому, связано с вызванным капиллярными силами изменением гидродинамики волнового течения пленки и ее перераспределением по теплоотдающей поверхности. При этом, как показывает высокоскоростная видеосъемка, по периметру ячеек сетки образуются мениски с характерными областями утончения пленки в центральной части ячеек, что, как известно, может приводить к существенному увеличению теплоотдачи. Некоторый дополнительный вклад в перенос тепла по сравнению с гладкой поверхностью также может вносить теплопередача от стенки через точки контакта узлов сетки с поверхностью рабочего участка.
В режиме пузырькового кипения (д > 1104 Вт/м2) заметного увеличения коэффициентов теплоотдачи по сравнению с гладкой поверхностью не наблюдается (см. рис. 2 а, б).
8000
7000
6000
Л 5000
м
4000
со 3000
в
2000
1000
о
о
«йд
Йо О гладкая поверхность
* в □ . й А Л О П сетка 1.6 мм Д сетка 3.3 мм
ООО О о ж сетка 6 мм
а)
БООО 5000 4000
2
"Е 3000 "р
2000
а
1000 о
Ж
О
ж £3
ё
$ О гладкая поверхность
Й * А □ сетка 1.6 мм
0о о о А сетка 3.3 мм
Ж сетка 6 мм
1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 q, 10"4 Вт/м2
2.0 3.0
<7,10"4 Вт/м2
б)
Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности теплового потока для гладкой поверхности и сетчатых покрытий с различным размером ячейки:
а) Re = 160; б) Яе = 260
Таким образом, параметры исследуемых авторами сетчатых покрытий оказывают существенное влияние на гидродинамику течения пленки (перераспределение жидкости по поверхности, увеличение поверхности испарения) и, вследствие этого, на интенсивность теплоотдачи при испарении пленки жидкости. Однако для достижения интенсификации теплоотдачи при пузырьковом кипении необходимо использовать поверхности с упорядоченной микроструктурой, характеристики которой способствуют созданию большего количества центров парообразования, приводят к более раннему началу кипения и снижению температурных напоров, и, таким образом, достижению более высоких коэффициентов теплоотдачи и увеличению критического теплового потока [6].
Первые результаты по исследованию теплоотдачи в режиме пузырькового кипения, проведенные на микроструктурированной поверхности №1 (рис. 3), показали, что теплоотдача при кипении увеличивается в 3 раза по сравнению с гладкой поверхностью [7]. Поверхность представляет собой оребрение, полученное деформирующим резанием [8] с последующей накаткой прямым накатным роликом по вершинам ребер. Коэффициент увеличения площади теплоот-дающей поверхности К = 5.4.
В плане интенсификации теплоотдачи в режиме кипения в пленке перспективно выглядит еще один тип микроструктурированной поверхности, также созданной с помощью метода деформирующего резания - так называемая микроштырьковая поверхность, ранее хорошо зарекомендовавшая себя в условиях большого объема. Параметры выбранной авторами для следующего этапа исследований микроштырьковой поверхности близки к параметрам упомянутой выше микроструктурированной поверхности № 1. Шаг микроштырьков на поверхности в направлении течения пленки составляет 100 мкм, шаг по окружности - 300 мкм, высота штырьков - 150 мкм (толщина штырька составляет примерно 0.5 от величины шага оребрения). Первые данные по теплоотдаче, полученные авторами для этой поверхности, показывают увеличение коэффициента теплоотдачи в режиме кипения в два раза и более по сравнению с гладкой поверхностью.
Рис. 3. Микроструктурированная поверхность № 1:
а) вид сверху (горизонтальная ориентация участка); б) разрез по структуре (ребрам); шаг ребер - 100 мкм, высота ребер - 220 мкм, шаг накатки - 318 мкм
Исследование выполнено в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда, проект № 14-49-00010 (блок работ по исследованию теплообмена на крупной сетке и на микроштырьковой поверхности), гранта РФФИ, проект № 16-08-00489 (блок работ по микротекстуре №1), а также при поддержке Министерства образования и науки РФ (работы, связанные с изготовлением микротекстурированных поверхностей).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Испарение и кипение пленки бинарной смеси хладонов на вертикальном цилиндре с сетчатым покрытием / О. А. Володин, А. Н. Павленко, Н. И. Печеркин, В. С. Сердюков // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. - 2014. - Т. 9, № 1. - С. 70-78.
2. Павленко А. Н., Печеркин Н. И., Володин О. А. Испарение и кипение пленки смеси хладонов, стекающей по цилиндру с сетчатым покрытием // Инновационная наука. - 2016. -№ 9. - С. 15-22.
3. Володин О. А., Печеркин Н. И. Теплообмен и кризисные явления в пленках смесей фреонов, стекающих по структурированной поверхности // Тепловые процессы в технике. -2012. - Т. 4, № 2. - С. 56-67.
4. 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, № 1. - С. 143-154.
5. Павленко А. Н., Печеркин Н. И., Володин О. А. Теплообмен и кризисные явления в стекающих пленках жидкости при испарении и кипении. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2016. - 196 с.
6. Щелчков А. В., Попов И. А., Зубков Н. Н. Кипение жидкости на микроструктурированных поверхностях в условиях свободной конвекции // Инженерно-физический журнал. -2016. - Т. 89, № 5. - C. 1160-1169.
7. Теплообмен при кипении в условиях пленочного течения бинарной смеси хладонов по поверхности с микроструктурой / О. А. Володин, А. Н. Павленко, Н. И. Печеркин, Н. Н. Зубков, Ю. Л. Битюцкая // Инновационная наука. - 2016. - № 12. - С. 8-15.
8. Зубков Н. Н. Получение подповерхностных полостей деформирующим резанием для интенсификации пузырькового кипения // Вестник машиностроения. - 2014. - № 11. - С. 75-79.
© О. А. Володин, Н. И. Печеркин, А. Н. Павленко, Н. Н. Зубков, Ю. Л. Битюцкая, 2017
