Экспериментальное исследование кипения при вынужденном течении недогретой жидкости Васильев Николай Викторович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Обзор литературных источников 17

1.1. Общая картина кипения недогретой жидкости, статистические характеристики процесса 17

1.2. Механизм кипения недогретой жидкости 28

1.3. Теплоотдача при кипении недогретой жидкости 29

1.4. Критические тепловые потоки при кипении недогретой жидкости .32

1.5. Интенсификация кипения путем модифицирования греющей поверхности 38

1.6. Выводы по Главе 1 51

Глава 2. Исследование механизма кипения недогретой жидкости 53

2.2. Неопределенности измерений 57

2.3. Характеристики процесса кипения недогретой воды 59

2.3.1. Методика проведения экспериментов и обработка данных 59

2.3.2. Результаты исследования характеристик кипения 62

2.4. Опыты с одиночным пузырем 66

2.4.1. Установка и методика проведения экспериментов 67

2.4.2. Сравнение характеристик одиночного пузыря и пузырей на греющей поверхности большой площади 69

2.4.3. Характеристики одиночного пузыря 73

2.5. Выводы по Главе 2 78

Глава 3. Некоторые вопросы кризиса кипения недогретой жидкости 81

3.1. Образование и поведение крупных пузырей вблизи кризиса 81

3.1.1. Установка и методика проведения экспериментов 82

3.1.2. Результаты исследований образования и поведения крупных паровых пузырей и сухих пятен 84

3.2. Влияние растворенного газа на критический тепловой поток при кипении недогретой жидкости 89

3.2.1. Установка и методика проведения экспериментов 90

3.2.2. Метод идентификации газовых пузырей 91

3.2.3. Результаты исследования 94

3.3. Выводы по Главе 3 98

Глава 4. Кипение недогретой жидкости на структурированных поверхностях 99

4.1. Технологии изготовления покрытий и их характеристики 100

4.1.1. Покрытие, нанесенное методом осаждения наночастиц при кипении наножидкости 100

4.1.2. Покрытие, нанесенное методом микродугового 102

4.2. Методика проведения исследования 103

4.3. Результаты исследования 104

4.4. Выводы по Главе 4 111

Глава 5. Исследование кипения недогретой диэлектрической жидкости Novec 649 113

5.1. Свойства жидкости Novec 649 118

5.2. Методика проведения исследования 120

5.3. Результаты исследования 121

5.4. Выводы по Главе 5 125

Общие выводы и заключения 126

Список литературы 128

• Общая картина кипения недогретой жидкости, статистические характеристики процесса
• Результаты исследования характеристик кипения
• Результаты исследования
• Результаты исследования

Введение к работе

Актуальность темы. Кипение недогретой жидкости представляет собой тип кипения, который имеет место, когда жидкость, с температурой ниже температуры насыщения, приходит в контакт с поверхностью нагревателя достаточно горячей, чтобы вызвать кипение. При этом, попав в область холодной жидкости, паровые пузырьки конденсируются, и не происходит результирующего отвода (накопления) паровой фазы в объем жидкости или ядро потока.

Недогретое кипение (или поверхностное кипение, поскольку паровые пузыри локализованы непосредственно у поверхности нагревателя) широко используется в технологических процессах, связанных с отводом высоких, в том числе экстремальных, тепловых потоков. Оно применяется в ракетной технике, пучковых мишенях, металлургии, импульсных МГД-установках, термоядерных реакторах. Реализуемые при этом коэффициенты теплоотдачи (КТО) для воды могут достигать сотен кВт/(м²К) и существенно превышать аналогичные значения, достижимые другими методами теплообмена. Очень высоки и плотности критических тепловых потоков (КТП).

Сегодня имеющихся экспериментальных данных по недогретому кипению и описывающих их расчетных соотношений в целом достаточно для практического инженерного конструирования систем охлаждения, использующих данный метод теплоотвода. В то же время существующие описания механизма кипения сильно недогретой жидкости в значительной степени следуют из умозрительных заключений, опирающихся преимущественно на интегральные характеристики процесса (КТО, КТП, перепад давления в канале). Однако конкретных данных по поведению паровых пузырей, структуре потока, особенно при больших плотностях тепловых потоков и высоких недогревах, явно недостаточно для успешной разработки феноменологических моделей явления, не говоря уже о его математическом описании. Поэтому сегодня актуальными являются экспериментальные исследования с целью получения новой информации о таких характеристиках процесса, как плотность центров парообразования, регулярность их функционирования, размеры пузырей, продолжительность отдельных фаз жизни и эволюция формы пузырей.

Для обеспечения надежной работы оборудования в режиме недогретого кипения необходимо достоверно знать значения КТП, что связано с пониманием механизма наступления кризиса теплопередачи. На сегодня имеются модели КТП, обеспечивающие неплохие результаты для определенных жидкостей в ограниченных диапазонах недогревов и скоростей потока. Однако общепризнанной теории кризиса кипения недогретой жидкости в канале нет. Количество экспериментальных данных для верификации имеющихся либо разработки новых более универсальных моделей КТП ограничено. Поэтому важной задачей является исследование взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов изменения структуры

течения при кипении недогретой жидкости в канале и величины критического теплового потока.

В повседневной инженерной практике чаще используется кипение жидкости, нагретой до температуры насыщения. Уже достаточно давно начали предприниматься многочисленные попытки интенсифицировать теплоотдачу при кипении жидкости при температуре насыщения. Среди методов интенсификации теплоотдачи при кипении одним из наиболее часто применяемых является модификация поверхности с использованием микро-и наноструктур различного типа путем создания поверхностей с регулярной или нерегулярной шероховатостью. Кипение сильно недогретой воды уже само по себе отличается повышенной интенсивностью теплоотдачи и очень высокими КТП. Принципиально отличается от кипения жидкости при температуре насыщения и механизм кипения сильно недогретой жидкости. Возникает естественный вопрос, можно и целесообразно ли с помощью тех или иных модификаций структуры поверхности кипения дополнительно интенсифицировать теплоотдачу при кипении недогретой жидкости.

Задачи отвода тепловых потоков q до 100 Вт/см² (1 МВт/м²) в электронике достаточно уверенно решаются путем использования однофазного конвективного охлаждения водой. Однако, существует гипотетическая (но отнюдь не нулевая) угроза больших экономических потерь при выходе системы из строя вследствие электрического замыкания в случае пробоя в системе водяного охлаждения. Особенно это может быть ощутимо в таких устройствах, как например, суперкомпьютеры и статические преобразователи и суперконденсаторы киловольтного и мегаваттного диапазона. Использование охладителя с существенно более высокими диэлектрическими характеристиками, нежели дистиллированная вода, например такого, как жидкость Novec 649 компании ЗМ способно решить эту проблему. Такие охладители имеют существенно более низкие теплопроводность и теплоемкость, что исключает сохранение системы однофазного конвективного охлаждения. При недогретом кипении по сравнению с кипением жидкости при температуре насыщения можно достичь намного больших КТО, а также отсутствует унос паровых пузырей в ядро потока, ведущий к росту гидравлического сопротивления канала и другим нежелательным последствиям. Поэтому применительно к поставленному выше вопросу актуальным является исследование кипения недогретой диэлектрической жидкости Novec 649 в условиях вынужденного течения.

Цели работы

1. Используя современные измерительные средства и методы, в частности высокоскоростную видеосъемку процесса расширить базу данных по статистическим характеристикам процесса недогретого кипения, таким как: распределение и устойчивость центров парообразования, плотность центров на единицу площади греющей поверхности, распределение пузырей по размерам, частота возникновения пузырей, длительность фаз жизни и эволюция формы пузырей в условиях кипения на гладких и искусственно

структурированных типах греющих поверхностей в широком диапазоне плотностей тепловых потоков и недогревов до температуры насыщения.

2. Экспериментально показать возможность исследования динамики
паровых пузырей при кипении недогретой воды в области высоких тепловых
потоков (более 1 МВт/м²), посредством изучения поведения одиночного
пузыря, получаемого путем локализованного лазерного нагрева поверхности,
и при её наличии провести такое исследование.

3. Сопоставить полученные результаты с известными моделями кипения
недогретой жидкости, и оценить их эффективность.

4. Провести исследование динамики крупных паровых пузырей
(агломератов) при приближении к кризису кипения недогретой жидкости.

1. Получить дополнительную информацию о влиянии растворенного в жидкости газа на величину критического теплового потока.

2. Уточнить степень влияния структурирования греющей поверхности на статистические характеристики процесса и интенсивность теплоотдачи при кипении недогретой жидкости.

7. В качестве практической реализации технологии охлаждения
поверхностей нагрева кипением недогретого охладителя, исследовать
возможность отвода плотностей теплового потока до 1 МВт/м² с помощью
кипения недогретой диэлектрической жидкости Novec 649, заметно
отличающейся в худшую сторону от воды по теплофизическим свойствам, но
обеспечивающей повышенную надежность работы электроники.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Получен массив опытных данных по характеристикам процесса кипения недогретой жидкости: распределению и устойчивости центров парообразования, плотности центров на единицу площади греющей поверхности, распределению пузырей по размерам, частоте возникновения пузырей, длительности фаз их жизни, размерам и эволюции формы пузырей в условиях кипения на гладких и искусственно структурированных греющих поверхностях.

2. Выявлено хаотическое пространственное распределение центров парообразования при кипении недогретой воды, и показана полная деактивация действующих центров как на технически гладких, так и на искусственно структурированных греющих поверхностях.

3. Показана возможность изучения динамики парового пузыря при кипении недогретой воды в области высоких тепловых потоков q (больше 1 МВт/м²) посредством получения одиночного пузыря с помощью локализованного лазерного нагрева поверхности.

4. Продемонстрировано, что в условиях больших недогревов
структурирование поверхности слабо влияет на статистические
характеристики и интенсивность теплоотдачи.

5. Показана возможность накопления при кипении недогретой жидкости
неконденсирующегося газа у греющей поверхности, вызывающего
существенное снижение критических тепловых нагрузок.

6. Разработана методика экспериментального исследования посредством синхронизированных скоростных видеосъемок в двух взаимно перпендикулярных поверхностях эволюции крупных паровых пузырей (агломератов) при приближении к кризису кипения недогретой жидкости.

7. Экспериментально показана возможность отвода плотности теплового потока q = 1 МВт/м² с помощью кипения в условиях вынужденного течения недогретой диэлектрической жидкости Novec 649, что важно для обоснования новых систем охлаждения электроники.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием современных аттестованных средств измерения и тщательной отработкой методов определения параметров, оценкой неопределенностей измерений, согласием полученных результатов с надежными данными других экспериментов в совпадающих диапазонах режимных параметров.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что разработанные экспериментальные методики и массив полученных данных должны обеспечить и более глубокое понимание механизма кипения недогретой жидкости и выявить наиболее достоверную модель процесса, что необходимо для построения расчетных соотношений для проектирования систем охлаждения на основе данной технологии. Поскольку кипение недогретой жидкости является одним из наиболее интенсивных методов отвода тепла, при котором достигаются максимально высокие критические плотности тепловых потоков, то это имеет практическую значимость для технологических процессов, связанных с отводом экстремальных тепловых потоков.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика исследования и конструкция экспериментальной установки для изучения кипения недогретой воды в канале, а также методики проведения экспериментов по изучению динамики парового пузыря в области высоких тепловых потоков q (больше 1 МВт/м²) посредством получения одиночного пузыря с помощью локализованного лазерного нагрева поверхности и эволюции паровых агломератов посредством синхронизированных скоростных видеосъемок в двух взаимно перпендикулярных поверхностях.

2. Полученная в результате экспериментов база данных по статистическим характеристикам кипения недогретой воды: плотности центров на единицу площади греющей поверхности, устойчивости центров кипения, распределению пузырей по размерам, эволюции формы и размеров пузыря во времени, хаотическому пространственному распределению центров парообразования при кипении недогретой воды и полной деактивации действующих центров.

3. Экспериментально обнаруженное слабое влияние в условиях больших недогревов структурирования греющей поверхности на статистические характеристики и интенсивность теплоотдачи.

4. Полученные данные по влиянию растворенного в жидкости газа на критические тепловые нагрузки при недогретом кипении в большом объеме, а также вероятный механизм наступления «газового» кризиса кипения.

5. Экспериментально показанная возможность отвода теплового потока плотностью q = 1 МВт/м² посредством кипения недогретой диэлектрической жидкости Novec 649 в условиях вынужденного течения.

Личный вклад автора

Все положения, выносимые на защиту, получены лично автором или при его определяющем участии. Автором осуществлена постановка целей и задач исследования; он принимал непосредственное участие в модернизации экспериментальной установки, планировании и проведении экспериментальных исследований; в обработке и анализе полученных данных; в подготовке публикаций по выполненной работе.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на: XX и XXI Школах-семинарах МОЛОДЫХ ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Звенигород, 2015г.; Санкт-Петербург, 2017г.); 9th International Conference on Multiphase Row (Florence, Italy, 2016r.); XV Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, Беларусь, 2016 г.); XIV Всероссийской школе-конференции молодых ученых с международным участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2016г.); XIV Международной научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2016г.); Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (Москва, 2017г.). Отмечены Дипломами за лучший доклад первой степени на XX Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Звенигород, 2015г.) и второй степени на XIV Всероссийской школе-конференции молодых ученых с международным участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2016г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ (5 статей, 7 тезисов докладов и материалов конференций), из них 4 статьи в журналах из списка ВАК РФ, 4 - в журналах, цитируемых в базах Web of Science, Scopus, общим объемом 4 п.л.

Структура и объем диссертационной работы

Общая картина кипения недогретой жидкости, статистические характеристики процесса

Одними из первых исследований характеристик механизма кипения недогретой жидкости, опирающиеся на скоростную видеосъемку процесса, были работы 1950-х годов Гюнтера [8] и Трещева [9, 10].

В [8] исследовалось кипение воды недогретой до температуры насыщения в условиях вынужденного течения в канале с прямоугольным поперечным сечением 5 х 12 мм2 и длиной 150 мм. В качестве теплоотдающей поверхности использовалась металлическая пластина шириной 3 мм, толщиной 0,1 мм и длиной 63 мм, которая была расположена на оси канала. Нагрев пластины осуществлялся электрическим током. В экспериментах использовалась предварительно дистиллированная и дегазированная вода. В результате дегазации, осуществляемой кипячением в течение 0,5 часа при пониженном давлении до ( 10 кПа), объемное содержание растворенного воздуха в воде снижалось до 0,3 мл/л.

В результате обработки фотографических съемок, выполненных с частотой кадров 20 кГц, были получены такие характеристики процесса, как средний максимальный радиус (Rmax) и среднее время жизни пузырей (тср), число пузырей (плотность) в единицу времени с единицы поверхности (N„), процент греющей поверхности, занятой пузырями (F ). Эксперименты выполнены в следующем диапазоне параметров: недогревов AtHed = 33-85 С, скоростей потока воды v = 1,5-6 м/с, давлений Р = 0,1-0,17 МПа и тепловых потоков q = 2,3-8 МВт/м2. По результатам наблюдений был сделан вывод о том, что при значениях недогрева выше 55 С пузыри растут и схлопываются, не отрываясь от греющей поверхности и скользя вдоль нее по направлению потока жидкости, и при этом сохраняя полусферическую форму. Посредством покадровой обработки были построены графики изменения радиусов пузырей во времени. Как наиболее важные нужно отметить такие результаты исследования [8], как увеличение средних размеров и времени жизни пузырей, числа пузырей в единицу времени на единицу поверхности и процента греющей поверхности, занятой пузырями, с уменьшением Atmd (Таблица 1) и и (Таблица 2) при постоянстве остальных параметров.

Помимо статистических характеристик процесса недогретого кипения в работе [8] измерялись величины q, при которых наступал пережог греющей пластины. При ступенчатом увеличении q при постоянных значениях AtHed, v и Р наблюдалось слабое уменьшение (до 40%) размеров и времен жизни пузырей, в то время как заселенность пузырями греющей поверхности N„ резко росла. Пузыри начинали сливаться в, так называемые, крупные паровые агломераты, что, по мнению автора [8], служило началом образования паровой пленки на греющей поверхности и наступлению пережога. По результатам проведенного экспериментального исследования была предложена формула (1.1) для вычисления значения теплового потока, соответствующего пережогу поверхности (qnep): Япер — const v0,5 AtHeA (1.1)

В работах [9, 10] исследовалось кипение воды недогретой до температуры насыщения в условиях вынужденного течения в канале с прямоугольным поперечным сечением 20 х 10 мм2. Горизонтально расположенная пластина из никеля шириной 6 мм, толщиной 0,1 мм и длиной 30 мм, нагреваемая электрическим током, служила в качестве теплоотдающей поверхности. Пластина приклеивалась к сделанной из текстолита стенке рабочего участка.

Эксперименты проводились при величинах тепловых потоков q = 1,2-5,8 МВт/м2, давлениях Р = 0,12-0,37 МПа, температуре воды гж- 50-100 С, и скорости потока v = 4 м/с. Производилась скоростная видеосъемка процесса кипения с частотой кадров 15 кГц. Было отмечено, что при неизменных режимных параметрах (q, Р, AtHed, v = const) размеры и периоды образования (интервал времени от появления пузыря до появления следующего) каждого пузыря не являются одинаковыми, а также со временем изменяется число активных центров парообразования на единицу площади (Z). Если всю совокупность измеренных значений, например максимального диаметра пузырей Dmax, разбить на равные интервалы и определить, какое количество значений попадет в тот или иной интервал, то при достаточно большом количестве N рассматриваемых значений Dmax получится связь между относительным числом значений щ/N, попавших в г -ый интервал, и значением величины Dmax. А кривая, соответствующая функции щ/N = p(Dmax), будет называться кривой распределения величины Dmax. В работе [9] было показано, что кривые распределения Dmax, периодов образования пузыря и Z являются близкими к гамма-функциям. Причем при увеличении дв2 раза от значения, соответствующего началу кипения, распределения Dmax оставались неизменными, в то время как при увеличении давления кривые распределения Dmax смещались в область меньших размеров. С ростом Р и q кривая Z смещалась в область больших значений диаметров пузырей.

Переход от статистических характеристик процесса недогретого кипения к интегральным в [9] предлагается через зависимость (1.2):

С помощью обработки кадров скоростных видеосъемок в [9] были построены кривые изменения диаметра пузырей во времени и отмечено, что на начальной стадии граница пузыря перемещается со скоростью до 12 м/c.

В работе [11] исследовалось распределение центров парообразования на греющей поверхности при кипении недогретой воды в большом объеме. В качестве теплоотдающей служила плоская поверхность площадью 25,4 х 25,4 мм2 медного блока с встроенными тринадцатью картриджными нагревателями. Эксперименты проводились при атмосферном давлении в диапазоне недогревов AtHed = 2-55 С и тепловых потоков q = 64-333 кВт/м2. Измерения распределения центров производились посредством регистрации паровых пузырьков с помощью медного зонда, перемещающегося вдоль двух перпендикулярных осей в плоскости параллельной поверхности нагрева. Когда зонд попадал в область парового пузыря, то выходной сигнал на нем резко падал вследствие различия в электрической проводимости воды и пара. Расположение центра парообразования для конкретного пузыря определялось по максимальной амплитуде падения напряжения. По периодичности падения сигнала определялось количество пузырей, возникающих в единицу времени на данном центре. В результате проведенного исследования было установлено случайное пространственное распределение центров парообразования, количество которых увеличивалось с ростом q (при фиксированном значении недогрева). Причем при увеличении q активировались новые центры без частичной дезактивации уже имеющихся. Изменение недогрева слабо влияло на количество центров. Было замечено неравномерное пространственное распределение плотности потока пузырьков пара с единицы поверхности в единицу времени.

В работе [12] проводилось исследование статистических характеристик процесса кипения недогретой воды в прямоугольном канале со сторонами 12 и 5 мм на поверхности плоской пластины из нержавеющей стали толщиной 0,08 мм, шириной 10 мм и длиной 150 мм. Эксперименты проводились при Р = 0,117 МПа в диапазоне тепловых потоков q = 3,4–4,7 МВт/м2 при фиксированных значениях недогрева AtHed = 84 С и скорости потока воды v = 1,7 м/c. В результате обработки скоростных видеосъемок процесса кипения (частота кадров 10 кГц) были определены средние значения максимальных диаметров Dmax и среднее время жизни пузырей тср, которые в исследованном диапазоне тепловых потоков менялись слабо, и были примерно равны Dmax = 400 мкм и тср = 400 мкс соответственно. В то же время с ростом q от 3,4 до 4,7 МВт/м2 было отмечено увеличение в 1,5 раза числа центров парообразования и уменьшение среднего времени ожидания (времени между схлопыванием предыдущего и появлением следующего) от 1,9 мс до 1,3 мс.

Особое внимание в работе [12] было уделено изучению активных центров парообразования при указанных выше параметрах режима. Как уже было сказано выше, с ростом q увеличивалось число активных центров парообразования, однако было отмечено, что появление нового центра в пределах 1,5-2 радиусов пузыря от уже активного зачастую сопровождалось деактивацией «старого» центра. В результате чего в отличие от работы [11], в которой не было замечено такого эффекта, авторы [12] говорят о необходимости учета частичной деактивации «старых» центров. В противном случае при расчете количества центров как функции q или перегрева стенки относительно температуры насыщения будет получаться завышенное число активных центров парообразования. С другой стороны, очевидно, что вероятность появления нового центра в непосредственной близости от уже активного меньше, чем на расстоянии 2-2,5 радиусов пузыря от него. Вследствие наличия такого взаимовлияния центров парообразования авторы [12] делают вывод о том, что нельзя считать распределение активных центров на поверхности нагрева совершенно случайным (хаотичным).

Результаты исследования характеристик кипения

Число центров парообразования, устойчивость их работы

С помощью высокоскоростной видеосъемки (50-100 кГц) при кипении воды с величиной недогрева Atmd = 75 С на гладкой теплоотдающей поверхности (с шероховатостью Ra = 0,15 мкм, измеренной с помощью профилометра Talystep) было зафиксировано хаотическое пространственное распределение пузырей на греющей поверхности во времени, то есть, отсутствие постоянно действующих центров парообразования, характерных для кипения жидкости при температуре насыщения (Рисунок 2.7). Можно было предположить, что данный факт связан с малой шероховатостью поверхности, однако пространственная хаотичность образования пузырей сохранилась и при кипении на греющей поверхности с шероховатостью Ra = 1,8 мкм [84, 85]. Данная картина наблюдалась и при значительно более низкой величине недогрева/1гКеэ= 35 С. Скорее всего, это объясняется тем, что при схлопывании парового пузыря в недогретой жидкости во впадине, которая являлась центром парообразования, не остается пузырька малого размера, как при кипении жидкости при температуре насыщения. Таким образом, происходит деактивация центра парообразования.

Распределение центров парообразования на гладкой поверхности из нержавеющей стали, AtHed = 75 С, pv = 650 кг/(м2с), q = 2,3 МВт/м2, размер кадра 3x3 мм. Кадры сняты последовательно через 1 мс.

На Рисунке 2.8 представлена зависимость числа пузырей N„ на 1 см2 в секунду от плотности теплового потока q. Формула для расчета N„ имела вид: где Ncp.K - среднее число пузырей на кадрах видеосъемки; FK - площадь поверхности, запечатленной на кадре, см2; тср - среднее время жизни пузырей, с. На Рисунке 2.8 видно, что при величине недогрева AtHed = 75 C и q = 1,3 МВт/м2 в течение 1 с на 1 см2 греющей поверхности возникают и заканчивают свое существование около 125 тысяч паровых пузырьков. А при увеличении плотности теплового потока до 3,6 МВт/м2 число пузырьков достигает значения в 350 тысяч. С уменьшением недогрева число пузырей заметно растёт - при Аінед = 53 C и q = 1,6 МВт/м2 оно составляет примерно 280 тысяч пузырей на 1 см2 в секунду.

Зависимость числа пузырей на 1 см2 в секунду от плотности теплового потока на гладкой поверхности из нержавеющей стали,

Размеры пузырей

На Рисунке 2.9 представлено распределение диаметров пузырей по размерам, полученное с помощью описанной выше программы обработки кадров видеосъемок, при двух разных недогревах и близких величинах q. Видно, что с уменьшением недогрева воды распределения смещаются в область больших диаметров. Аналогично на Рисунке 2.10 можно видеть, что распределения смещаются в область больших диаметров с увеличением q при одном значении недогрева.

Распределение пузырей по размерам на гладкой поверхности из нержавеющей стали, pv = 650 кг/(м2с), N - доля от полного количества пузырей: 1 -AtHed = 75 C, q = 2,3 МВт/м2; 2 -AtHed = 30 C, q =l,S МВт/м2. Рисунок 2.10.

Распределение пузырей по размерам на гладкой поверхности из нержавеющей стали, AtHed = 75 C, pv = 650 кг/(м2с), N - доля от полного количества пузырей: 1 - q = 2,3 МВт/м2; 2 - q = 3,6 МВт/м2.

Результаты исследования

На Рисунке 3.11 представлены полученные нами экспериментальные данные по критическим плотностям тепловых потоков, опубликованные в [100]. Видно, что степень дегазации воды существенно влияет на величину qKp. Это особенно проявляется при значительных недогревах до температуры насыщения. С уменьшением AtHed значения критических тепловых потоков сближаются. При этом необходимо помнить, что в диапазоне температур 20-60 С растворимость С02 в воде существенно падает.

Суммарный объем образующихся газовых пузырей напрямую связан со степенью дегазации жидкости. Он уменьшается при переходе от специально насыщенной газом жидкости к недегазированной жидкости, не подвергшейся специальному насыщению, и далее к жидкости, подвергшейся дегазации. Это наглядно продемонстрировано на Рисунке 3.12.

На Рисунке 3.12 видно, что количество, размеры и форма парогазовых образований существенно различны для насыщенной газом и дегазированной жидкостей. В случае кипения насыщенной газом воды создаются условия для образования длительно существующих крупных газовых агломератов (диаметром до нескольких мм), экранирования ими греющей поверхности и затруднения доступа к ней «свежих» порций жидкости. Иллюстрацией к сказанному является видеосъемка развития кризиса кипения на капилляре (Рисунок 3.13). Видно, как под крупными газовыми пузырями формируется перегретая зона, ведущая к расплавлению в этом месте рабочего участка. Малая тепловая инерция тонкостенного капилляра способствует ускоренному развитию этого процесса.

В случае дегазированной воды кризис теплоотдачи возникает при испарении жидкой пленки под паровым пузырем (Рисунок 3.14). Для этого требуется более высокая подводимая тепловая мощность, поскольку в более широком диапазоне плотностей теплового потока сохраняется возможность притока «свежей» жидкости к поверхности кипения. Каждая единица объема подтекающей к пузырю и испаряющейся в него воды приносит с собой определенное количество растворенного в ней газа. Будучи неспособным конденсироваться, этот газ сохраняется в жидкости после схлопывания парового пузыря, образуя периодически всплывающие или сидящие на греющей поверхности газовые пузыри.

В отличие от кипения недогретой воды, при кипении жидкости при температуре насыщения происходит отрыв пузырей от греющей стенки и унос их в ядро потока (объем жидкости). При этом пузыри уносят с собой и выделившийся газ, который составляет в этой ситуации малую долю общего объемного газосодержания двухфазного потока. То есть, накопление пузырьков газа у поверхности нагрева есть специфика недогретого кипения жидкости, содержащей растворенный газ.

Представленный выше анализ неправомерно в полной мере распространять на условия вынужденного течения, так как поток жидкости способствует сносу газовых пузырей с поверхности нагрева, снижает интенсивность их накопления у греющей поверхности. Можно полагать, что с ростом pv степень влияния концентрации растворенного газа на qKp будет снижаться, так как накопление газа у греющей стенки потребует более продолжительного отрезка времени и при ограниченной продолжительности эксперимента может не проявиться вообще.

Результаты исследования

Как было сказано выше, основной задачей являлось исследование возможности отвода q до 100 Вт/см2 от охлаждаемой поверхности с температурой стенки, не превышающей tcm = 70 С, с помощью кипения недогретого до температуры насыщения хладона Novec 649 в условиях вынужденного течения. Отсюда важнейшими определяемыми в эксперименте величинами являлись плотность теплового потока и температура греющей поверхности. На Рисунке 5.5 представлена экспериментальная зависимость q от tcm при различных значениях недогрева и скоростях жидкости, выступающих как параметры. Видно, что при температуре охладителя Novec 649 гж - 21 С и v = 6,5 м/с от греющей поверхности могут быть отведены тепловые потоки до 60 Вт/см2 (серия опытов 3), а при гж = 15,5 С до 80-85 Вт/см2 (серия опытов 2)

При tcm 70 С.

Из соображений обеспечения умеренного гидравлического сопротивления системы охлаждения «базовая» скорость охладителя была ограничена 6 м/с. Тем не менее, была проведена серия из четырех опытов при скорости охладителя 7,4 м/с и температуре жидкости 15 С (AtHed 35 С) на пластине из константана (МНМц 40-1,5) толщиной 0,5 мм. При данных режимных параметрах была достигнута q = 100 Вт/см2 (опыт 1, Рисунок 5.5). Таким образом, увеличение скорости охладителя совместно с увеличением толщины греющей пластины и изменением её материала на более теплопроводный (коэффициенты теплопроводности нихрома -14 Вт/(мК) и константана -22,5 Вт/(мК) в диапазоне изменения температур пластины в эксперименте) позволили увеличить отводимую плотность теплового потока.

Снижение скорости охладителя при неизменном значении его недогрева до температуры насыщения приводило к уменьшению достижимых плотностей теплового потока. На используемой экспериментальной установке не удавалось получить температуру жидкости на входе в рабочий участок ниже 15 С. По-видимому, уменьшение температуры жидкости Novec 649 до 5-7 С, например, с помощью холодильной установки, должно обеспечить отвод ещё более высоких тепловых потоков.

Гидравлическое сопротивление канала рабочего участка при q = 50-85 Вт/см2 и существенном значении недогрева/1гКеэ 32 С не превышало 4,2 кПа. При q = 100 Вт/см2, v = 7,4 м/с и недогреве AtHed 35 С величина потерь достигала максимального значения АР = 5,5 кПа (опыт 1, Рисунок 5.5). Согласно расчетам при однофазном течении жидкого Novec 649 в трубе с диаметром, равным эквивалентному диаметру прямоугольного канала в рабочем участке (d3Ke = 4 мм), на соответствующей длине гидравлическое сопротивление составило 3,6 кПа. Таким образом, можно сделать вывод, что кипение существенно недогретого до температуры насыщения потока Novec 649 {Atmd 30 С) практически не увеличивает гидравлическое сопротивление системы по сравнению с однофазным потоком. Величина коэффициента теплоотдачи лежала в пределах 20-30 кВт/(м2К) и несколько возрастала с увеличением температурного напора AtHac - tcm - tHac.

Следует отметить, что как увеличение недогрева до температуры насыщения, так и скорости потока охладителя приводило к росту критической величины отводимого теплового потока. При приближении к критической плотности теплового потока паросодержание потока жидкости резко увеличивается. Поэтому исследованная область экспериментов была заведомо ограничена диапазоном параметров, исключающим появление в потоке паровых крупных пузырей (нескольких мм). В описываемых в данной главе экспериментах даже при высоких q (до 100 Вт/см2) в потоке охладителя непосредственно за участком кипения наблюдались только отдельные пузыри небольших размеров (Рисунок 5.6) [119]. На Рисунке видно, что в потоке отсутствуют крупные паровые пузыри. Что, как отмечалось выше, является принципиально важным для надежности работы системы охлаждения.

Для сравнения на Рисунке 5.7 приведены фотографии потока охладителя при умеренных значениях скорости течения. Видно постепенное нарастание количества и размеров пузырей с увеличением плотности теплового потока, в итоге образующих течение типа эмульсии (Рисунок 5.7г), за которым обычно следует появление крупных паровых образований.