Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор исследований 9
2. Описание методик исследований и экспериментальных установок 46
3. Исследование кипения в большом объеме на поверхностис покрытием из наночастиц 65
4. Исследование кипения в микроканале с покрытием из наночастиц 76
5. Формирование и характеристики покрытия из наночастиц .
Задачи дальнейших исследований 97
6.Выводы по работе 102
Библиографический список 104q
- Описание методик исследований и экспериментальных установок
- Исследование кипения в большом объеме на поверхностис покрытием из наночастиц
- Исследование кипения в микроканале с покрытием из наночастиц
- Формирование и характеристики покрытия из наночастиц
Описание методик исследований и экспериментальных установок
К сожалению, в настоящее время опубликовано немного работ, в которых исследовалось кипение в потоке наножидкостей и чистых жидкостей на поверхности с нанорпокрытием из наночастиц. В работе [51] приведены результаты исследования теплообмена в термосифоне, заполненном CNT-наножидкостью. Было установлено, что наножидкость ухудшает теплообмен по сравнению с чистым теплоносителем. В работе [59] также исследовалась теплоотдача в термосифоне, где в качестве теплоносителя использовалась вода и наножидкости на ее основе (А12Оз, СиО). Выявлен рост термического сопротивления и ухудшение теплопроизводительности в термосифоне, заполненном наножидкостью. В противовес исследованиям [51,59] выступает работа [52], в которой было обнаружено значительное увеличение теплоотдачи в миниатюрном термосифоне с наножидкостью вода-Cu в качестве теплоносителя.
Liu и Qiu [53] исследовали теплообмен при кипении наножидкости (вода-СиО) в условиях струйного натекания и выявили снижение коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении, в то же время был обнаружен рост критической тепловой нагрузки по сравнению с кипением чистой воды.
В работе [58] Lee и Mudawar исследовали кипение воды и наножидкости на ее основе (А1203) в системе микроканалов. Авторами выявлен факт осаждения наночастиц на стенках канала, однако данные по теплоотдаче отсутствуют. Кипение наножидкостей в горизонтальной трубе диаметром 8мм исследовалось в работе [60]. Авторами было отмечено значительное снижение коэффициента теплоотдачи, также был обнаружено, что на стенке трубы выпадает слой наночастиц. Значительный интерес представляют результаты, полученные в работе [61], в которой исследовалась теплоотдача и гидродинамика при кипении наножидкостей вода-А1203 различных концентраций в одиночном микроканале. На рис. 1.25 представлена зависимость критической тепловой нагрузки от массовой скорости при различных концентрациях наночастиц в растворе. Для всех режимов рост концентрации наночастиц приводит к значительному увеличению критической тепловой нагрузки, так разница в значении критической тепловой нагрузки для воды и наножидкости с концентрацией частиц 0.1 % составляет 30%. Также в работе представлены микрофотографии рельефа, получившегося в результате кипения наножидкости в микроканале рис. 1.26.
В работе [86] исследовалось кипение воды в одиночном микроканале 0.36x5x26 мм с поверхностью, покрытой медными микропроволоками (рис. 1.27). Было выявлено увеличение коэффициента теплоотдачи на поверхности с рельефом в области конвективного теплообмена (на 25%) и пузырькового кипения (на 56%), при этом рост гидравлического сопротивления в канале составил 20%.
Истинное объемное паросодержание оказывает значительное влияние на устойчивость кипения в микроканалах, однако в литературе данный вопрос освещен слабо. В работе [62] было установлено, что истинное объемное паросодержание при течении двухфазной смеси вода-азот в микроканалах с различным соотношением ширины к высоте находится в линейной зависимости от объемного расходного паросодержания и удовлетворительно описывается выражением 1.12 (которое с точностью до константы соответствует формуле Арманда):
В работе [82] произведено сравнение экспериментальных данных по истинному объемному газосодержанию при течении смеси вода-воздух в канале 43x3.25 мм. Установлено, что наилучшим образом экспериментальные данные описываются выражениями Ishii (1977), Jones&Zuber (1979), Sun (1980), Anklam&Miller (1982), Toshiba (Coddington&Macian, 2002). где а- коэффициент поверхностного натяжения, p- давление в системе, рс-критическое давление, h- высота канала, m - ширина канала, D-гидравлический диаметр, р- плотность, g- ускорение свободного падения, V-скорость фазы. В работах [63,65]предложены оптические методы исследования двухфазных потоков в микроканалах, позволяющие измерять истинное объемное паро-(газо-) содержание.
Исследование двухфазных потоков вода-воздух, R410A, R134a в системах каналов (6 и 14) диаметром 1.54 и 1.02 мм проведено в работе [64]. На основании полученных экспериментальных данных предложена расчетная зависимость для истинного объемного газосодержания при адиабатном течении в микроканале:
Результаты исследований истинного объемного паросодержания при кипении воды в мини- и микроканалах представлены в работе [102]. На рис. 1.28 показаны полученные авторами осциллограммы изменения истинного объемного паросодержания в щелевом канале в условиях естественной циркуляции. Помимо амплитуды и частоты пульсации объемного паросодержания предложенная авторами методика измерения (емкостной метод) позволилаопределить и толщину пленки жидкости под паровым пузырем, которая при р=0.1 бар, q=83000 Вт/м2 в щели высотой 0.5мм составила 20 мкм. Т, С
В монографии [69] приводится обзор ряда работ, посвященных оценке прочности агломератов коллоидных частиц. Размер механически устойчивого (прочного) агломерата может зависеть от диссипации энергии в соответствии с выражением [89]: где dmax- максимальный размер устойчивого агломерата, С и п-константы, є- удельная подводимая энергия жидкости (на единицу массы). В работе [89] была проведена оценка прочности агломерата частиц в условиях ламинарного течения. Основываясь на предположении о балансе сил Ван дер Ваальса и гидродинамических сил, действующих на частицы, авторы получили следующее выражение: где RH- безразмерный радиус агломерата (отнесенный к радиусу частицы а), А-константа Гамакера, 5- минимальное расстояние между частицами (1 нм и менее), G-скорость сдвига (градиент скорости), ц - динамический коэффициент вязкости. В целом, оценка прочности покрытий из наночастиц является самостоятельной задачей, включающей в себя расчет сил когезии материала наночастиц, адгезии слоя из наночастиц к подложке, а также оценку факторов и сил, стремящихся разрушить это покрытие. Вопросу изучения и описания явления адгезии посвящены монографии [108-109].
Покрытие поверхности теплообмена пористым слоем наночастиц представляется логическим продолжением микропористого покрытия, которое позволяет повысить критическую тепловую нагрузку, а в ряде случаев и теплоотдачу при кипении. Основным преимуществом покрытия из наночастиц перед микропористым покрытием является простота его нанесения - для этого требуется лишь реализовать кипение коллоидного раствора наночастиц на покрываемой поверхности. Таким образом, одним из основных применений данного покрытия может являться интенсификация теплообмена в микроканалах.
Несмотря на то, что за последние годы были опубликованы тысячи работ с результатами исследований кипения наножидкостей (коллоидных растворов наночастиц), а также кипения на поверхности, покрытой слоем наночастиц, ряд вопросов остается без ответа. Ответ на вопрос о причине роста критической тепловой нагрузки на поверхностях с рельефом из наночастиц может быть найден, например, в работах С.Кандликара, где предлагается расчетная зависимость для максимальной тепловой нагрузки при кипении, учитывающая смачиваемость поверхности. Смачиваемость поверхности (угол смачивания), как показано еще в работах Cassie&Baxter, Wenzel [83,84] сильно зависит от шероховатости поверхности, а точнее, от отношения истинной площади поверхности к видимой площади (к площади проекции). Поскольку это соотношение очень велико для поверхностей, покрытых слоем наночастиц, то в значительной мере изменится смачиваемость поверхности и критическая тепловая нагрузка на ней. При этом, если используются наночастицы, хорошо смачиваемые жидкостью, то логично предположить, что увеличится смачиваемость (уменьшится угол смачивания) и повысится максимальная тепловая нагрузка при кипении.
Исследование кипения в большом объеме на поверхностис покрытием из наночастиц
Кипение в большом объеме исследуется на установке, схема которой показана на рис.2.1а. В основе метода исследования лежит изучение кипения на рабочем участке (рис.2.16), обогреваемом прямым пропусканием тока [92-94]. Температура стенки рабочего участка измеряется хромель-алюмелевой термопарой, горячий спай которой касается внутренней поверхности трубчатого рабочего участка, а провода изолированы керамической трубкой. Диаметр горячего спая термопары - 0.3-0.4 мм. Жидкость в рабочей камере нагревается до температуры насыщения вспомогательным нагревателем. В ходе эксперимента осуществляется скоростная видеосъемка кипения в проходящем свете.
Рабочий участок выполнен в виде трубки из нержавеющей стали диаметром 1.2 мм с толщиной стенки 0.1 мм. Для уменьшения контактного электрического сопротивления трубка припаяна к токоподводам припоем типа ПОС-60. Перед началом эксперимента на поверхности рабочего участка создавалось покрытие из наночастиц [71]. Наночастицы выпадают на поверхности теплообмена при кипении коллоидного раствора (наножидкость). Более подробно процесс формирования покрытия описан в главе 5 настоящей работы. В качестве рабочей жидкости используется дистиллированная вода. Рис.2, la. Схема экспериментальной установки для исследования кипения в большом объеме на горизонтальной трубке. 1- рабочий участок, 2- рабочая камера, 3- токоподводы, 4- вспомогательный нагреватель, 5- сосуд Дюара, 6- АЦП, 7- источник
Рабочий участок для исследования кипения в большом объеме на поверхности с покрытием из наночастиц. 1- токоподвод, 2- рабочий участок (трубка из нержавеющей стали) Плотность теплового потока на рабочем участке вычисляется по формуле: где U- напряжение, подаваемое на рабочий участок, I- ток в рабочем участке, d-диаметр трубки, из которой изготовлен рабочий участок, L- длина рабочего участка.
Скоростная видеосъемка кипения проводится для последующего определения количества пара над рабочим участком. Данная величина при определенных условиях (паровые пузыри всплывают в одной плоскости, параллельной рабочему участку, и не перекрывают друг друга) в первом приближении равна истинному объемному паросодержанию. Предполагается, что координаты максимумов распределения количества пара вдоль рабочего участка (трубки) соответствуют положению постоянных центров парообразования, что позволяет делать качественные выводы об их изменении при нанесении покрытия из наночастиц на рабочий участок. Схема методики измерения количества пара над рабочим участком показана на рис.2.2а-2.2в.
Определение количества пара над рабочим участком производится автоматически при помощи программы, написанной на языке Delphi. Оператор вручную определяет область обработки на кадре скоростной видеосъемки (рис.2.2а) и при необходимости выделяет рабочий участок для более точного расчета количества пара. Далее область обработки условно разделяется на заданное количество подобластей (рис.2.26), в которых производится определение количества пара (рис.2.2в). Так как видеосъемка производится в проходящем свете, на каждом кадре паровые пузыри видны как более темные области, в отличие от светлой жидкости. Таким образом, определение количества пара в каждой из подобластей заключается в выделении темных участков (паровых пузырей) с последующим расчетом по формуле: где Х- количество пара в каждой подобласти, S- площадь темных участков (паровых пузырей), h- высота области поиска, 1- длина области поиска, п- число подобластей поиска.
Количество пара для каждой из подобластей осредняется по всем видеокадрам: где Хксред - осредненное количество пара для подобласти с номеромк, Xkf-количество пара в подобласти с номером к на кадре с номером f, F- число обработанных кадров.
В результате обработки строится распределение ХкСред(к) количества пара по длине рабочего участка.
Погрешность определения температурного напора А(АТ)/(АТ) = 11%, погрешность определения плотности теплового потока на стенке трубки Aq/q=3.3%.
Погрешность измерения количества пара над рабочим участком зависит от качества видеосъемки, настройки чувствительности программы обработки (точность определения границы парового пузыря). Также погрешность значительно возрастет с ростом тепловой нагрузки, когда паровые пузыри при росте и всплытии начинают перекрывать друг друга.
На рис.2.3 показана рассчитанная зависимость относительной погрешности измерения площади модельного пузыря от его диаметра при неточности определения границы, равной 2-м пикселам. В настоящей работе средний диаметр паровых пузырей составляет 40-60 пикселей (1.5-2 мм), таким образом, погрешность определения площади кадра, занятой паром, связанная с неточностью определения границы, не превышает 10%.
Относительная погрешность определения площади парового пузыря при неточности определения границы, равной двум пикселам. 2.3. Исследование кипения в одиночном микроканале
Схема экспериментального стенда для исследования кипения в микроканале представлена на рис.2.4. На рис.2.5а представлена схема медного блока (теплового клина) и термограмма его измерительной поверхности, а на рис.2.56 - распределение температуры на поверхности медного блока.
Исследование кипения в микроканале с покрытием из наночастиц
Пульсации (p(t) на рис.4.8а соответствует пузырьковому, либо снарядному режиму течения двухфазной смеси. Гидравлическое сопротивление в канале в данном режиме больше, чем в случае однофазного потока жидкости при равном массовом расходе [34,99].
Пульсации (p(t), представленные на рис.4.86, 9а и 96 соответствуют режиму течения, при котором канал периодически заполняется паром, при этом возможны и промежутки, когда паровые пузыри в канале отсутствуют. Паровые «пробки» способствуют увеличению гидравлического сопротивления в микроканале.
На рис.4.8в и 9в представлены пульсации (p(t), соответствующие режиму, когда микроканал большую часть времени заполнен паром. В соответствии с результатами [34,99]гидравлическое сопротивление в данных режимах в 3-4 раза выше, чем в однофазном потоке жидкости с равным массовым расходом. Среднее по каналу паросодержание в данном режиме превышает 0,85.
Смена режимов течения двухфазного потока, соответствующих рис.4.8а,9а - 86,96 - 8в,9в, сопровождается увеличением частоты пульсаций паросодержания от 14-18 Гц до 27-30 Гц. Интересно, что в исследованных режимах пульсации среднего истинного объемного паросодержания в канале обладают выраженной периодичностью.
Пульсации среднего по каналу истинного объемного паросодержания являются характерными для кипения в микроканале. Помимо пульсаций паросодержания в микроканале были обнаружены и пульсации самих паровых пузырей, растущих на греющей стенке во время кипения недогретой жидкости (рис.4.10), сходные с пульсациями растущих паровых пузырей при кипении в большом объеме [100]. Однако поскольку данные пульсации были отмечены лишь для паровых пузырей очень малого размера (десятки микрометров), то они не вносят существенного вклада в пульсации среднего по каналу паросодержания. к
На рис.4.11 показана зависимость истинного объемного паросодержания (газосодержания) от разницы балансовых паросодержаний на входе и выходе микроканала (рассчитанное балансовое паросодержание в микроканале составляло -0.2-Ю). Поскольку экспериментальные результаты работы [64] получены в адиабатных условиях, для них по оси абсцисс отложены значения массового паросодержания на выходе из канала. На графике также показаны результаты расчета по модели гомогенного течения:
Для описания полученных в настоящей работе экспериментальных данных по истинному объемному паросодержанию при кипении в микроканале без покрытия предложена эмпирическая формула, позволяющая удовлетворительно описать тенденцию изменения ф(х) при Ах 0.03. G- массовый расход, а - коэффициент поверхностного натяжения, ц динамический коэффициент вязкости, р - плотность. Полученные экспериментальные данные по истинному паросодержанию при кипении значительно отличаются от экспериментальных данных и расчетов для адиабатного потока в микроканале. Причины данного различия: изменение хи ф по длине канала при кипении, а также различные методики расчета х(Ах).
В экспериментах было установлено, что в области резкого роста ф(Ах) паросодержание при кипении в микроканале с покрытием из наночастиц выше, чем при кипении в микроканале без покрытия. Однако необходимо проведение дополнительных экспериментов для выяснения этой закономерности. ал
Зависимость истинного объемного паросо держания от разности балансовых паросодержаний на выходе и входе в микроканал. Вода. АТнед=80С Данные настоящей работы : 1- канал без покрытия, 2- канал с покрытием из наночастиц,3- расчет по формуле (4.2), Данные для адиабатных потоков (по оси абсцисс отложено значение массового паросо держания на выходе из канала): 4- расчет по модели гомогенного течения (4.1), 5- расчет по формуле (1.14) [64], 6-экспериментальные данные для адиабатного потока вода-воздух [64]. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1. Проведено исследование теплоотдачи при кипении воды в одиночном микроканале (высотой 0.2 мм) с покрытием из наночастиц А1203. Установлено, что теплоотдача при кипении в микроканале с покрытием из наночастиц не зависит от исходной шероховатости поверхности. 2. Обнаружен рост критической тепловой нагрузки при кипении в микроканале с покрытием из наночастиц, согласующийся с закономерностью для максимальной тепловой нагрузки в большом объеме при кипении на поверхности с нанорельефом. 3. Впервые измерены средние значения и пульсации истинного объемного паросодержания при кипении в одиночном микроканале высотой 0.2мм с исходной поверхностью и покрытием из частиц А1203. Пульсации объемного паросодержания позволяют проводить диагностику режимов течения двухфазного потока в микроканале. 4. Впервые получена зависимость истинного объемного паросодержания (в выходном сечении) от балансового паросодержания при кипении в микроканале с исходной поверхностью. Установлено, что истинное объемное паросодержание сильно отличается от зависимости для адиабатного потока. В канале с нанорельефом истинное объемное паросодержание в выше, чем в канале с исходной поверхностью.
Методика создания покрытия из наночастиц на поверхности нагрева описана в патенте [71]. На рис.5.1 представлены фотографии поверхностей проволоки из нержавеющей стали и никеля, на которых в результате кипения наножидкости образовался слой наночастиц оксида алюминия [72]. Данные снимки позволяют оценить среднюю толщину полученного слоя наночастиц. Средняя измеренная толщина покрытия на рис.5.1а составляет 5-6 мкм, перед проведением измерения участок проволоки был очищен от слоя наночастиц до исходного металла. На рис.5.16 средняя толщина слоя наночастиц составляет 1-2 мкм. На рис.5.16 видны участки поверхности с толщиной покрытия не более 100 нм, которые, по всей видимости, образовались в результате механического разрушения слоя наночастиц при кипении наножидкости.
Согласно рис.5.2, наночастицы выпадают на поверхности в районе т.н. «сухого пятна» под растущим паровым пузырем. Микрослой жидкости в районе сухого пятна (зона интенсивного испарения) представляется наиболее вероятной областью выпадения наночастиц за счет более высокой концентрации наночастиц, что в свою очередь может способствовать увеличению вероятности столкновения и агломерации частиц. В соответствии с предложенным выше механизмом образования покрытия его толщина может быть лимитирована толщиной 5тмикрослоя жидкости под паровым пузырем
Формирование и характеристики покрытия из наночастиц
На рис.4.1 представлен график зависимости измеренной температуры медного блока (для двух точек), а также рассчитанной температуры стенки микроканала от времени (измерения проведены для pw=50 кг/м с). На рис.4.2 представлена кривая кипения, полученная для данной массовой скорости. Вследствие большой тепловой инерции медного блока рост его температуры при достижении кризиса кипения происходит достаточно медленно, что позволяет, как было сказано выше, проводить измерения теплоотдачи в области переходного и пленочного кипения.
Измеренная температура медного блока (Т\ и Т2) на расстоянии 1.5 и 4 мм от поверхности нагрева и рассчитанная температура стенки микроканала (Тс) при кипении воды. АТнед=80оС pw=50 кг/м с. Атмосферное давление.
Зависимость тепловой нагрузки от температуры стенки микроканала с технически гладкой поверхностью. Вода. pw=50 кг/м с.
Атмосферное давление На рис.4.3а(б,в) представлены зависимоститепловой нагрузки от температуры стенки микроканалов с технически гладкой поверхностью и покрытием из наночастиц А1203 при массовых скоростях 50 кг/м с, 100 кг/м с и 300 кг/м с. В области конвективного теплообмена и пузырькового кипения коэффициенты теплоотдачи для канала с покрытием из наночастиц и канала без покрытия совпадают в пределах погрешности измерения. Однако кризис теплоотдачи в канале с покрытием отмечается при существенно более высоком значении тепловой нагрузки, которая превышает критическую тепловую нагрузку в канале без покрытия на 15-50%. Также обнаружено увеличение тепловой нагрузки в переходном режиме кипения в микроканале с покрытием. Разброс точек зависимостей q(Tc) на рис.4.За можно объяснить пульсациями расхода (относительно большими для данного режима), которые возникают в результате блокировки канала паром и реверса потока во время роста парового пузыря в микроканале. Более подробно эти явления будут описаны ниже. 4efi-, "№
Увеличение критической тепловой нагрузки и теплоотдачи в переходном режиме кипения при кипении в микроканале соответствует результатам, полученным при кипении в большом объеме и вызвано, вероятно, уменьшением краевого угла (улучшением смачиваемости) на поверхности с покрытием из наночастиц. Пористый слой наночастиц на поверхности может выступать в роли фитиля, увеличивая площадь поверхности, покрытую жидкостью. Следует также отметить, что в отличие от кипения в большом объеме на технически гладкой поверхности с нанесенным слоем наночастиц, кипение в микроканале на аналогичной поверхности не сопровождается уменьшением коэффициента теплоотдачи в области пузырькового кипения (рис.4.36, 4.3в), либо это уменьшение не столь существенно, как в большом объеме (рис.4.За).Данный эффект может быть объяснен тем, что при кипении в объеме тепловой поток отводится от поверхности теплообмена во время роста большого количества паровых пузырей, он пропорционален их количеству и, соответственно, плотности активных центров парообразования. При развитом кипении в микроканале число паровых пузырей значительно меньше.Как правило, в канале находится не более 2-х крупных паровых пузырей (снарядов).Поэтому такой параметр как плотность центров парообразования не является определяющим для теплоотдачи при кипении в микроканалах, незначительное уменьшение числа активных центров парообразования не приводит к уменьшению теплоотдачи.
На рис.4.4 данные по критической тепловой нагрузке сопоставлены с результатами К.Сузуки и расчетом по формуле (1.10). Значения критической тепловой нагрузки в настоящей работе определялись в точке перегиба кривой кипения (максимальная тепловая нагрузка), которые были построены для средней части микроканала.
Зависимость qKp(W) для точек, полученных в настоящей работе, сильнее, чем предсказывает формула (1.10), что может быть связано с малой относительной длиной микроканала -30, а также тем, что выражение (1.10) не учитывает недогрева жидкости до состояния насыщения. Кроме того, формула (1.10) разработана для канала с трехсторонним нагревом.
В отличие от работ К.Сузуки [45-47] в настоящей работе в исследованных условиях (скорость воды на входе в канал 0.05-0.5 м/с и температура недогрева 80С) не наблюдался так называемый эффект эмиссии микропузырьков пара (Microbubble Emission Boiling). Максимальная тепловая нагрузка в опытах соответствует точке перегиба кривой кипения, при дальнейшем повышении мощности нагревателя плотность теплового потока на стенке микроканала начинает уменьшаться, при этом температура стенки продолжает расти (переходный режим кипения). За счет тепловой инерции медного блока переход к пленочному кипению происходил в течение нескольких минут без существенного увеличения тепловой мощности, выделяемой нагревателем.
Во время экспериментов по исследованию кипения в микроканале проводилась скоростная видеосъемка, обработка материалов которой позволила получить данные по истинному объемному паросо держанию. На рис.4.5 представлены распределения паросодержания по длине канала (обогреваемой части) при различных массовых расходах и q=lMBT/M . Паросодержание в выходном сечении микроканала в представленных случаях близко к 1. С уменьшением массовой скорости потока происходит рост паросодержания во входном сечении канала и рост среднего по каналу паросодержания.
Даже при относительно невысокой тепловой нагрузке q=(0.25-0.3)qKp и недогреве жидкости до насыщения АТнед=80Систинное объемное паросодержание во входном сечении обогреваемой частиц микроканала значительно больше нуля, что является характерным для процесса кипения в микроканалах.
Для объяснения данного феномена следует обратиться к рис.4.6 и рис.4.7, на которых представлена зависимость относительной скорости движения границы раздела при росте парового пузыря в микроканале и видеокадры роста парового пузыря. В качестве нормировочной скорости (рис.4.6) выбрана скорость движения жидкости при данном массовом расходе. При достижении паровым пузырем (снарядом) размера 3мм сечение микроканала оказывается перекрыто паром. При этом растущий паровой снаряд не только перекрывает микроканал, но и начинает выталкивать жидкость, находящуюся за его хвостовой частью обратно к входному сечению, вызывая так называемый реверс потока [34,35].