Введение к работе
Актуальность темы. Пленочные течения жидкости широко используются в различных технологических процессах для интенсификации тепломассо-переноса. Режимы испарения и кипения в тонких пленках жидкости обеспечивают при малых расходах жидкости и низких температурных напорах высокую интенсивность теплообмена. Компактные испарители с пленочным течением жидкости находят применение в дистилляционных (в том числе криогенных) установках, системах охлаждения и термостабилизации (в том числе, в космических приложениях), в крупномасштабных аппаратах по ожижению природного газа, в пищевой промышленности и т.д. Пленочные течения также реализуются в снарядных и кольцевых режимах течения двухфазных потоков в канальных теплообменных системах. Использование пленочных теплообменников с управляемой нестационарной тепловой нагрузкой перспективно для разработки малогабаритных быстродействующих выпарных аппаратов.
Известно, что области высокоэффективного теплообмена при испарении и кипении в стекающих плёнках жидкости ограничены по тепловому потоку развитием кризиса. При достижении критического теплового потока жидкость отделяется частично или полностью от теплоотдающей поверхности, что сопровождается резким снижением интенсивности теплообмена и соответствующим ростом температуры поверхности, приводящим к разрушению тепловыделяющего элемента. Развитие кризисных явлений в существенной мере зависит от целого ряда факторов (режимные параметры течения, длина тепло-отдающей поверхности, физические свойства исследуемой жидкости, недог-рев жидкости относительно температуры насыщения и т.д.). Одним из важнейших факторов является нестационарность тепловыделения, в значительной степени определяющая развитие процесса теплообмена перед кризисом и достижение максимальных значений плотности теплового потока. Тепловая нестационарность является общей особенностью работы целого ряда теплообменных аппаратов и систем термостабилизации.
Вопросы, связанные с развитием теплообмена и кризисных явлений при кипении в условиях свободной конвекции при резком увеличении тепловой нагрузки, в настоящий момент исследованы всесторонне. В то же время, исследования возникновения сухих пятен при испарении, развития кризиса при кипении в стекающих плёнках жидкости в современных справочных изданиях по теплообмену ограничены условиями стационарного тепловыделения. Закономерности процессов теплообмена и развития кризисных явлений в стекающих плёнках криогенной жидкости при различных граничных условиях на тепловыделяющей поверхности (Т„ - const, q„ - const) в условиях стационарного тепловыделения исследованы недостаточно. Динамика и параметры распада плёночных течений при развитии испарения и вскипания жидкости в условиях нестационарного тепловыделения остаются не изученными.
Целью работы является:
-
Получение новых опытных данных по локальной теплоотдаче, критическим тепловым потокам в режимах испарения и кипения в стекающих плёнках жидкого азота при стационарном законе тепловыделения.
-
Исследование динамики развития теплообмена и кризисных явлений при плёночных течениях жидкости в условиях ступенчатого и периодического импульсного законов тепловыделения в широких диапазонах изменения определяющих параметров.
Научная новизна:
Исследовано влияние плотности теплового потока на теплоотдачу при испарении в стекающих ламинарно-волновых плёнках азота при стационарном тепловыделении при граничном условии q„ - const. Анализ экспериментальных результатов показал, что опытные данные по безразмерному коэффициенту теплоотдачи в режиме интенсивного испарения не могут быть описаны в рамках существующих полуэмпирических зависимостей, полученных для высокотемпературных жидкостей.
Впервые получены экспериментальные данные по динамике развития теплообмена и распада жидкости в стекающих плёнках при нестационарном тепловыделении. Обнаружено, что при ступенчатом законе тепловыделения в области малых чисел Рейнольдса кризис осушения в режиме подавления вскипания происходит в результате полного локального испарения жидкости в остаточном слое между гребнями крупных волн с последующим расширением сухих пятен. С увеличением числа Рейнольдса кризис осушения наступает в результате вырождения метастабильных регулярных структур. Впервые показано, что в области высоких тепловых нагрузок кризис теплообмена в стекающих плёнках жидкости определяется динамикой распространения высокоскоростных самоподдерживающихся фронтов испарения.
Показано, что в области малых тепловых нагрузок опытные данные по времени ожидания вскипания увеличиваются с уменьшением числа Рейнольдса и для описания опытных данных необходимо учитывать испарение со свободной поверхности и вклад конвективной составляющей теплообмена. В области высоких амплитуд тепловой нагрузки экспериментальные данные по времени ожидания вскипания совпадают для различных чисел Рейнольдса и описываются расчётом для режима нестационарной теплопроводности при достижении на тепловыделяющей поверхности температуры предельного перегрева.
Обнаружено, что при заданной неравномерности степени орошения по ширине теплоотдающей поверхности происходит последовательная смена механизмов распада пленочного течения от режима развития сухого пятна к режиму самоподдерживающихся фронтов испарения, характеризующемуся более чем на порядок высокими скоростями распространения границ.
Впервые показано, что в процессе повторного смачивания перегретой поверхности стекающей плёнкой жидкости средняя скорость перемещения границ кипящих струй значительно превышает среднюю скорость движения границ испаряющейся плёнки. Время полного коллапса сухих пятен определяется минимальной скоростью, т.е. скоростью перемещения границ испаряющейся плёнки в межструйных зонах двумерного фронта смачивания.
Показано, что в условиях периодического тепловыделения при больших длительностях импульсов критические значения тепловой нагрузки, соответствующие возникновению устойчивых сухих пятен, приближаются к аналогичным значениям для стационарного тепловыделения. Критические значения амплитуды импульсов, соответствующие полному осушению, определяются процессом вытеснения регулярных струй жидкости с развитым пузырьковым кипением и согласуются с результатами расчёта для равновесной плотности теплового потока.
Достоверность полученных результатов обеспечивается проведением специальных тестовых и калибровочных экспериментов с применением прецизионных датчиков и современной вторичной измерительной аппаратуры, оценкой величин погрешности измерений. Надёжность опытных данных подтверждается повторяемостью результатов опытов, сопоставлением полученных экспериментальных данных с данными математического моделирования.
Автор защищает:
Опытные данные по локальной теплоотдаче и критическим тепловым потокам в стекающих ламинарно-волновых плёнках криогенной жидкости в режиме кипения и испарения при стационарном законе тепловыделения с граничным условием на нагревателе q„ ~ const.
Результаты экспериментального исследования динамики развития процессов теплообмена и кризисных явлений в стекающих плёнках жидкости при ступенчатом законе тепловыделения.
Опытные данные по характерным временам развития переходных процессов в плёнке жидкости: временам ожидания вскипания, формирования регулярных структур и полного осушения теплоотдающей поверхности.
Результаты экспериментального исследования динамики распространения самоподдерживающихся фронтов испарения в стекающих плёнках жидкости при ступенчатом законе тепловыделения.
Результаты исследования особенностей распада стекающей пленки жидкости при ступенчатом законе тепловыделения в условиях неравномерного орошения по ширине тепловыделяющей поверхности.
Результаты экспериментального исследования динамики повторного смачивания стекающей пленкой жидкости теплоотдающей поверхности, перегретой в импульсных режимах тепловыделения.
Результаты экспериментального исследования развития кризисных явлений в стекающей плёнке жидкости при периодическом тепловыделении.
Практическая ценность. Результаты исследований важны при разработке теплообменников - испарителей периодического действия, управляемых быстродействующих испарителей - дозаторов, отборников состава в измерительной технике, а также при лазерной обработке материалов с использованием пленочного охлаждения для создания модифицированных поверхностей. Практические рекомендации, полученные при проведении данных исследований, необходимы для определения безопасных и устойчивых режимов работы систем термостабилизации и устройств с пульсациями тепловой мощности при плёночном охлаждении тепловыделяющих поверхностей.
Личный вклад. Разработка программного обеспечения для автоматизации экспериментального исследования, разработка и изготовление рабочих участков, проведение экспериментов, обработка, анализ и обобщение экспериментальных данных были выполнены автором самостоятельно, либо при его непосредственном участии.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на XXVIII и XXIX Сибирских теплофизических семинарах (Новосибирск, 2005, 2010); Международных научных студенческих конференциях «Студент и научно технический прогресс» (Новосибирск, 2005-2009); Всероссийской научной студенческой конференции ВНКСФ-12 (Новосибирск, 2006); XV Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Рыбинск, 2005); 4-ой и 5-ой Российских национальных конференциях по теплообмену (Москва, 2006, 2010); Всероссийских конференциях молодых учёных «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2006, 2007), Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2007» (Новосибирск, 2007); XVI Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (Санкт-Петербург, 2007); Пятой Балтийской конференции по теплообмену (5th ВНТС) (Санкт-Петербург, 2007); Всероссийской школе - семинаре молодых учёных «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии» (Новосибирск, 2007); The Fifth International Conference on Transport Phenomena In Multiphase Systems «HEAT 2008» (Bialystok, Poland, 2008); The Third International Topical Team Workshop on Two-Phase Systems for Ground and Space Applications (Brussels, Belgium, 2008); The Fourth International Symposium on Non-Equilibrium Processes, Plasma, Combustion and Atmospheric Phenomena «NEP-CAP 2009» (Sochi, Russia, 2009); Российских симпозиумах "Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах (Новый Афон, Абхазия, 2007, 2009); The 7th International Conference on Heat Transfer, Fluid Me-
chanics and Thermodynamics «HEFAT 2010» (Antalya, Turkey, 2010); The 14th International Heq.t Transfer Conference «IHTC-14» (Washington, USA, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 33 работы, в том числе 8 в реферируемых журналах, из которых 5 в перечне ВАК.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объём диссертации - 153 страницы текста и 42 рисунка. Список литературы насчитывает 116 наименований.
