Введение к работе
Актуальность темы. Работа посвящена экспериментальному исследованию гидродинамики и теплообмена в вынужденном потоке кипящей жидкости в каналах малого диаметра при высоких приведенных давлениях. Актуальность исследований связана с устойчивым интересом к миниатюрным теплообменным устройствам. Каналы малого диаметра активно применяются в элементах компактных теплообменников, используемых в различных отраслях промышленности, таких как: компьютерная, автомобильная, космическая, криогенная и другие. Расчет подобных теплообменных аппаратов требует надежных уравнений.
Основная трудность при изучении процессов гидродинамики и теплообмена в каналах малого диаметра состоит в создании методик расчета коэффициентов гидравлического сопротивления и теплоотдачи в мини – и микроканалах в двухфазном потоке. Возможное влияние размера канала на гидродинамику и теплообмен в двухфазном потоке несомненно, поскольку существующие внутренние масштабы (размер парового пузырька, диаметр жидкой капли и толщина пленки в дисперсно-кольцевом режиме течения), могут стать соизмеримыми с диаметром канала, что приводит к большому разнообразию режимов течения. В этом случае расчет по уравнениям для "обычных" труб невозможен. Можно предполагать, что в области высоких приведенных давлений, режимы течения в миниканалах становятся идентичными тем, что наблюдаются в "обычных" каналах. Тогда для расчета теплоотдачи и критического теплового потока (КТП) можно использовать соотношения для "обычных" каналов. Очевидно, что в однофазных течениях нет оснований ожидать изменения в закономерностях переноса импульса и энергии с уменьшением размера канала, пока остается справедливым приближение сплошной среды.
На данный момент в литературе существует множество экспериментальных работ, посвященных данной тематики. В большинстве из них данные получены в области низких и умеренных приведенных давлений. Кроме того, предложенные авторами корреляции носят эмпирический характер, в большинстве своем описывающие лишь данные авторов. Именно поэтому они не могут прогнозировать результаты экспериментов с условиями, отличными от тех, при которых были получены. Область высоких приведенных давлений в миниканалах остается малоизученной.
Целями работы являются:
-
Получение систематизированного массива экспериментальных данных о гидродинамике и теплообмене при кипении вынужденных потоков в каналах малого диаметра при высоких приведенных давлениях;
-
Экспериментальное подтверждение предположения о том, что в области высоких приведенных давлений режимы течения в миниканалах становятся идентичными тем, что наблюдаются в "обычных" каналах. В этом случае для
расчета теплоотдачи в миниканалах можно использовать расчетные соотношения, полученные для "обычных" каналов;
3. Обобщение собственных опытных данных о потерях давления, теплоотдачи и КТП, анализ возможности применения известных расчетных методик в условиях высоких приведенных давлений.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Конструкция рабочего участка, методика проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных о гидродинамике и теплообмене в миниканале при высоком приведенном давлении;
-
Систематизированный массив экспериментальных данных о течении и теплообмене кипящего теплоносителя в миниканале в виде зависимостей коэффициента теплоотдачи, потерь давления и критического теплового потока от параметров потока теплоносителя и тепловой нагрузки;
-
Методики обобщения собственных экспериментальных данных о потерях давления, коэффициенте теплоотдачи и критическом тепловом потоке.
Научная новизна работы:
-
Получен систематизированный массив экспериментальных данных о потерях давления в двухфазном потоке, теплообмене и кризисе теплообмена при кипении в ранее малоисследованном диапазоне параметров потока;
-
Выявлены режимы теплообмена, не представленные ранее в литературе. Построены карты режимов;
-
Предложены методики расчета теплоотдачи, потерь давления и КТП в миниканалах в условиях высоких приведенных давлений в зависимости от параметров потока.
Достоверность и обоснованность экспериментальных результатов обеспечивается использованием современных средств измерения и методов определения параметров потока, повторяемостью и согласованием полученных данных с известными (как теоретическими, так и экспериментальными) данными других авторов в перекрывающихся областях параметров.
Практическая ценность:
-
Экспериментально обоснованы уравнения для расчета потерь давления, теплообмена и КТП при кипении в каналах малого диаметра.
-
Получены новые данные о КТП, ограничивающие режимы работы теплообменных устройств.
-
Результаты работы могут быть использованы при разработке конструкций новых теплообменных аппаратов. Апробация работы. Основные результаты диссертационного
исследования опубликованы в 2 работах в научных изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, в 8 трудах конференций и в 3 тезисах конференций. Список основных публикаций по теме исследований представлен в конце реферата. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
VIII ШКОЛА-СЕМИНАР молодых ученых и специалистов РАН
В.Е.АЛЕМАСОВА «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики
в энергомашиностроении», Казань 2012;
III Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий», Томск 2012;
Девятнадцатая ежегодная международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва 2013;
Международная конференция по теплопередаче IHTC-15, Киото, Япония 2014;
Российская национальная конференция по теплообмену РНКТ-5 и РНКТ-6, Москва 2010, 2014;
9-й Международный симпозиум по теплопередаче ISHT-9, Пекин, Китай 2016;
5-я конференция микро и нанопотоков, MNF-2016 Милан, Италия;
19-я и 21-я Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева, Орехово-Зуево 2013 и Санкт-Петербург 2017;
Международная конференция «Современные проблемы теплофизики и энергетики», Москва 2017.
Личный вклад автора. Материалы и результаты диссертационного исследования получены соискателем лично или в соавторстве. Автором существенно модернизирован экспериментальный стенд, произведены монтаж и тарировка измерительного оборудования. Были разработаны и изготовлены рабочие участки, смонтирована и отлажена система сбора и обработки информации для экспериментального стенда. Получен большой массив экспериментальных данных о гидродинамике и теплообмене при кипении потока жидкости в миниканалах при высоких приведенных давлениях в широком диапазоне режимных параметров. Выполнена обработка и обобщение полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы и содержит 152 страницы, 88 рисунков, 10 таблиц и 58 формул. Список литературы содержит 142 наименования.