Диссертация (Исследование кипения в микроканале с покрытием из наночастиц), страница 2

1.3. Кривые кипения фреона - 22 при температуре насыщения 283 К [2]1  поверхность без покрытия; 2  поверхность с оребрением; 3 поверхность с напыленным покрытием из нержавеющей стали (пористость 40%); 4  поверхность со спеченным покрытием из нержавеющей стали(пористость 50 %); 5  поверхность с напыленным покрытием из бронзыКлассификация микропористых покрытий распространена на покрытия,элементы которых контактируют между собой и с поверхностью, на которуюони нанесены, и имеют характерный внутренний размер, соизмеримый срадиусом критического зародыша при парообразовании в названной системе.В качестве основных параметров выбраны величина, равная отношениюхарактерного внутреннего размера слоя (например, диаметр поры l) к внешнемухарактерному размеру L (толщина слоя), и эффективная пористость эф.Последняя характеризует степень искривления и деформации пор, наличиезамкнутых пустот.

Эффективная пористость определяется из выражения: э.с.  эф 32 Р 1   эф эф.  1  Рэ.с. э.с.(1.1)где э.с пористость эталонного слоя, полученного без объемной усадки иимеющего характерные внутренний и внешний размеры такие же, как12исследуемое покрытие; ΔPэф, ΔPэ.с падение давления при течении жидкости содинаковым расходом через исследуемый и эталонный пористые слои.Согласно классификации микропористые покрытия разделены на одно- идвухпараметрические.Механизмпереносатеплотыприкипениинаповерхностях с однопараметрическими покрытиями (L*1) принципиальнотакой же, как и на поверхности без покрытия.

Особенности обусловленыспецифичностью формы и распределения по размерам готовых центровпарообразования.Если форма впадин покрытия близка к резервуарной и распределениеспособных к активизации впадин охватывает узкий диапазон размеров, тозарождение и развитие кипения происходит следующим образом.

Сначала вузком интервале перегревов стенки происходит резкая активизация центровпарообразования и коэффициент теплоотдачи резко возрастает, а затем сувеличением температурного напора плотность центров слабо увеличивается икоэффициент теплоотдачи практически остается постоянным. Для этого типамикропористых покрытий обнаружены наиболее значительные эффекты потеплоотдаче.Коэффициент теплоотдачи в данном случае можно рассчитать по формуле:1m1 m λ 2  2  m  Drρ  2  m 2  mmaxα п.п кип  К q 4σT rρδ п.п υs(1.2)где К — коэффициент, учитывающий влияние давления, К=0,203+1,8 p/p кр, pкр— критическое давление, m=-16300∙δп.п/λэф+4. Приближенно можно принять,что максимальный диаметр поры Dmax равен диаметру частицы.Двухпараметрические покрытия (l/L<<1) в зависимости от эффективнойпористостимогутбытьнепроницаемыми,полупроницаемымиипроницаемыми.

Отвод теплоты от стенки с проницаемым и полупроницаемым13покрытиями осуществляется теплопроводностью через пленку жидкости восновании покрытия с последующим испарением и уносом образующегосяпара через покрытие, а также теплопроводностью через каркас пористойструктуры.В случае двухпараметрических микропористых покрытий обнаружено явлениегистерезиса кривой кипения. При значительной толщинепокрытия растетсопротивление выходу пара и возникает внутрислойный кризис теплообмена.Теплоотдача может быть ниже, чем для технически гладкой поверхности.1.2 Кипение водных растворовЦелью работы [3] являлась модификация физической модели Лабунцова дляслучая кипения водных растворов.

При этом в работе рассматриваются не внутренниехарактеристики процесса кипения (скорость и время роста парового пузыря, егоотрывной диаметр, частота отрыва, статистические распределения величин и.т.д.), алишь влияние солесодержания раствора - “относительный закон теплообмена”.В итоге получено следующее соотношение для относительного законатеплообмена при кипении солесодержащих растворов:раств воды(1.3)где  AA  kCA2  1 ;(1.4)Ts .r ' ' qE(1.5)k=4.2·10-4, E- энергия дисперсионного взаимодействия ~10-22Дж, λ- коэффициенттеплопроводности, σ- коэффициент поверхностного натяжения, r- удельная теплотапарообразования, ρ”- плотность пара, q- плотность теплового потока на стенке.14Как видно из (3), при увеличении давления и плотности теплового потокаотносительный эффект интенсификации теплообмена снижается.

При значениичисленной константы к = 4.2 ∙10-4 достигается удовлетворительное согласование симеющимисяэкспериментальнымиданными(максимальноеотносительноеотклонение не превышает ±15 %). Все приведенные выкладки относятся к случаюα кип >>α конв ;α= α кип.Интенсификация теплообмена имеет место при концентрации соли C<Cmax.Выпадение соли из локально пересыщенного раствора при концентрацииС>С max приводитк"взаимномуперекрытию"центровпарообразования,обусловленных различной физической природой - "основных" центров с плотностьюN 0 (зависящих от характеристик поверхности) и "дополнительных" центров сплотностью N c (обусловленных "эффективной пористостью" поверхности). Тогдабудет происходить подавление центров кипения вследствие выпадения соли.На рис.

1.4 представлены результаты работы [3]в виде зависимостиотносительного коэффициента теплоотдачи от солесодержания раствора. Линиямипоказан расчет по формуле 1.3.Рис. 1.4. Отношение коэффициентов теплоотдачи при кипении водного растворасульфата натрия и воды от концентрации [3].1- q=25 кВт/м2, 2- q=40 кВт/м2, 3- q=55 кВт/м2, 4- q=95 кВт/м2.151.3.Кипение наножидкостей и чистых жидкостей на поверхностях снанорельефом1.3.1.

Теплоотдача при кипении наножидкости в большом объеме.В работе [8] исследовано кипение коллоидного раствора наночастицAl2O3в большом объеме на поверхности трубки. Во всех исследованныхслучаях интенсивность теплообмена меньше по сравнению с кипением чистойводы. Представленные результаты не имеют связи с размерами наночастиц,однакопомереростаобъемнойконцентрациичастицкоэффициенттеплопроводности повышается, а теплоотдача, наоборот, уменьшается. Вэкспериментах отмечено осаждение наночастиц на нагретых поверхностях, исделан вывод, что ухудшение теплоотдачи в случае наножидкости происходилоиз-за выпадения наночастиц из коллоидной смеси и их осаждения наповерхности нагревателя. Несмотря на то, что наночастицы добавлялись внаножидкость, интенсивность теплообмена понижалась.На рис.1.5.

представлены данные по теплообмену при кипении Al2O3наножидкости в большом объеме (по данным работ [9,10]). При повышенииконцентрации наночастиц теплоотдача ухудшается. Тем не менее, каксообщают Вен (Wen) и Динг (Ding) [10], при очень низких объемныхконцентрациях частиц (менее 0,32%) для этой наножидкости имеет местоинтенсификация теплообмена при кипении в большом объеме.

Более того, поданным [10] наблюдается тенденция усиления интенсификации теплообменапри увеличении объемной концентрации частиц вплоть до 0,32%.16Отношение коэффициентов теплопередачи (нв)Bang & Chang (47 нм, 0,5 об. %)Bang & Chang (47 нм, 1 об. %)Bang & Chang (47 нм, 2 об. %)Bang & Chang (47 нм, 4 об. %)Wen & Ding (30 нм, 0,08 об. %)Wen & Ding (30 нм, 0,18 об. %)Wen & Ding (30 нм, 0,24 об. %)Wen & Ding (30 нм, 0,32 об. %)Тепловой поток кВт/м2Рис. 1.5.

Теплоотдача при кипении в объеме Al2O3-наножидкости нагоризонтальной поверхности. Данные [10] и [9]В работе [11] исследовано кипение воды с добавлением наночастицAl2O3при атмосферном давлении на стальном диске диаметром 150 мм. На рис.1.6. показана фотография наночастиц. Распределение наночастиц по диаметрупредставлено на рис. 1.7.Рис.1.6.

Фотография наночастиц Al2O3 [11]17Рис. 1.7. Распределение наночастиц Al2O3 по диаметрам (максимальноезначение: 190 нм, среднее значение:168 нм) [11]Результаты работы представлены на рис.1.8. Коэффициент теплоотдачиувеличивается с ростом концентрации наночастиц. Наибольшее увеличениекоэффициента теплоотдачи (40%) получено для наножидкости с концентрацией1.25% наночастиц Al2O3.Рис.

1.8. Зависимость коэффициента теплоотдачи от тепловой нагрузки [11]Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что даже оченьмалые объемные концентрации наночастиц в воде (0,01 – 0,1 vol.%) приводят кповышению критической тепловой нагрузки [12-14]. Такв работе[14]исследован кризис кипения водной дисперсии наночастиц на горизонтально18расположенной нихромовой проволоке диаметром D = 0,2 мм, нагреваемойпеременнымэлектрическимтоком.Вкачестверабочейжидкостииспользовалась дистиллированная вода с содержанием наночастиц до 1 об.%при атмосферном давлении. В работе использовались наночастицы ZrO2 (3,5mol.% Y2O3) размером 15±5 nm [14].Результаты экспериментов[14] представлены на рис.1.9 в виде зависимостикритической тепловой нагрузки от концентрации (qcrD=j(Cvol)) в диапазонеизменения объемной концентрации наночастиц от 0 до 1%.