Автореферат (Экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в каналах малого диаметра при высоких приведенных давлениях)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьтемы.Работапосвященаэкспериментальномуисследованию гидродинамики и теплообмена в вынужденном потоке кипящейжидкости в каналах малого диаметра при высоких приведенных давлениях.Актуальность исследований связана с устойчивым интересом к миниатюрнымтеплообменным устройствам. Каналы малого диаметра активно применяются вэлементах компактных теплообменников, используемых в различных отрасляхпромышленности, таких как: компьютерная, автомобильная, космическая,криогенная и другие. Расчет подобных теплообменных аппаратов требуетнадежных уравнений.Основная трудность при изучении процессов гидродинамики итеплообмена в каналах малого диаметра состоит в создании методик расчетакоэффициентов гидравлического сопротивления и теплоотдачи в мини – имикроканалах в двухфазном потоке.

Возможное влияние размера канала нагидродинамику и теплообмен в двухфазном потоке несомненно, посколькусуществующие внутренние масштабы (размер парового пузырька, диаметржидкой капли и толщина пленки в дисперсно-кольцевом режиме течения),могут стать соизмеримыми с диаметром канала, что приводит к большомуразнообразию режимов течения. В этом случае расчет по уравнениям для"обычных" труб невозможен. Можно предполагать, что в области высокихприведенных давлений, режимы течения в миниканалах становятсяидентичными тем, что наблюдаются в "обычных" каналах.

Тогда для расчетатеплоотдачи и критического теплового потока (КТП) можно использоватьсоотношения для "обычных" каналов. Очевидно, что в однофазных теченияхнет оснований ожидать изменения в закономерностях переноса импульса иэнергии с уменьшением размера канала, пока остается справедливымприближение сплошной среды.Наданныймоментвлитературесуществуетмножествоэкспериментальных работ, посвященных данной тематики. В большинстве изних данные получены в области низких и умеренных приведенных давлений.Кроме того, предложенные авторами корреляции носят эмпирический характер,в большинстве своем описывающие лишь данные авторов. Именно поэтому онине могут прогнозировать результаты экспериментов с условиями, отличными оттех, при которых были получены. Область высоких приведенных давлений вминиканалах остается малоизученной.Целями работы являются:1.

Получение систематизированного массива экспериментальных данных огидродинамике и теплообмене при кипении вынужденных потоков в каналахмалого диаметра при высоких приведенных давлениях;2. Экспериментальное подтверждение предположения о том, что в областивысоких приведенных давлений режимы течения в миниканалах становятсяидентичными тем, что наблюдаются в "обычных" каналах.

В этом случае для3расчета теплоотдачи в миниканалах можно использовать расчетныесоотношения, полученные для "обычных" каналов;3. Обобщение собственных опытных данных о потерях давления,теплоотдачи и КТП, анализ возможности применения известных расчетныхметодик в условиях высоких приведенных давлений.Основные положения, выносимые на защиту:1. Конструкция рабочего участка, методика проведения экспериментов иобработки экспериментальных данных о гидродинамике и теплообмене вминиканале при высоком приведенном давлении;2.

Систематизированный массив экспериментальных данных о течении итеплообмене кипящего теплоносителя в миниканале в виде зависимостейкоэффициента теплоотдачи, потерь давления и критического теплового потокаот параметров потока теплоносителя и тепловой нагрузки;3. Методики обобщения собственных экспериментальных данных о потеряхдавления, коэффициенте теплоотдачи и критическом тепловом потоке.Научная новизна работы:1. Получен систематизированный массив экспериментальных данных опотерях давления в двухфазном потоке, теплообмене и кризисе теплообменапри кипении в ранее малоисследованном диапазоне параметров потока;2.

Выявлены режимы теплообмена, не представленные ранее в литературе.Построены карты режимов;3. Предложены методики расчета теплоотдачи, потерь давления и КТП вминиканалах в условиях высоких приведенных давлений в зависимости отпараметров потока.Достоверность и обоснованность экспериментальных результатовобеспечивается использованием современных средств измерения и методовопределения параметров потока, повторяемостью и согласованием полученныхданных с известными (как теоретическими, так и экспериментальными)данными других авторов в перекрывающихся областях параметров.Практическая ценность:1. Экспериментально обоснованы уравнения для расчета потерь давления,теплообмена и КТП при кипении в каналах малого диаметра.2. Получены новые данные о КТП, ограничивающие режимы работытеплообменных устройств.3.

Результаты работы могут быть использованы при разработкеконструкций новых теплообменных аппаратов.Апробацияработы.Основныерезультатыдиссертационногоисследования опубликованы в 2 работах в научных изданиях, входящих вперечень ВАК РФ, в 8 трудах конференций и в 3 тезисах конференций. Списокосновных публикаций по теме исследований представлен в конце реферата.Результаты работы докладывались на следующих конференциях:• VIII ШКОЛА-СЕМИНАР молодых ученых и специалистов РАНВ.Е.АЛЕМАСОВА «Проблемы тепломассообмена и гидродинамикив энергомашиностроении», Казань 2012;4• IIIВсероссийскаянаучно-практическаяконференциясмеждународнымучастием«Теплофизическиеосновыэнергетических технологий», Томск 2012;• Девятнадцатая ежегодная международная научно-техническаяконференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника,электротехника и энергетика", Москва 2013;• Международная конференция по теплопередаче IHTC-15, Киото,Япония 2014;• Российская национальная конференция по теплообмену РНКТ-5 иРНКТ-6, Москва 2010, 2014;• 9-й Международный симпозиум по теплопередаче ISHT-9, Пекин,Китай 2016;• 5-я конференция микро и нанопотоков, MNF-2016 Милан, Италия;• 19-я и 21-я Школа-семинар молодых ученых и специалистов подруководством академика А.И.

Леонтьева, Орехово-Зуево 2013 иСанкт-Петербург 2017;• Международнаяконференция«Современныепроблемытеплофизики и энергетики», Москва 2017.Личный вклад автора. Материалы и результаты диссертационногоисследования получены соискателем лично или в соавторстве. Авторомсущественно модернизирован экспериментальный стенд, произведены монтажи тарировка измерительного оборудования.

Были разработаны и изготовленырабочие участки, смонтирована и отлажена система сбора и обработкиинформации для экспериментального стенда. Получен большой массивэкспериментальных данных о гидродинамике и теплообмене при кипениипотока жидкости в миниканалах при высоких приведенных давлениях вшироком диапазоне режимных параметров. Выполнена обработка и обобщениеполученных результатов.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав,заключения и списка литературы и содержит 152 страницы, 88 рисунков, 10таблиц и 58 формул.

Список литературы содержит 142 наименования.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении отмечена актуальность диссертационной работы, еетеоретическая и практическая значимость, поставлены цели и задачиисследования.В главе 1 представлен обзор литературы по гидродинамике, теплообменуи КТП в мини- и микроканалах.

Выполнен анализ наиболее известныхисследований и обзорных работ.Для мини- и микроканалов характерно большое разнообразие режимовтечения. Знание режима течения при кипении теплоносителя приоритетно взадачах определения коэффициента теплоотдачи и перепада давления.Исследования режимов течения в каналах малого диаметра и построение карт5режимов были выполнены во многих работах, в которых в основномнаблюдались течения без стратификации при обычных давлениях.Выполненные исследования теплообмена при кипении при вынужденномтечении теплоносителя в трубах показали, что теплоотдача определяетсявзаимодействием двух механизмов: конвекцией и кипением. Расчеткоэффициента теплоотдачи (КТО) сводится к следующему.

В областипреобладающего влияния одного из механизмов расчет выполняется поформулам для соответствующей компоненты, пренебрегая влиянием другой.Когда в потоке вклад конвекции и кипения примерно одинаковы, теплоотдачаопределяется сложением или интерполяцией этих двух механизмов.В основном, уравнения для расчета теплоотдачи при кипении носятэмпирический характер. Надежно использовать формулы, имеющие в основефизические модели и обобщающие экспериментальные данные, например,методику, предложенную Яговым В.В. [1].

Для условий теплообмена вминиканалах при высоких приведенных давлениях показана возможностьиспользования данного уравнения с соответствующим расчётом конвективнойсоставляющей теплообмена [2].Одной из наиболее популярных в литературе методик, котораяиспользуется для обобщения экспериментальных данных в работах поисследованию КТП в миниканалах, является методика [3]. В более поздних исовременных исследованиях получено множество подобных эмпирическихформул для каналов малого диаметра, применимых в основном для условийслабых недогревов и невысоких массовых скоростей, примерно от 100 до 1500кг/(м2с). Анализ работ, посвященных кризису теплообмена в миниканалах,показывает практическое отсутствие исследований в области высокихприведенных давлений.