Диссертация (Исследование кипения в микроканале с покрытием из наночастиц)

2СодержаниеВВЕДЕНИЕ41.ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ92.ОПИСАНИЕ МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЙ ИЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК463.ИССЛЕДОВАНИЕ КИПЕНИЯ В БОЛЬШОМ ОБЪЕМЕ НАПОВЕРХНОСТИС ПОКРЫТИЕМ ИЗ НАНОЧАСТИЦ654.ИССЛЕДОВАНИЕ КИПЕНИЯ В МИКРОКАНАЛЕ СПОКРЫТИЕМ ИЗ НАНОЧАСТИЦ765.ФОРМИРОВАНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКРЫТИЯИЗ НАНОЧАСТИЦ.

ЗАДАЧИ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ976.ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ102БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК104Приложения1153Список обозначенийДЭСДвойной электрический слойAКонстанта ГамакераДжaширина каналамbвысота каналамD,dДиаметрмgУскорение свободного падениям/с2hlgУдельная теплота парообразованияДж/кгLДлинамGмассовая скоростькг/м2сqПлотность теплового потока на стенкеВт/м2qкр, qCHFКритическая плотность теплового потокаВт/м2TТемператураОtВремясαКоэффициент теплоотдачиВт/м2КθУгол смачиванияградусыβУгол наклона поверхностиградусыσКоэффициент поверхностного натяженияН/мρПлотностькг/м2С4ВВЕДЕНИЕМиниатюризация электронных компонентов, уменьшение размеров системкондиционирования,созданиехимическихмикрореакторовприводитксущественному увеличению плотности теплового потока в данных устройствах.Для их охлаждения наиболее перспективными являются микроканальныетеплообменники с кипящим теплоносителем.

Эти теплообменные аппаратыхарактеризуютсяоченьвысокимотношениемплощадитеплообменнойповерхности к объему самого устройства, которое достигает 10 4 м2/м3, однаковозможны трудности с интенсификацией теплообмена, термические игидравлические неустойчивости [35], а также порой снижение критическойтепловой нагрузки [87].

Одним из наиболее простых в применении и дешевыхметодов интенсификации теплообмена и повышения критической тепловойнагрузкивмикроканальныхтеплообменникахявляетсяпокрытиенаночастицами поверхности теплообмена.Данная работа посвящена исследованию кипения в микроканале спокрытием поверхности наночастицами оксида алюминия.Актуальность работыУменьшение размера теплообменных аппаратов, используемых дляохлаждения электроники, в тепловых насосах, системах автомобильногокондиционирования, малых химических реакторах приведет к уменьшениюмассы, размеров и энергопотребления установки в целом за счет сниженияматериалоемкости, объема заправки теплоносителя, применения меньших помощности насосов и компрессоров. По мнению ряда авторов [35, 86, 87],применениекомпактныхмикроканальныхтеплообменниковвтехникепозволяет повысить энергетическую эффективность и снизить воздействие наокружающую среду.Несмотря на значительное количество экспериментальных данных и рядрасчетных зависимостей, кипение в микроканале все еще остается сложным идалеко не до конца понятым процессом.

В ряде работ отмечено возникновение5характерныхдлямикроканаловтеплогидравлическихнеустойчивостей,которые могут осложнить применение компактных теплообменников в технике.Как ни странно, значительные трудности для практического применениясоздает и сама миниатюризация теплообменника. В микроканалах происходитснижение чисел Рейнольдса, проявляется влияние капиллярных сил и, какрезультат, применение обычных методов интенсификации теплообменастановится невозможным.Перспективным методом интенсификации теплообмена в микроканалахявляется покрытие поверхности теплообмена слоем наночастиц, выпадающихиз коллоидного раствора при кипении [71].

Начиная с 2000 годов число работ, вкоторых исследовалась теплоотдача при кипени коллоидных растворов,неукоснительно растет, однако в работах встречаются противоречия, влияниепокрытий из наночастиц на кипение в микроканалах изучено недостаточно.Взаимосвязь тепловых и гидравлических характеристик двухфазного потока вмикроканале порождает необходимость совместного изучения теплоотдачи,гидравлического сопротивления, истинного объемного паросодержания идинамики паровых пузырей.

Важной задачей является изучение прочностипокрытия из наночастиц, хотя данный вопрос очень слабо освещен влитературе.Таким образом, выбор оптимальных наночастиц для создания покрытия,оценка прочности покрытия, а также изучение механизма влияния покрытия изнаночастиц на кипение являются важными условиями для разработкимикроканальных испарителей с интенсификацией теплообмена. Это иопределяет актуальность данной работы.Цель 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 высотой 0.2 мм.6Поставленная цель достигается решением следующих задач: Исследование кипения воды в большом объеме на поверхности спокрытием из наночастиц, сравнение полученных данных по критическойтепловой нагрузке с известными зависимостями; Определение основных механизмов влияния покрытия на теплоотдачу икритическую тепловую нагрузку при кипении; Выбор материала наночастиц для создания оптимального покрытия длямикроканала; Измерениестатическогоидинамическихугловсмачиваниянаповерхности с покрытием из наночастиц; Исследования теплообмена и гидродинамики при кипении в микроканалес покрытием из наночастиц; Сравнение полученных кривых кипения и значений истинного объемногопаросодержания с известными данными; Оценка условий формирования покрытия из наночастиц в условияхкипения;Научная новизнаПолученыновыеэкспериментальныеданныепотеплоотдачеикритической тепловой нагрузке при кипении воды в большом объеме наповерхности с покрытием из наночастиц Al2O3 и SiC.

В результате обработкиданных видеосъемки кипения по предложенной в настоящей работе методикевпервые получены распределения количества пара над рабочим участком,позволяющие оценить изменение количества центров парообразования прикипении на поверхности с рельефом из наночастиц.Проведено исследование кипения воды с недогревом в щелевоммикроканале h=0.2мм с покрытием из наночастиц Al2O3, получены данные потеплоотдачеопределенияикритическойистинноготепловойобъемногонагрузке.Предложенапаросодержанияприметодикакипениив7микроканале,впервыеизмереныпульсацииистинногообъемногопаросодержания при кипении воды в микроканале с исходной поверхностью ипокрытием из наночастиц.Практическое применение.

Предполагается совместная работа МЭИСколТех по теме «Создание микроканального теплообменника для охлажденияинверторных преобразователей напряжения», в которой будут примененырезультаты настоящих исследований.Апробацияработы.Основныерезультатыбылипредставленынамеждународных и национальных научных конференциях и симпозиумах:Международная конференция по тепло- и массообмену в закрученных потоках(Москва, 2011 г.), Международная конференция по теплообмену при кипении иконденсацииспециалистов(Лозанна,подМеждународный2012г.),руководствомсимпозиумпоШкола-семинаракадемикаявленияммолодыхА.И.Леонтьеваученых(2013переноса (Ямагути,иг.),2013г.),Международная конференция по теплообмену (Киото, 2014г.).ПубликацииМатериалы по теме диссертационной работы изложены в четырехпечатных трудах, три из них опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАКРоссийской Федерации.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложения исписка литературы и содержит 114 страниц машинописного текста, 5 страницприложений, 57 рисунков, 3 таблицы и 30 формул.

Список литературывключает 110 наименования.Автор выносит на защиту Результаты исследования свойств поверхности с покрытием изнаночастиц (качественная оценка изменения количества центров8парообразования, изменение смачиваемости) и их влияния натеплоотдачу и критическую тепловую нагрузку при кипении; Результаты исследования теплоотдачи при кипении в микроканале спокрытием из наночастиц Al2O3; Результаты измерения истинного объемного паросодержания прикипении в микроканале с исходной поверхностью и покрытием изнаночастиц;91. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ1.1.Влияние микропористых покрытий на теплоотдачу при кипенииИсторическим предшественником рельефа поверхности нагрева изнаночастиц является покрытие, получаемое при спекании металлическихмикрочастиц (микропористое покрытие).

На рис.1.1. приведена фотографияшлифа такого покрытия.Рис.1.1. Фотография шлифа спеченного покрытия [2]На Рис.1.2. представлены кривые кипения для поверхностисмикропористым покрытием и без покрытия. Для поверхности с медныммикропористым покрытием установлены следующие закономерности:- кипение начинается при малом температурном напоре (менее 1°С);- кривая кипения имеет две характерные области: в первой из нихнаблюдаетсярезкийросттепловойнагрузки,чтосоответствуетскачкообразной активизации центров парообразования, во второй коэффициент теплоотдачи примерно постоянный.- коэффициент теплоотдачи для поверхности с микропористым покрытиемзначительно больше (в области малых тепловых нагрузок до 10 раз), чемдля поверхности без покрытия.

С ростомТ влияние микропористогопокрытия на теплоотдачу ослабевает, хотя остается заметным;10- согласно визуальным наблюдениям при низких температурных напорахобразуется большое количество паровых пузырей небольшого диаметра,отрывающихся с большей частотой, по сравнению с кипением воды наповерхности без покрытия. Отрывной диаметр паровых пузырей с ростомперегрева стенки увеличивается.Рис. 1.2. Кривые кипения воды на медной пластине [2]1  пластина без покрытия; 2  пластина со спеченным медным покрытиемтолщиной 0,4 ммНа рис.1.3. приведены зависимости q(T) при кипении фреона-22 (Ts= 283 К)для трубы без покрытия (кривая 1), с оребрением (кривая 2), напыленнымпокрытием из нержавеющей стали (пористость 40%) (кривая 3), спеченнымпокрытием из нержавеющей стали (пористость 50%) (кривая 4), напыленнымпокрытием из бронзового порошка (кривая 5). Наибольшая интенсификациятеплообменадостигнутавслучаебронзовогонапыленногопокрытия,повышение коэффициента теплоотдачи по сравнению с поверхностью безпокрытия составляет около 10 раз.11Рис.