Автореферат (Исследование кипения в микроканале с покрытием из наночастиц)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыУменьшение габаритов теплообменных аппаратов, используемых дляохлаждения электроники, в тепловых насосах, системах кондиционирования,малых химических реакторах будет способствовать понижению массы иэнергопотребления установки в целом, объема заправки теплоносителя,применению меньших по мощности насосов и компрессоров. Применениекомпактных микроканальных теплообменников в технике позволяет повыситьэнергетическую эффективность и снизить воздействие на окружающую среду.Несмотря на ряд экспериментальных и расчетных исследований, кипение вмикроканале остается сложным и во многом не понятым процессом.

Вмикроканалах возможно возникновение теплогидравлических неустойчивостей,которые осложняют применение компактных теплообменников в технике.Значительные трудности для практического применения создает и самаминиатюризация теплообменника. В микроканалах происходит снижение чиселРейнольдса, проявляется влияние капиллярных сил, и применение обычныхметодов интенсификации теплообмена встречает затруднения.Дляинтенсификациитеплообменавмикроканалахпредставляетсяперспективным покрытие поверхности слоем наночастиц, например, привыпадении из коллоидного раствора при кипении.

Число работ, в которыхисследовалась теплоотдача при кипени коллоидных растворов, растет, однакоданныеисследованийгидравлическихнеобходимымпротиворечивые.характеристиксовместноеприизучениеВзаимосвязькипениивтепловыхмикроканалетеплоотдачи,иделаетгидравлическогосопротивления, истинного объемного паросодержания и динамики паровыхпузырей. Важной задачей является изучение прочности покрытия изнаночастиц и данный вопрос очень слабо освещен в литературе.Таким образом, изучение прочности и механизма влияния покрытия изнаночастиц на кипение крайне важнодля разработки микроканальныхиспарителей с интенсификацией теплообмена.

Это и определяет актуальностьданной работы.3Цель и задачи исследованияЦелью настоящей работы является изучение влияния покрытия изнаночастиц, созданного на поверхности нагрева путем их осаждения изколлоидного раствора, на теплообмен и гидродинамику при кипении воды вмикроканале.Поставленная цель достигается решением следующих задач: Исследование кипения воды в большом объеме на поверхности спокрытием из наночастиц; Определение механизма влияния покрытия на теплоотдачу при кипении икритическую тепловую нагрузку; Изучение статического и динамических углов смачивания на поверхностис покрытием из наночастиц; Исследования теплообмена и истинного объемного паросодержания прикипении в микроканале с покрытием из наночастиц; Обсуждениепроблемформированияипрочностипокрытияизтеплоотдачеинаночастиц в условиях кипения.Научная новизнаПолученыновыеэкспериментальныеданныепокритической тепловой нагрузке при кипении воды в большом объеме наповерхности с покрытием из наночастиц Al2O3 и SiC.

В результате обработкиданных видеосъемки по предложенной в настоящей работе методике впервыеполучены распределения количества пара над рабочим участком, позволяющиеоценить изменение количества центров парообразования при кипении наповерхности с покрытием из наночастиц. Установлено, что изменениетеплоотдачи при кипении на поверхности с покрытием из наночастицпроисходит в результате увеличения либо уменьшения плотности центровпарообразования по сравнению с исходной поверхностью. Критическаятепловая нагрузка на поверхности с покрытием из наночастиц возрастает суменьшением контактного угла при оттоке жидкости.В работе исследовано кипение воды вмикроканале высотой 0.2мм спокрытием из наночастиц Al2O3 и без покрытия и впервые получены данные по4теплоотдаче и критической тепловой нагрузке.

Предложена и реализованаметодика определения истинного объемного паросодержания при кипении вмикроканале, впервые измерены средние значения и пульсации истинногообъемного паросодержания при кипении воды в микроканале с исходнойповерхностью и покрытием из наночастиц. Установлено, что при кипении водыв микроканале с покрытием из наночастиц оксида алюминия происходит росткритической тепловой нагрузки и теплоотдачи в переходной области.Теплоотдача в области пузырькового кипения не изменяется в исследованныхусловиях.Автор выносит на защиту Результаты исследования теплоотдачи и критической тепловой нагрузки,распределения количества пара вблизи стенки при кипении наповерхности с покрытием из наночастиц; Результатыисследованиятеплообменаиистинногообъемногопаросодержания при кипении в микроканале без покрытия и с покрытиемиз наночастиц Al2O3;ДостоверностьДостоверность результатов исследования обеспечивается применениемнадежных методик, сопоставлением с известными представлениями, оценкойпогрешности результатов измерений.Практическое применениеРезультаты исследования предполагаетсямикроканальноготеплообменникадляиспользовать при разработкеохлажденияинверторныхпреобразователей напряжения.Апробация работыОсновные результаты работы представлены на международных инациональных научных конференциях и симпозиумах: 4я Международнаяконференция по тепло- и массообмену в закрученных потоках (Москва, 2011г.), 8я Международная конференция по теплообмену при кипении иконденсации(Лозанна,2012г.),Школа-семинармолодыхученыхиспециалистов под руководством академика А.И.

Леонтьева (2013 г., 2015 г), 24й5Международныйсимпозиумпоявлениямпереноса (Ямагути,2013г.),Международная конференция по теплообмену (Киото, 2014г.), 6яРоссийскаяНациональная конференция по теплообмену (Москва, 2014 г.), заседаниекафедры ИТФ НИУ МЭИ (21 мая 2014 г и 20 мая 2015 г), Конференции ASMEATI-UITпо теплоэнергетическим системам (Неаполь, 2015).ПубликацииМатериалы по теме диссертационной работы изложены в 4 публикациях вжурналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации, и 15 в другихизданиях.Личный вклад автора заключается в следующем : Участие в разработке экспериментального стенда для исследованиякипения в микроканале; Проведение исследования кипения воды в большом объеме и микроканалебез покрытия и с покрытием из наночастиц; Разработка компьютерных программ для обработки экспериментальныхданных (видеосъемки) кипения в большом объеме и микроканале; Обработка и анализ экспериментальных данных по кипению воды вбольшом объеме и микроканале на поверхностях без покрытия и спокрытием из наночастиц.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы иприложения и содержит 114 страниц машинописного текста,57 рисунков, 3таблицы и 30 формул.

Список литературы включает 110 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, раскрыты ее научная ипрактическаязначимость,новизнаработы,сформулированызадачиисследования, дано краткое содержание диссертации.В первой главе рассмотрены известные исследования кипения наповерхностяхспокрытиемизнаночастиц.Согласноподавляющемубольшинству работ происходит увеличение критической тепловой нагрузки при6кипении наножидкости в результате формирования покрытия из наночастиц наповерхности нагрева. Остается, однако, ряд вопросов: противоречивые данныепо теплоотдаче при кипении на поверхности с покрытием из наночастиц,прочность агломератов и толщина слоев из наночастиц в условиях кипения вобъеме и микроканале.

Применение покрытия из наночастиц сдерживаеткрайняя ограниченность данных по их влиянию на критическую тепловуюнагрузку и теплоотдачу при кипении в микроканалах.Во второй главе описаны методики экспериментального исследованиятеплообменаигидродинамикиприкипениивбольшомобъеменагоризонтально расположенной трубке и микроканале с покрытием изнаночастиц. Представлены оценки погрешностей данных измерения ирезультаты работы сравнены с известными данными.Рабочий участок установки для исследования кипения в большом объемевыполнен в виде трубки из нержавеющей стали диаметром 1.2 мм с толщинойстенки 0.1 мм и нержавеющей проволоки диаметром 1 мм (при исследованиикризисатеплообмена),которыеобогреваютсяпрямымпропусканиемпостоянного тока.Температура внутренней поверхности рабочего участка измеряетсяхромель-алюмелевойтермопарой.Дляуменьшенияконтактногоэлектрического сопротивления трубка припаяна к токоподводам припоем типаПОС-60.

Перед началом эксперимента на поверхности рабочего участкасоздавалось покрытие из наночастиц путем организации кипения коллоидногораствора (патент №2433949 Кузма-Кичта Ю.А. и др).В качестве рабочейжидкости в эксперименте использовалась дистиллированная вода.Погрешность определения температурного напора ∆(ΔT)/(ΔT) = 11%,погрешность определения плотности теплового потока на поверхности трубки∆q/q=3.3%.Скоростная видеосъемка кипения проводится для изучения распределенияколичества пара над рабочим участком. Предполагается, что координатымаксимумов на распределении количества пара вдоль рабочего участка(трубки) соответствуют положению активных центров парообразования.7Определениеколичествапаранадрабочимучасткомосуществляетсяавтоматически при помощи программы, написанной на языке Delphi. Врезультате обработки строится распределение Xkсред(k) количества пара подлинерабочегоучастка(дляпостроенияданногораспределенияобрабатывается 1-3 тысяч паровых пузырей).Схемаэкспериментальногостендадляисследованиякипениявмикроканале и рабочий участок представлены на рис.1.Кипение исследовано в одиночном микроканале высотой 0.2 мм, шириной3 мм и длиной 13.7 мм.

Верхняя стенка канала сделана из стекла, что позволяетпроводить видеосъемку.Методикаисследованиятеплоотдачивмикроканалеосновананаизмерении распределения температуры в медном блоке, представляющем собойтепловой клин. Эти измерения производятся при помощи тепловизора, приэтом боковая поверхность медного блока покрыта слоем наночастиц TiN, чтопозволяет считать коэффициент излучения поверхности стабильным.Плотностьтепловогопотокаопределяетсянаосновелинейнойаппроксимации распределения температуры в рабочем участке в соответствии сзаконом Фурье:q  K(1)где λ- коэффициент теплопроводности рабочего участка (меди), K- угловойкоэффициент(равныйградиентутемпературы),измеряемыйвOC/м,полученный при линейной аппроксимации распределения температурымедного блока.Температура поверхности теплообмена микроканала рассчитывается путемэкстраполяции распределения температуры медного блока.8Рис.1.

Схема установки для исследования кипения в микроканале (слева)и рабочий участок (справа).1 – емкость с рабочей жидкостью, 2- насос, 3- расходомерное устройство, 4скоростная видеокамера, 5- предварительный нагреватель, 6- конденсатор, 7рабочий участок, 8- медный блок с тепловым клином, 9- тепловизор, 10измерительный преобразователь напряжения, 11-отверстие для подводажидкости, 12- стекло (прозрачная стенка микроканала), 13- дистанциирующаяпрокладка (проволока 0.2 мм), 14- поверхность кипения, 15- измерительнаяповерхность медного блока (снимаемая тепловизором), 16- нагревательС ростом тепловой нагрузки на рабочем участке снижалась погрешность ееопределения, так при q=0.5 МВт/м2погрешностьδq>50%, а при q=4 МВт/м2 еевеличина δq=13-19%.

Погрешность определения температуры греющейповерхности микроканала принималась равной ∆(T)=6OC.Покрытие из наночастиц Al2O3 на поверхности нагрева наносится доначалаэксперимента.Вкачестверабочейжидкостииспользуетсядистиллированная вода.Скоростная видеосъемка кипения в микроканале позволяет определитьистинноеобъемноепаросодержание.Сутьметодикиопределенияпаросодержания заключается в следующем: на каждом кадре скоростной9видеосъемкипроцессаопределяетсяколичествотемныхпикселей,соответствующих паровому пузырю, и вычисляется их отношение к ширинеканала в данном сечении, выраженной также в пикселах (рис.2). В работерассмотрены ограничения данного метода, а также оценка погрешностиполученных данных.Рис.2. Схема метода определенияпаросодержания при кипении вмикроканале.Измерение краевого угла смачивания в настоящей работе производится пометоду капли. Капля создается на исследуемой поверхности путем подачижидкости через иглу шприца.