Интенсификация теплообмена при кипении воды использованием микроструктурированных поверхностей, получаемых деформирующим резанием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Каськов Сергей Иосифович

• Каськов Сергей Иосифович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Каськов Сергей Иосифович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Современные исследования по кипению воды на

модифицированных поверхностях

1.1. Интенсификации теплообмена при кипении воды в условиях свободной конвекции

1.2. Микроструктурированные поверхности получаемые методом деформирующего резания

1.3. Результаты экспериментальных исследований кипения на модифицированных поверхностях

1.4. Модели кипения на модифицированных поверхностях с внутренними подповерхностными полостями

1.5. Выводы по главе 1. Постановка цели и задачи исследования

Глава 2. Кипение на интенсифицированных поверхностях как объект исследования

2.1. Геометрические параметры исследуемых при кипении микроструктурированных поверхностей

2.2. Экспериментальная установка и методика проведения

испытаний

2.3. Обработка экспериментальных данных с оценкой

неопределённости измерений

2.4. Тестовые опыты

2.5. Выводы по главе

Глава 3. Экспериментальное исследование кипения воды на микроструктурированных поверхностях

3.1. Определяющие геометрические и режимные параметры

при обобщении экспериментальных данных

Стр.

3.2. Интенсификация теплоотдачи при кипении воды на поверхностях с микрооребрением (двухмерный рельеф)

3.3. Интенсификация теплоотдачи при кипении воды на

поверхностях с микрошипами (трехмерный рельеф)

3.4. Интенсификация теплоотдачи при кипении воды на поверхностях с подповерхностными микроканалами

3.5. Зависимость интенсивности теплоотдачи при кипении

воды от пространственного расположения поверхности

3.6. Визуализация пузырькового режима кипения воды на микроструктурированных поверхностях

3.7. Выводы по главе

Глава 4. Определение критических тепловых потоков при кипении

воды на поверхностях с различным рельефом

4.1. Особенности кризиса кипения на микроструктурированных поверхностях с различными рельефами

4.2. Сравнительный анализ уровней критических тепловых

потоков на поверхностях кипения с различным рельефом

4.3. Зависимости для оценки значений критических тепловых

потоков на поверхностях кипения с различным рельефом

4.4. Влияние пространственной ориентации поверхности

кипения на величину критических тепловых потоков

4.5. Смачиваемость микроструктрированных поверхностей

4.6. Технические приложения полученных результатов

исследования

4.7. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Ь - ширина пластины, м

й - толщина пластины, м

йо - диаметр отрывного парового пузырька, м

Б - площадь поверхности пластины (гладкая поверхность), между токоподводами, м2

Б! - площадь сектора поверхности пластины для термопары, м2 g - ускорение свободного падения, м/с2 И - высота элементов микроструктуры, м I - сила тока, подаваемого на пластину, А К - параметр осредненной скорости движения жидкости

к - зазор при загнутых вершинах рельефов, м

/0 - постоянная Лапласа или капиллярная постоянная, м

Рг - число Прандтля

О - тепловой поток, выделяющийся на пластине, Вт

Ошт. - тепловые потери, Вт

г, Ньо - скрытая теплота парообразования, Дж/кг

г * - радиус зародыша парового пузырька, м я - продольная ширина одного штырька, м Т8, ts - температура насыщения, К

температура воды в зоне кипения, К ti - показание термопары, мВ г.. - средняя температура поверхности, К и - зазор между двумя соседними штырьками одного ряда, м Цкрит - критический тепловой поток при кипении жидкости на микроструктурированной поверхности, Вт/м2

Якрито - критический тепловой поток при кипении жидкости на гладкой поверхности, Вт/м2

а - коэффициент теплоотдачи на микроструктурированной поверхности, Вт/(м2-К)

а0 - коэффициент теплоотдачи на гладкой поверхности, Вт/(м2-К)

А - средняя ширина зазора, между элементами микроструктуры, м

А1, АТ- разность между температурой поверхности образца и воды, К

А Ткр - критический температурный напор, К

Аи - падение напряжения на пластине, В

3- средняя толщина элемента микроструктуры, м

У - кинематический коэффициент вязкости жидкости, м2/с

р' - плотность жидкости, кг/м3

р" - плотность пара, кг/м3

а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м

в- угол наклона элементов микроструктурированной поверхности, °

КТО - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К)

КТП - критический тепловой поток, Вт/м2

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интенсификация теплообмена при кипении воды использованием микроструктурированных поверхностей, получаемых деформирующим резанием»

Актуальность темы исследования.

Вектор совершенствования и развития перспективного теплоэнергетического оборудования и устройств преобразования, аккумулирования и распределения энергетических потоков с необходимым условием обеспечения заданного температурного режима как при термостатировании, так и при сохранении работоспособности в заданном температурном интервале с учётом постоянного увеличения единичной мощности составляющих компонентов увязан с применением в разрабатываемых системах охлаждения комплексного влияния на отводимую тепловую нагрузку развития поверхности, регулирования режимов течения и форм натекания теплоносителей, организации фазовых переходов, интенсификации теплоотдачи. Сегодня разработано и используется большое количество технологических методов и подходов по реализации указанных решений. Они связаны, в первую очередь, с технологиями создания эффективных модифицированных поверхностей для интенсификации теплообмена при фазовых переходах.

По модифицированным поверхностям кипения нано микро и макро уровня структурирования в настоящее время расширяется база теоретических исследований и происходит накопление экспериментальных данных. Методика экспериментального исследования двухфазного теплообмена учитывает взаимосвязь геометрических параметров структуры теплопередающей поверхности и её рельефа на динамику формирования и изменения размера пузыря с последующей его эвакуацией от центра парообразования. Накопление массива данных тепловых характеристик пузырькового режима, анализ условий наступления кризиса кипения с фиксацией значений критических тепловых потоков позволяет расширить представления об особенностях процесса кипения в условиях свободной конвекции на поверхностях интенсивного теплообмена.

Несмотря на широкий спектр модификации теплопередающих поверхностей, которые применяются при изменении агрегатного состояния теплоносителей, таких как, направленное лазерного излучения, плазменное воздействие или обработка электронным пучком, можно выделить разработанную в МГТУ им. Н.Э. Баумана технологию лезвийно-деформирующей обработки металлов реализованную в методе деформирующего резания (ДР). Принцип технологии заключается в подрезании поверхностных слоев заготовки и их последующем деформировании, при этом подрезанный слой остается прикрепленным к заготовке по своей узкой стороне, позволяющей формировать поверхности с различными макро- и микроструктурами, в том числе двухмерными (оребрение), трехмерными (штырьковыми), с подповерхностыми микроканалами (подповерхностные полости) и комплексными, в широком диапазоне определяющих геометрических параметров. В зависимости от формы и размера рельефа поверхности, при кипении в условиях свободной конвекции (в большом объеме) изменяются механизмы интенсификации теплоотдачи, связанные как с увеличением площади поверхности, изменения её смачиваемости и роста числа центров парообразования.

Степень разработанности темы. Изменение агрегатного состояния вещества в системе «жидкость-пар» как высокоинтенсивный процесс теплообмена на модифицированных поверхностях кипения исследовался как отечественными учёными, так и их зарубежными коллегами. Известны такие имена, как Боришанский В.М., Володин О.А., Гоголин А.А., Гогонин И.И., Гортышов Ю.Ф., Данилова Г.Н., Дедов А.В., Диев М.Д., Зейгарник Ю.А., Кузма-Кичта Ю.А, Кутателадзе С.С., Лабунцов Д.А., Овсянник А.В., Павленко А.Н., Печеркин Н.И., Попов И.А., Присняков В.Ф., Ягов В.В., Щелчков А.В., Берглс А.Е., Вэбб Р., Пасос Дж.К., Мин Д.Х., Кандликар С.Г., Чен Л.Х., Мехт Дж.С., Патил К.М., Дас А.К. и др.

Микроструктурированные поверхности - теплообменные поверхности, с полученной при их обработке и/или нанесении покрытий, микромасштабной текстурой, сопоставимой по параметрам с шероховатостью. В таком случае структуризация неэффективна при изменении интенсивности однофазной конвекции, а применима для процесса кипения. Подтверждается влияние геометрических

характеристик внешнего поверхностного слоя на интенсификацию процесса кипения.

Анализ содержания научных статей, обзор патентной базы и научно-технической литературы подтверждает, что модифицированные поверхности дают возможность существенно интенсифицировать режим пузырькового кипения, как в условиях вынужденной, так и свободной конвекции, причем для кипения в большом объёме увеличение коэффициентов теплоотдачи в среднем составляет от 2 до 7 раз, а значений критических тепловых потоков, как идентификаторов начала кризиса кипения до 6 раз. Но также отмечается отсутствие универсального подхода и методик расчёта интенсифицированного теплообмена для микроструктурированных поверхностей, выделяя факт, что особенности как рельефа, так и параметров микроструктуры могут оказать решающее влияние на теплообмен при кипении. Отмеченные факторы разработанности научной темы подтверждают необходимость экспериментального исследования, направленного на поиск оптимальных характеристик модифицированных поверхностей, приводящих к наибольшей интенсивности теплообмена при кипении.

Объект исследования - кипение воды в условиях свободной конвекции на микроструктированных поверхностях, получаемых деформирующим резанием.

Предмет исследования - определение влияния структурных и геометрических параметров теплообменной поверхности на коэффициент теплоотдачи и критические тепловые потоки.

Цель работы - повышение коэффициентов теплоотдачи и значений критических тепловых потоков при кипении воды в условиях свободной конвекции.

Задачи исследования:

1. Провести экспериментальное исследование и оценить интенсификацию теплоотдачи при кипении воды в условиях свободной конвекции на микроструктурированных поверхностях с двух-, трехмерным рельефом и подповерхностными микроканалами.

2. Выявить влияние режимных и геометрических параметров на значение коэффициента теплоотдачи при кипении воды на микроструктурированных поверхностях с двух-, трехмерным рельефом и подповерхностными микроканалами.

Получить эмпирические зависимости для оценки влияния данных параметров на коэффициенты теплоотдачи.

3. Провести экспериментальное исследование и определить значения критических тепловых потоков при кипения воды в условиях свободной конвекции на микроструктурированных поверхностях с двух-, трехмерным рельефом и подповерхностными микроканалами.

4. Определить влияние режимных и геометрических параметров на величины критических тепловых потоков при кипении воды на микроструктурированных поверхностях с двух-, трехмерным рельефом и подповерхностными микроканалами. Получить эмпирические зависимости для оценки влияния данных параметров на критические тепловые потоки.

Научная новизна.

1. Получены новые экспериментальные данные по значениям коэффициентов теплоотдачи и критическим тепловым потокам при кипении воды в условиях свободной конвекции при атмосферном давлении на микроструктурированных поверхностях с подповерхностными микроканалами, полученные деформирующим резанием.

2. Получены зависимости для оценки коэффициентов теплоотдачи и критических тепловых потоков при кипении воды в условиях свободной конвекции при атмосферном давлении на микроструктурированных поверхностях с подповерхностными микроканалами. Данные зависимости позволяют производить обобщение значений КТО и КТП в пределах ± 30 % при доверительной вероятности 0,95.

3. Экспериментально подтверждены расчетные зависимости для оценки коэффициентов теплоотдачи на микроструктурированных поверхностях с двух- и трехмерным рельефом.

4. Выявлено влияние геометрических параметров микроструктуры, особенностей рельефа и смачиваемости исследованных поверхностей на теплообмен при кипении.

Практическая значимость работы.

Использование поверхностей, изготовленных деформирующим резанием, позволяет повысить эффективность теплообменных аппаратов испарительного типа и/или снизить их металлоемкость при сокращении габаритов.

Накопленный экспериментальный материал и установленные расчетные соотношения по оценке теплообмена при кипении в зависимости от геометрических параметров микроструктурированных поверхностей актуальны для разработки теплопередающих поверхностей с целью повышения значений коэффициентов теплоотдачи и критических тепловых потоков при создании парогенераторных и выпарных установок, термосифонов и другого оборудования, использующего процессы кипения.

Основные результаты диссертационной работы использованы при разработке перспективных научно-технических решений по созданию компактного теплообменного оборудования при выполнении Госконтракта № 12411.1007499.09.214 номер госрегистрации: 01201282499.

Полученные результаты имеют теоретическую значимость: на основе исследования процесса кипения воды на поверхности нового типа выявлены особенности механизма интенсификации теплообмена и влияние, как геометрических параметров структуры, так и особенностей рельефа на теплообменный процесс при изменении агрегатного состояния вещества. Расширены представления об управляющих механизмах поверхностной интенсификации теплоотдачи при кипении воды в условиях свободной конвекции.

Методология и методы исследования.

При получении аналитических и графических зависимостей для расчета значений коэффициентов теплоотдачи и критических тепловых потоков, тепловых нагрузок и температурных напоров при парообразовании на микроструктурированных поверхностях в режиме развитого пузырькового кипения и при кризисе кипения, в основу методологии положены теоретические и экспериментальные методы исследования процесса переноса теплоты. Обработка и обобщение экспериментальных данных основана на методе получения расчетных зависимостей в критериальном и размерном виде.

Положения, выносимые на защиту:

1. Использование микроструктурированных поверхностей, с

подповерхностными микроканалами, является эффективным способом интенсификации теплообмена при кипении воды в условиях свободной конвекции.

2. Полученные зависимости при обобщении результатов экспериментальных

данных для микроструктурированных поверхностей позволяют определить увеличение значений коэффициента теплоотдачи и критических тепловых потоков по сравнению с гладкой поверхностью в пределах ± 30 % при доверительной вероятности 0,95.

3. Микроструктурированные поверхности с трехмерным рельефом имеют

значения критических тепловых потоков на 25 % выше, чем на поверхностях с подповерхностными каналами и двумерным рельефом.

Достоверность.

Достоверность результатов подтверждается современными методами диагностики, сертифицированным оборудованием, оценкой неопределённости измерений, сопоставлением с данными других исследований, соответствием теории тепломассообмена и воспроизводимостью экспериментальных данных.

Личный вклад автора состоит в выполнении всех этапов диссертационного исследования. Постановка цели и определение задач сформулированы автором совместно с руководителем. Результаты исследования использованы при разработки перспективных научно-технических решений по созданию компактного теплообменного оборудования в рамках Госконтракта, руководимым автором.

Поверхности кипения изготовлены и предоставлены научной группой деформирующего резания под руководством профессора Зубкова Н.Н. кафедры инструментальной техники и технологии МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Апробация результатов.

Отдельные результаты исследования докладывались и обсуждались на РНКТ-5, РНКТ-6 (Москва, 2010, 2014), VIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под рук-вом акад. РАН В.Е. Алемасова «Проблемы

тепломассообмена в энергомашиностроении» (Казань, 2012), Международном Минском форуме по тепломассообмену (Минск, Беларусь, 2012), XIX школе-семинаре молодых ученых и специалистов под рук-вом акад. РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Орехово-Зуево, 2013), V Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Казань, 2015), IX Международной теплофизической школе (Таджикистан, 2014), Thermal and Fluids Engineering Summer Conference (New York, USA, 2015), III Международной конференции «Газоразрядная плазма и синтез наноструктур» (Казань, 2022), X Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Архангельск, 2025), III Всероссийском конгрессе «Русский инженер» (Москва, 2025).

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 6 журналах, входящих в рекомендуемые из списка ВАК, 2 публикации в журналах, индексируемых Scopus (общий объем опубликованных работ - 3,3 п.л./2,1 п.л.), один патент, авторство в коллективной монографии, 1 0 материалов выступлений и тезисов докладов на конференциях.

Автор выражает благодарность за общее руководство в проведении работы научному руководителю д-р физ.-мат. наук, профессору Рыжкову С.В., а также, за изготовленные экспериментальные образцы микроструктурированных поверхностей, коллективу научной группы деформирующего резания под руководством профессора Зубкова Н.Н. кафедры инструментальная техника и технологии МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы 139 страниц, 129 страницы основного текста, 68 рисунков и 8 таблиц. Список литературы состоит из 137 источников информации, приведенных на 15 страницах. Информация о внедрении результатов работы в учебный процесс и использовании при выполнении Госконтракта размещена в Приложении на 10 страницах.

Глава 1 Современные исследования по кипению воды на модифицированных поверхностях

Технико-экономические показатели теплоэнергетических установок в значительной мере определяются параметрами теплообменных аппаратов, однако, оптимизация конструктивных и схемных решений, для совершенствования и улучшения технических характеристик и показателей тепловой эффективности практически себя исчерпало. Магистральное направление совершенствования теплоиспользующего оборудования, комплексных систем охлаждения и теплогенерации, направленное на сокращение габаритных размеров, уменьшения массы и повышения удельных показателей режимов эксплуатации -использование эффективных способов интенсификации теплообмена [1].

1.1. Интенсификации теплообмена при кипении воды в условиях свободной конвекции

Методы интенсификации тепловых и массообменных процессов пузырькового кипения на теплоотдающих поверхностях нано- микро- макро масштаба определяет современную тенденцию развития научных исследований в изучении процесса фазового перехода жидкости в пар [2], [3], [4].

Интенсификация процессов кипения, которая разделяется на активные и пассивные методы, позволяет сократить габариты, уменьшить металлоемкость теплообменных аппаратов и повысить их эффективность [5].

Из пассивных методов интенсификации теплообмена при кипении наибольшее распространение получили так называемые модифицированные поверхности за счет создания нано, микро- или макроструктур различного рельефа. Двухмерный рельеф создаётся за счёт микрооребрения поверхности. Трехмерный рельеф представляет собой микрошипованную поверхность.

Промежуточное положение между двухмерным и трехмерным рельефом занимают расположенные ниже верхней границы слоя внутренние паровые полости - подповерхностные микроканалы. И самые распространенные и широко используемые пористые поверхностные структуры, получаемые напылением или спеканием порошковых материалов [6].

Рассмотрим основные методы в пассивном способе повышения коэффициентов теплоотдачи и критических тепловых потоков при кипении:

1. Применение инструментальной обработки с целью увеличения и развития поверхностного слоя теплопередающей стенки.

Инструментальная обработка осуществляется при механическом воздействии специализированного технологического устройства (резец, электрод и др.) с целью создания заданной формы, рельефа и размера поверхности детали или технического объекта. Выделено три основных вида обработки: обработка резанием, обработка методом пластической деформации и обработка электрофизикохимическим воздействием - электроэрозионные, электродуговые, электроимпульсные, электроискровые и прочие процессы.

Основной целью использования инструментальной обработки становится не только абсолютное увеличение поверхности теплопередающего слоя стенки, а пространственное позиционирование структурных элементов и взаимосвязь их геометрических параметров, оказывающее комплексное воздействию на внутренние характеристики парообразования [7-12]. Когда происходит развитие поверхности и микроструктуры поверхностного слоя создают дополнительные изгибы и изломы, а каждый отдельный парообразующий центр формирует свою локальную трёхфазную линию, то общая линии контакта между твёрдой, жидкой и паровой фазой - так называемой межфазовой поверхности, которая определяет интенсивность рабочего процесса, удлиняется. Сравнительные характеристики подобных поверхностей, основные результаты выполненных на них исследований представлены в обзорах [13-17].

Обращает внимание, что инструментальный метод модифицирования поверхностного слоя теплопередающих поверхностей [18-25], применим не

только для интенсификации при кипении в условиях свободной конвекции, но при вынужденном течении различных жидкостей, в том числе фреонов [19], при стекании плёнок хладагентов [17], когда увеличение коэффициентов теплоотдачи составило в отдельных случаях до 9 раз, а критических потоков в 6 раз [2].

2. Использование гидрофобных и гидрофильных поверхностей.

Техническими понятиями гидрофобность и гидрофильность характеризуют одно из главных поверхностных явлений - явление смачиваемости, которое определяется как самопроизвольный процесс изменения поверхностной энергии, или другими словами - это способность жидкости обеспечивать контактное взаимодействие с твёрдой поверхностью, интенсивность которого оценивается величиной поверхностного натяжения. В процессе изменения агрегатного состояния при переходе жидкость-пар контактное смачивание рассматривается при взаимодействии трех фаз: твёрдое тело-пар-жидкость, и характеризуется межфазной линией раздела. Количественная оценка гидрофильности и гидрофобности - контактный (краевой) угол, размер которого, измеряемый всегда внутрь жидкой фазы, образуется между касательной, проведённой к поверхности раздела твёрдое тело-газ-жидкость из точки контакта трех фаз. В зависимости от величины контактного угла (обозначение научно-технической литературе: 0) выделяют полное смачивание, когда значение 0 стремится к нулю, и жидкость на поверхности образует плёнку. При значениях контактного угла больше нуля, но меньше 90о поверхность гидрофильна. При 0 > 90о поверхность гидрофобна. Большой спектр проведённых экспериментальных исследований, начатый еще в прошлом веке [26,27] и дополненный современными работами [28] позволил обосновать технические решения, для интенсификации кипения, используя научные результаты о влиянии контактного угла смачивания на характеристики процесса парообразования. Гидрофобные участки поверхности теплообмена, где модифицирование структуры поверхностного слоя направлено на увеличение контактного угла смачивания, создают условия уменьшения температурного напора начала кипения и увеличение интенсивности процесса. Гидрофильные участки поверхности теплообмена, где модифицирование структуры

поверхностного слоя направлено на уменьшение контактного угла смачивания увеличивают значения критических тепловых потоков по сравнению с гладкой поверхностью.

3. Изменение теплофизических свойств теплоносителей.

Создания синтетических веществ, дало направление в интенсификации теплообмена связанное с использованием как принципиально новых жидкостей, так и изменением теплофизических свойств традиционных теплоносителей. Особый интерес вызывает применение наножидкостей при исследовании кипения, как в большом объёме [29,30], так и вынужденной конвекции. Наножидкость - теплоноситель, создаваемый путём диспергирования в базовую жидкость, твёрдых частиц химически стойких металлов и/или оксидов, а так же комбинации сплавов различных металлов, углеродных нанотрубок, карбидов и нитридов металлов [21,32,33]. Широко используемая базовая жидкость -дистиллированная вода. Размер частиц от 1 до 100 нанометров, объёмная концентрация от 0,08 до 4 %. Данный спектр создаваемых теплоносителей на основе наножидкостей обладает большим значением теплопроводности относительно базовой жидкости от 36 до 68 % (максимально достигнутые значения). При кипении в условиях свободной конвекции на поверхностях различных геометрических форм [34,35,36] наножидкостей с частицами оксида алюминия, кремния, титана [37,38,39] и с использованием углеродных наполнителей [40,41,42,43] интенсификация теплообмена составила до 2 раз.

4. Модифицирование теплопередающей поверхности.

Современные возможности технологических способов обработки металлов

определяют дальнейшее развитие модифицирования теплопередающих поверхностей. Важные аспект применения того или иного способа воздействия на поверхностный слой заключается в том, что применение микроструктурированных поверхностей, как частный случай модификации, в инженерной практике требует чётких представлений о процессе теплообмена при кипении в условиях свободной конвекции. Необходимо накопление экспериментальных данных о том, как влияют на интенсивность теплообмена и

предельны тепловые потоки такие факторы как рельеф поверхности, геометрические, гидродинамические и теплофизические характеристики микроструктуры. Обязательны требования и условия, которым должны отвечать модифицированные поверхности, таким как: технологичность в изготовлении; воспроизводимые характеристики после обработки; широкий диапазон изменения структурных параметров.

Модифицирование поверхности лазерным излучением небольшой длительностью импульса, приводящей к абляции поверхности, актуально в современных исследованиях теплообмена при кипении [44]. Результат -образование микрорельефа сложной структуры. Цикл исследований теплообмена на созданной регулярной текстурированной поверхности представлен в работах [45,46,47,48,49,51], а на нерегулярной пористой структуры в исследовании [52]. Иерархическая структура в виде пиков шероховатости образуются из-за локального плавления и испарения материала в местах фокусировки и последующего фемтосекундного воздействия лазерного импульса, а фрагментация материала при абляции создаёт покрывающий пористый слой наночастиц [53,54,55,56.57].

Лазерный способ воздействия на поверхность и дополнительная обработка позволяет получать участки разной смачиваемости. Необходимо отметить способы электронно-лучевой и плазменной обработки поверхности [44]. Широко используемая и перспективная технология направленного плазменного напыления, а так же метод микродугового оксидирования и 3D печати [58] остаются среди главных способов модифицирования теплопередающих поверхностей кипения.

Однозначных преимуществ какой-либо структуры полученной тем или иным способом перед остальными структурами не выявлено. Показано, что при кипении различных жидкостей или их смесей каждая из представленных поверхностей может иметь преимущества перед остальными, показывая как худшие, так и лучшие результаты для разных условий кипения.

Далее будут рассматриваться микроструктурированные поверхности, полученные механическими способами. В ходе настоящего исследования данные поверхности были классифицированы по следующим критериям:

1) Поверхности с нано- и микроструктурой, включающие элементы шероховатости которые меньше значения 2т* критического (минимального) радиуса парового пузырька, что соответствует состоянию нестабильного равновесия между пузырьком и окружающей перегретой жидкостью. С увеличением перегрева минимальный радиус парового зародыша уменьшается. Приблизительное значение этого радиуса соответствует минимальным размерам центров парообразования и сопоставимо с шероховатостью.

2) Микроструктурированные поверхности с геометрическими параметрами, сравнимыми со значением постоянной Лапласа способствуют втягиванию жидкости к центрам парообразования, включая мениски и области сухих пятен под паровыми пузырьками, оказывая влияние на процесс теплоотдачи. Использование капиллярной постоянной в качестве масштаба нормирования позволяет разделить микроканальные структуры на капилляры и сосуды, так как её величина определяет, при каком поперечном размере структурного элемента, поверхностное натяжение преобладает над силой тяжести. Если поперечный размер элемента заметно меньше этой постоянной (отношение много меньше единицы), жидкость в нём будет вести себя «по-капиллярному»: подниматься или опускаться без внешнего воздействия, формируя выпуклые или вогнутые мениски.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Каськов Сергей Иосифович, 2026 год

и - + -

£ - + -

к - - +

Кя + + +

¡0 + + +

Результаты выполненных исследований [88,92,93,94,99,100,130] показал, что в качестве характерного размера лучше использовать капиллярную

постоянную /0 =

а При свободной конвекции, обусловленной

ё (р'-р*)

процессом кипения, поле скоростей движения жидкости является функцией интенсивности парообразования и учитывается безразмерным критерием К -

масштабом осредненной скорости движения жидкости. При использовании в

качестве характерного размера капиллярной постоянной /0 параметр К

определялся как К = Я' Ь / (г' Р"'У), где р" - плотность пара, у' -

кинематический коэффициент вязкости жидкости, г - скрытая теплота парообразования [88,92,93,94,99,100,130].

На Рис. 3.2 показаны особенности процесса парообразования для подобных рельефов.

На Рис. 3.3 поверхности кипения и классификация подобных рельефов:

- поверхности с большим объемом для парообразования (полости резервуарного типа) и узким выходом для пара (Рис. 3.3,а) [130];

- поверхности с малым объемом парообразования, но длинным узком вертикальным или наклонным каналом, позволяющим удерживать пар в межреберном зазоре (Рис. 3.3,б) [130].

Подбод теплоты

Рис. 3.2. Модель процесса парообразования для микроструктурированных поверхностей с подповерхностным микроканалами [130]

а) б)

Рис. 3.3. Типы поверхностей кипения: а) - с подповерхностными микроканалами (полости резервуарного типа), б - поверхности с затрудненным выходом пара (узкие вертикальные или наклонные межреберные зазоры) [130]

Существует несколько подходов по нормированию геометрических параметров в зависимостях для кипения. В.В. Яговым предложено в качестве определяющего размера выбирать критический или начальный диаметр парового

пузыря г

* —.

2&Г,

р" ЛГ

. Однако анализ [99,100] показал, что наиболее выгодно

использовать /„ =

V

а

8 (Р-Р)

Это в первую очередь зависит от модели кипения

- расчет через начальный диаметр парового пузыря лучше описывает увеличение центров парообразования и их выход из элементов микроструктуры, а /0 -

описывает управление смачиваемостью и повышение притока жидкости в зону испарения микрослоя [99,100,102,103]. В качестве основной рекомендуется использовать модель обобщения по масштабу / , что более адекватно учитывает механизмы переноса при кипении на рассматриваемых поверхностях [99-103]. Таким образом, на микроструктурах становится явным достижение главной цели

- «подкачивание» жидкости к центрам парообразования и под паровые пузыри. Паровые пузыри при этом могут образоваться в основном по верхним кромкам микроструктурированной поверхности, элементы которых прогреты до тех же температур, что и основания поверхностей, вследствие особенностей омического нагрева тепловыделяющих элементов микроструктуры.

Режимные параметры дополнительно учитывались безразмерным критерием К - масштабом осредненной скорости движения жидкости,

обусловленной процессом парообразования. При использовании в качестве масштаба капиллярной постоянной / параметр К определялся как

К = Я' /о / (г' р"' у') , где р" - плотность пара, у' - кинематический коэффициент

вязкости жидкости, г - скрытая теплота парообразования.

Обобщение экспериментальных данных при кипении воды на микроструктурированных поверхностях проводилось:

- с двухмерным рельефом производилось по модели [99]:

а / а0 = / (Кч ,(0/90), (Н / /0) ,(Д / /0),(£//0)), (3.1)

- с трехмерным рельефом производилось по модели [100]:

а / а0 = Л (Кч, (0 / 90), (Н / /,),(Д / /¿,(8 / /0), (и / /0), (* / /0)), (3.2)

- с подповерхностными микроканалами производилось по модели [130]:

а / а0 = /1 (Кч ,(0/90), (Н / /0) ,(Д / /0),(8//0), (к / /0)), (3.3)

где а - коэффициент теплоотдачи на микроструктурированной поверхности, а0 - коэффициент теплоотдачи на гладкой поверхности.

Выбор зависимости для расчета нормирующего коэффициента теплоотдачи на гладкой поверхности а0 производился путем сравнения полученных экспериментальные данные для гладких образцов с зависимостями (2.9-2.15). Результаты показали хорошую сходимость средних коэффициентов теплоотдачи с расчетными, при этом наименьшее расхождение наблюдается у зависимостей В.М. Боришанского (2.10) (Рис. 2.13). При использовании масштаба ¡о в качестве нормирующего коэффициента теплоотдачи а0 рекомендуется принимать зависимость (2.10) [88,92,93,94,99,100,130].

3.2 Интенсификация теплоотдачи при кипении воды на поверхностях с микрооребрением (двухмерный рельеф)

При анализе экспериментальных данных по теплоотдаче использовались результаты экспериментальных исследований, полученные в данной работе на поверхностях кипения, геометрические параметры которых приведены в таблице 2.1. Рабочая жидкость - бидистилированная вода. [88,92,93,99,100,102,103,105,106]

На Рис. 3.4 и Рис. 3.5 показана зависимость КТО при кипении дистиллированной воды от плотности теплового потока q в диапазоне от 8-103 до 2106 Вт/м2 и перегрева поверхности (ДТ), соответственно. Кривые кипения построены по данным при увеличении тепловой нагрузки. Также для сравнения приведены данные на гладкой поверхности. Полученные данные позволяют провести влияние на теплоотдачу геометрических параметров шероховатости горизонтальных микроструктурированных поверхностей.

Л^ К

Рис. 3.4. Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении воды от перегрева поверхности для двухмерного рельефа (микрооребрение). Обозначения в таблице 2.1

Из рисунка 3.5 можно сделать вывод, что все рассмотренные интенсифицированные рабочие поверхности показывают превышение КТО по сравнению с гладкой поверхностью.

Рис. 3.5. Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении воды от плотности теплового потока. Обозначения в таблице 2.1.

По данным Рис. 3.5 удалось провести сравнительный анализ эффективности интенсификации теплоотдачи. Поверхность № 1, обладающая максимальными геометрическими параметрами, показала наибольший коэффициент теплоотдачи до наступления кризиса по сравнению с гладкой поверхностью. При рассмотрении средних значений КТО (Рис. 3.6) также лучшие значения показали поверхности № 4 и № 5, обеспечивающие прирост по сравнению с гладкой поверхностью примерно в 2,5 раза.

Для разработки рекомендаций по использованию полученных результатов в инженерных приложениях проведена проверка пригодности ранее полученной в [99] обобщающей зависимости для коэффициентов теплоотдачи при кипении

различных жидкостей на поверхностях с двухмерными рельефами. Обобщение проводилось по модели (3.1), в которой в качестве нормирующей функции для геометрических параметров использовалась постоянная Лапласа /0,

пропорциональная отрывному диаметру пузырька. Обобщение проводилось с использованием многомерного регрессионного анализа, который позволяет получить обобщающие зависимости для оценки взаимосвязи анализируемой величины от различных параметров. Для выполнения регрессионного анализа и вычисления коэффициентов регрессии в модели (3.1) можно привести к линеаризованной форме посредством ее логарифмирования, определения коэффициентов и обратного приведения к степенной зависимости. В ходе обобщения более 565 экспериментальных точек по модели (3.1) получена зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении воды, этанола, 60 % водного раствора глицерина, фреонов R113 и R123, хладона Novec 649 в большом объеме на поверхностях кипения с двумерным рельефом (микрооребрение) в [99] была получена зависимость:

а/ао = 4,71 Kq-0'155•(6/90)0,522•(h//o)0,22•(^/lo)0,19•(^//o)"0,36. (3.4)

которая справедлива в диапазоне q = 3,8-103 - 2,17-106 Вт/м2, К= 5 - 11500, 0/90 = 0,72 - 1, А/10 = 0,09 - 1,45, N¡0 = 0,002 - 1,29, 8//0 = 0,01 - 1, Рг = 1,75 - 35,7, ВД = 1,66 - 9,75 [99].

Проведена оценка использования зависимости (3.4) для описания всех экспериментальных точек в данной работе. Получено, что она описывает все точки данной работы с отклонением + 30 % при доверительной вероятности 0,95. Эффективность полученного обобщения отражена на графике (Рис. 3.6), где - экспериментальное значение интенсификации теплоотдачи при кипении на поверхностях с двумерной структурой по сравнению с гладкой, а А = 4,71 К-0,155• (0/90)0,522•(М0)0,22• (ДЛ0)0,19• (5/10)-0,36 - теоретическое значение, рассчитанное по полученной зависимости.

Рис. 3.6. Обобщение (а = а/а0)/А экспериментальных данных по теплоотдаче на двухмерном рельефе при кипении воды: А = 4,71 К9-0'155-(6/90)0'522^(^//о)0'22^(^/1О)0'19^(8//О)-0'36

Анализ зависимости (3.4) показывает, что в исследуемом диапазоне значений Д/10 с увеличением относительного зазора между элементами рельефа Д/10 коэффициенты теплоотдачи на микроструктурированных поверхностях, как с двухмерной структурой увеличиваются. Как показывает анализ моделей кипения на микроструктурированных поверхностях, отвод теплоты производится при кипении жидкости как на верхних площадках элементов рельефа микроструктур, так и на боковых. Увеличение Д/10 позволяет улучшить отвод пара из зазоров и обеспечить повышение коэффициентов теплоотдачи, хотя с увеличением Д/10 уменьшается влияние капиллярного эффекта на подвод новых порций жидкости в зазоры [88,92,93,94,99,100,105,106].

Увеличение относительной высоты элементов рельефа Ы10 увеличивает поверхность кипения и, соответственно, количество отводимой теплоты. Это показано на Рис. 3.7. Для однотипных видов поверхностей № 6,7 и № 9 с тепловыделяющими микроребрами с различными высотами микроребер И, но

одинаковыми прочими параметрами, с увеличением относительной высоты ребер h/A от 0,82 до 1,82 (h от 90 мм до 200 мм) интенсификация теплоотдачи а/ао при q = 250 кВт/м2 растет в диапазоне от 1,17 до 1,26. При этом площадь теплообмена увеличивается в 1,65 раз с F/Fra от 2,125 до 3,5 [88,92,93,94,99,100,105,106].

h, мкм

h/A

Рис. 3.7. Влияние высоты микроребер на уровень интенсификация теплоотдачи при q = 250 кВт/м2 [88,92,93]

Как показывает зависимость (3.4), приближение угла 0 к 90°увеличивает теплоотдачу. При вертикальном расположении элементов микроструктуры крупные пузыри пара меньше удерживаются в зазорах. Их быстрая эвакуация освобождает место для поступления новой жидкости, а наличие микроструктуры гарантирует высокую плотность центров парообразования.

Главная идея: приоритет плотности центров парообразования над увеличением площади поверхности при оптимизации микроструктуры для кипения, что Это достигается уменьшением относительного размера элементов рельефа 0Но и формированием плотно расположенных узких зазоров между микроребрами. Такой подход обеспечивает более интенсивный теплообмен за счёт частой генерации и отрыва мелких пузырьков пара (Рис. 3.8) [88,92,93,99,100].

8, мкм

Рис. 3.8. Влияние ширины межреберного зазора на уровень интенсификация теплоотдачи при q = 250 кВт/м2 [88,92,93,99,100].

Следует отметить, что вследствие стохастического характера процесса кипения, влияния большого количества побочных факторов - предложенная зависимость (3.4) носит рекомендательный характер и направлены на оценку влияния геометрических параметров для обоснования выбора геометрических параметров при проектировании и создании новых образцов теплообменного оборудования и систем охлаждения.

3.3. Интенсификация теплоотдачи при кипении воды на поверхностях с микрошипами (трехмерный рельеф)

При анализе экспериментальных данных по теплоотдаче использовались данные, полученные в данной работе на поверхностях кипения, геометрические параметры которых приведены в таблице 2.2.

На Рис. 3.9 и Рис. 3.10 показана зависимость КТО при кипении воды от плотности теплового потока q в диапазоне от 8-103 до 2 106 Вт/м2 и перегрева поверхности (ДТ), соответственно. Кривые кипения построены по данным при увеличении тепловой нагрузки. Также для сравнения приведены данные на гладкой поверхности. Полученные данные позволяют провести влияние на

теплоотдачу геометрических параметров шероховатости горизонтальных микроструктурированных поверхностей.

q, Вт/м2

Рис. 3.9. Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении воды от плотности теплового потока для трехмерного рельефа. Обозначения в Таб. 2.2.

Л^ К

Рис. 3.10. Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении воды от перегрева поверхности для трехмерного рельефа. Обозначения в Табл. 2.2.

Из Рис. 3.9 можно сделать вывод, что все рассмотренные интенсифицированные рабочие поверхности показывают превышение КТО по сравнению с гладкой поверхностью.

По данным рисунка 3.9 удалось провести сравнительный анализ эффективности интенсификации теплоотдачи. Поверхность № 16, обладающая максимальными геометрическими параметрами, показала наибольший коэффициент теплоотдачи до наступления кризиса по сравнению с гладкой поверхностью. В случае рассмотрения среднего значения КТО во всем диапазоне изменяемых плотностей теплового потока наибольшее различие составило около 6 раз по сравнению с гладкой пластиной для поверхности № 16. При рассмотрении средних значений КТО (Рис. 3.10) также лучшие значения показали поверхности № 14 и № 15, обеспечивающие прирост по сравнению с гладкой поверхностью примерно в 4 раза. Для разработки рекомендаций по использованию полученных результатов в инженерных приложениях проведена проверка пригодности ранее полученной в [100] обобщающей зависимости для коэффициентов теплоотдачи при кипении различных жидкостей на поверхностях с трехмерными рельефами. В ходе обобщения более 500 экспериментальных точек получена зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении воды, этанола, 60% водного раствора глицерина, фреонов R11, R113, R123, R134a в большом объеме на поверхностях кипения с трехмерным рельефом (микроштырьковые структуры) [100]:

a/ao=3,2•Kq-0'2•(6/90)-1,64•(h//o)0,395•(J//o)0,08•(8//o)0,18•(u//o)-0,47•(s//o)-0,47 (3.5)

Зависимость (3.5) справедлива в диапазоне q = 2,4-103-3,5-106 Вт/м2, Кч = 8,7-22030, 0/90 = 0,77-1, ш<т 0,09-0,71, д//<= 0,002-0,3, 8//<= 0,042-0,42, и//о= 0,009-0,28, s//o= 0,02-0,79, Рг= 1,75-7,35, 2,23-4,8

На Рис. 3.11 показано, что зависимость (3.5) удовлетворительно описывает экспериментальные точки с отклонением + 30 % при доверительной вероятности 0,95 полученные в данной работе.

1

V - 14 О -15 = -16 * - 17 А -13

* в в Л Л

Ш <=> с- о

Л ДА

10000 100000

ч, Вт

Рис. 3.11. Обобщение а/А экспериментальных данных по теплоотдаче при кипении воды на трехмерном рельефе

Анализ зависимости (3.5) показывает, что в исследуемом диапазоне значений А / /0 с увеличением относительного зазора между элементами рельефа А / /0 коэффициенты теплоотдачи на микроструктурированных поверхностях

увеличиваются. Как показывает анализ моделей кипения на микроструктурированных поверхностях, отвод теплоты производится при кипении жидкости как на верхних площадках элементов рельефа микроструктур, так и на боковых. Увеличение А / /0 позволяет улучшить отвод пара из зазоров и обеспечить повышение коэффициентов теплоотдачи, хотя с увеличением А / /0 уменьшается влияние капиллярного эффекта на подвод новых порций жидкости в зазоры.

Увеличение относительной высоты элементов рельефа И/!0 увеличивает поверхность кипения и, соответственно, количество отводимой теплоты.

Полученное влияние в в (3.5) может быть объяснено только корреляцией угла в с другими параметрами и достижением лучших результатов обобщения данных.

Для поверхностей с трёхмерным рельефом (рёбра, штырьки) оптимальная теплоотдача достигается не за счёт максимизации площади поверхности, а за счёт создания высокой плотности центров парообразования. Это реализуется путём уменьшения относительных размеров элементов микроструктуры (5//0 и s//o) при сохранении их количества или увеличении плотности расположения. Такой подход обеспечивает:

• частую генерацию и отрыв мелких пузырьков;

• интенсивное перемешивание пристенного слоя;

• снижение термического сопротивления;

• общую интенсификацию теплообмена при кипении.

3.4. Интенсификация теплоотдачи при кипении воды на поверхностях с подповерхностными микроканалами

При анализе экспериментальных данных по теплоотдаче использовались результаты экспериментальных исследований, полученные в данной работе на поверхностях кипения, геометрические параметры которых приведены в Таблице 2.3. Рабочая жидкость - бидистилированная вода.

На Рис. 3.12 показана зависимость КТО при кипении дистиллированной воды от плотности теплового потока д в диапазоне от 6 -103 до 2 106 Вт/м2. Кривые кипения построены по данным при увеличении тепловой нагрузки. Также для сравнения приведены данные на гладкой поверхности. Полученные данные позволяют провести влияние на теплоотдачу геометрических параметров подповерхностных микроканалов.

Рис. 3.12. Зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении дистиллированной воды от плотности теплового потока и геометрических параметров подповерхностных микроканалов. Обозначения в Таблице 2.3

Из Рис. 3.12 можно сделать вывод, что все рассмотренные интенсифицированные рабочие поверхности показывают превышение КТО по сравнению с гладкой поверхностью. Проведён сравнительный анализ эффективности интенсификации теплоотдачи. Поверхности № 21 и № 24, обладающие минимальными геометрическими параметрами, показали наибольший коэффициент теплоотдачи до наступления кризиса по сравнению с гладкой поверхностью. В случае рассмотрения среднего значения КТО во всем диапазоне изменяемых плотностей теплового потока наибольшее различие составило около 3 раз по сравнению с гладкой пластиной. При рассмотрении средних значений коэффициентов теплоотдачи также лучшие значения показали поверхности № 19 и № 20, обеспечивающие прирост по сравнению с гладкой поверхностью от 2 до 3 раз.

Для разработки рекомендаций по использованию полученных результатов в инженерных приложениях проведено обобщение экспериментальных данных. Обобщение проводилось по модели (3.3), в которой в качестве нормирующей функции для геометрических параметров использовалась постоянная Лапласа /0,

пропорциональная отрывному диаметру пузырька. Обобщение проводилось с использованием графического метода на основе метода наименьших квадратов, который позволяет получить обобщающие зависимости для оценки взаимосвязи анализируемой величины от различных параметров. Результаты влияния различных определяющих факторов показаны на рисунках 3.13-3.18.

Оценка влияния параметра осредненной скорости движения жидкости К = Я' /о / (г' Р"', обусловленного процессом парообразования, на

коэффициент теплоотдачи показан на Рис. 3.13. Влияние параметра производилось для каждой поверхности, после чего определялась средняя степень влияния. Выявлено, что Кд влияет на повышение коэффициента теплоотдачи в степени минус 0,214, т.е. а/а0~Кд~°'2Ы.

а/а

0,5

80100

1000

К

10000

30000

6

4

Рис. 3.13. Зависимость относительной теплоотдачи при кипении на поверхностях с подповерхностными микроканалами воды от критерия Кч. Обозначения в таблице 2.3

На Рис. 3.14 показано влияние относительной высоты ребра h/l0 на повышение коэффициента теплоотдачи. Установлено, что h/l0 влияет на повышение коэффициента теплоотдачи с учетом ранее выявленного влияния

параметра K в степени минус 1,1, т.е. (а/ао)/^"0'214-^/^/1,1. q

На Рис. 3.15 показано влияние относительного поперечного зазора между ребрами A/l0 на изменение теплоотдачи при кипении воды на поверхностях с подповерхными микроканалами. Установлено, что A/l0 влияет на повышение

коэффициента теплоотдачи с учетом ранее выявленных влияний параметра K и

q

относительной высоты ребра h/l0 в степени 0,13: (а/а0)/(Kq'0-2l-(h/l0)'1' 1)~(A/l0)0'13.

12

0,08

0,1

0,12 0,14 0,16

Ы1

8

4

Рис. 3.14. Влияние относительной высоты ребра на теплоотдачу при кипении воды на поверхностях с подповерхностными каналами. Обозначения в таблице 2.3

Рис. 3.15. Влияние относительного поперечного зазора между ребрами на теплоотдачу при кипении воды на поверхностях с подповерхностными микроканалами. Обозначения в таблице 2.3

Дальнейшая оценка влияния на повышение теплоотдачи за счет нанесения микроструктур с подповерхносными каналами показала, что относительная ширина зазора в устья между ребрами Ы0 (Рис. 3.16) и относительной толщины ребер Ъ/1о (Рис. 3.17) показала, что данные параметры практически не влияют на уже полученный комплекс (а/ао)/^"0'21-(Мо/1,1 •(Мо)0'13).

к/1

1Е-3

0,01

0,05

Рис. 3.16. Влияние относительной ширины зазора в устье между ребрами на теплоотдачу при кипении с подповерхностными микроканалами. Обозначения в таблице 2.3

0,1

Рис. 3.17. Влияние относительной толщины ребер на теплоотдачу при кипении воды на поверхностях с подповерхностными микроканалами. Обозначения в таблице 2.3

В ходе обобщения более 250 экспериментальных точек получена зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении воды в большом объеме на поверхностях с подповерхностными микроканалами [130]:

o/ao=2,l^Kq-0'214-(h//o)-1'1^(J//o)0'13 (3.6)

Зависимость (3.6) справедлива в диапазоне Kq = 80-2000, Q/90 = 0,72-1, h//0 = 0,06-0,1, Ъ//о = 0,007-0,046, k//o = 0,0014-0,043, А//о = 0,0014-0,024, Pr = 1,75-1,79. Зависимость (3.6) удовлетворительно описывает экспериментальные точки с отклонением + 30 % при доверительной вероятности 0,95 [130].

На Рис. 3.18 показано, что зависимость (3.6) удовлетворительно описывает экспериментальные точки с отклонением + 30 % при доверительной вероятности 0,95.

f

0

ИГ

Os

Зг

Г

¡N"

1

0,3

0,008 0,01

2

о

oÍ

с

0,2

70 100

1-1—I—i—

10000

q

Рис. 3.18. Обобщение экспериментальных данных по теплоотдаче при кипении воды на поверхностях с подповерхностными микроканалами. Обозначения в Таб. 2.3 [130].

Анализ зависимости (3.6) показывает, что в исследуемом диапазоне значений Д/10 с увеличением относительного зазора между элементами рельефа Д/10 коэффициенты теплоотдачи на микроструктурированных поверхностях увеличиваются. Это совпадает и с ранее полученными результатами для поверхностей кипения с двух- и трехмерными микрорельефами. Как показывает анализ моделей кипения на микроструктурированных поверхностях, отвод теплоты производится при кипении жидкости как на верхних площадках элементов рельефа микроструктур, так и на боковых. Увеличение Д/10 позволяет улучшить отвод пара из зазоров и обеспечить повышение коэффициентов теплоотдачи. Увеличение относительной высоты элементов рельефа И/!0 уменьшает интенсивность отвода теплоты. Это отличается от выявленного влияния на двух- и трехмерных поверхностях. Здесь увеличение высоты ухудшает отвод теплоты из полузамкнутого объема между ребрами.

Следует отметить, что вследствие стохастического характера процесса кипения, влияния большого количества побочных факторов - предложенная зависимость (3.6) носит рекомендательный характер и направлены на оценку влияния геометрических параметров для обоснования выбора геометрических параметров при проектировании и создании новых образцов теплообменного оборудования и систем охлаждения [130].

3.5. Зависимость интенсивности теплоотдачи при кипении воды от пространственного расположения поверхности

Существенное ограничение представленных экспериментальных данных состоит в том, что они получены для горизонтальной ориентации микроструктурированных поверхностей - не модифицированная сторона экспериментального образца «смотрит» вниз, к днищу сосуда. При проектировании реальных систем, возникает вариативность пространственного расположения: от вертикального до горизонтального, с ориентацией рельефа «вниз», к днищу сосуда, либо под любым углом, что может существенно влиять на процесс теплоотвода при кипении. Распределение КТО при кипении зависит от взаимодействия не только от гравитационных факторов, определяющееся положением кипящего модифицированного слоя, но и влиянием гидродинамических и теплофизических факторов. При низких тепловых потоках ориентация поверхности и её положение в пространстве существенно влияют на интенсивность теплообмена, однако при высоких значениях тепловых потоков или при полностью развитом пузырьковом кипение, различие в КТО, для всех ориентаций в пространстве поверхностей нивелируется.

Исследования влияния ориентации поверхности выполнены для гладкой поверхности и поверхностей кипения № 13,14 и № 24. Установлено, что гладких поверхностей ориентация поверхности кипения имеет большее значение, чем для микроструктурированных.

На гладкой пластине, обращенной поверхностью кипения вверх, теплоотдача от 20 до 50 % ниже, чем для пластины, обращенной поверхностью кипения вниз (Рис. 3.19) [18, 99,100, 118,119,120,121,122].

Поверхность теплообмена ■ верхняя боковая нижняя

Поверхность теплообмена ■ верхняя • боковая

! •

Я, Вт/м

2 4 6 8 10 12

ДТ, °0

Рис. 3.19. Зависимость теплоотдачи при кипении воды на гладкой поверхности от плотности теплового потока и ориентации поверхности кипения.

Для поверхности № 13 с двухмерным рельефом различие в коэффициентах теплоотдачи на различных поверхностях практически исчезает (Рис. 3.20) [18, 99, 100,118,119,120,121,122].

. *

Поверхность теплообмена ■ верхняя

• боковая

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

ДТ, 0С

Поверхность теплообмена ■ верхняя боковая нижняя

1000000 4Е6

д, Вт/м2

30000

40000

0000

20000

10000

1000

300

0

0

1000

0000

00000

200000

100000

10000

4000

1000

6000 10000

100000

Рис. 3.20. Зависимость теплоотдачи при кипении воды на поверхности № 13 с двухмерным рельефом от плотности теплового потока и ориентации поверхности.

■

■ ■ ■■

.......■-------

4—■....... А А О ч • • • А А «А 1 * А

А А. *

•

Поверхность теплообмена

▲ .....*.......ш-у" ■ верхняя боковая нижняя

•

2 4

ДТ, °0

120000 100000

Поверхность теплообмена ■ верхняя

• боковая

* нижняя

¿Й

2000 10000

ц, Вт/м'

100000

,2

1000000 2Е6

Рис. 3.21. Зависимость теплоотдачи при кипении воды на поверхности № 14 с трехмерным рельефом от плотности теплового потока и ориентации поверхности

100000

80000

60000

40000

10000

4000

20000

6

Установлено, что для микроструктурированной поверхности № 14 с трехмерным рельефом коэффициенты теплоотдачи выше на поверхности, обращенной зоной кипения с микроструктурой вверх (Рис. 3.22). Интенсификация в этом случае теплоотдачи составляет 4 раза. При расположении поверхностей вертикально и горизонтально поверхностью кипения вниз - коэффициенты примерно одинаковы. Здесь интенсификация теплоотдачи уже ниже и составляет от 2,6 до 3,13 раз при плотности теплового потока 100000 Вт/м2 [18, 100, 118,119,120,121,122].

Поверхность теплообмена ■ верхняя боковая нижняя

■

А

А : А А •

А • ■ ■ к....... .......ш....... ■ и • *

100000 80000

60000

100000

2

ДТ, °0 ц, Вт/м2

Рис. 3.22. Зависимость теплоотдачи при кипении воды на поверхности № 24 с подповерхностными микроканалами от плотности теплового потока и ориентации поверхности.

100000

80000

60000

т 40000

т 40000

20000

20000

2000

10000

1000000 2Е6

4

Установлено, что для микроструктурированной поверхности № 24 подповерхностными каналами коэффициенты теплоотдачи на всех поверхностях практически одинаковы (Рис. 3.22). Здесь наблюдается достаточной большой разброс экспериментальных точек, вследствие сложного механизма интенсификации за счет формирования полузамкнутых объемов парообразования. При умеренных тепловых потоках наблюдается незначительное преимущество поверхностей теплообмена, обращенных вниз.

3.6. Визуализация пузырькового режима кипения воды на микроструктурированных поверхностях

Особенность гетерогенного кипения кроме наличия тройной границы раздела фаз: пар-жидкость-твёрдая стенка, это существование периодического неоднородного температурного распределения во взаимодействующих частях системы. Методические сложности ограничивают возможности экспериментального исследования динамики паровых пузырьков, что делает актуальным применение скоростной видеосъёмки.

При кипении воды рабочей диапазон плотности теплового потока находился в пределах от 10 до 1200 кВт/м2, что создало возможность наблюдались режимы поверхностного, развитого пузырькового кипения и кризиса кипения.

Визуализации кипения воды на гладкой и микроструктурированных поверхностях показана в Таблице 3.2.

Видно, что на микроструктурированных поверхностях, увеличивается количество центров парообразования, несколько уменьшаются диаметры пузырька в момент отрыва, но увеличивается частота отрыва пузырьков.

Фиксирование частоты отрыва не осуществлялось, однако из сравнения изображений для гладкой и микроструктурированной поверхностей в Табл. 3.2 видно, что на модифицированных поверхностях, частота отрыва пузырьков выше, по сравнению с гладкой поверхностью, так как объем кипящей рабочей жидкости более насыщен пузырьками пара.

Таблица 3.2

Интенсивность образования пузырьков при кипении воды на различных теплообменных поверхностях (шаг сетки на фото 1х1 мм)

Гладкая поверхность

39 кВт/м2

двухмерный рельеф № 1

30 кВт/м2

трехмерный рельеф № 14

30 кВт/м2

подпов-стный микроканал № 19

14 кВт/м2

62,4 кВт/м2

140 кВт/м2

59 кВт/м2

50 кВт/м2

113 кВт/м2

180 кВт/м2

91 кВт/м2

91 кВт/м2

154 кВт/м2

330 кВт/м2

174 кВт/м2

168 кВт/м2

220 кВт/м2

520 кВт/м2

341 кВт/м2

280 кВт/м2

546 кВт/м2

1450 кВт/м2

497 кВт/м2

737 кВт/м2

1047 кВт/м2

922 кВт/м2

Оценка количества центров парообразования на микроструктурированных поверхностях № 1 показала, что количество центров парообразования составляет 0,05-0,1 1/мм2 при q=7,7-30 кВт/м2 и начинает возрастать с данного значения до 0,25 1/мм2 при q=80-140 кВт/м2. Наличие двумерного рельефа способствует уменьшению угла смачиваемости, что приводит к росту частоты отрыва пузырьков, а так же к уменьшению диаметра пузырька пара в момент отрыва. При больших тепловых нагрузках определение количества центров парообразования на поверхностях затруднено из-за их большого количества и слияния пузырьков перед отрывом.

Количественная оценка центров парообразования на микроструктурированных поверхностях № 14 показала, что количество центров парообразования составляет 0,1-0,15 1/мм2 при q = 7,7-30 кВт/м2 и начинает возрастать с данного значения до 0,4 1/мм2 при q = 80-140 кВт/м2. На микроштырьковой поверхности угол смачиваемости уменьшается, что приводит к росту частоты отрыва пузырьков, а так же к резкому уменьшению диаметра пузырька пара в момент отрыва, что хорошо видно на результатах визуализации. Режим формирования отдельных пузырьков (отсутствие коагуляции на поверхности) по этой причине затягивается. При больших тепловых нагрузках определение количества центров парообразования на поверхностях затруднено из-за их большого количества и слияния пузырьков перед отрывом.

Количественная оценка центров парообразования на подповерхностных микроканалах № 19 показала, что количество центров парообразования составляет от 0,05 до 0,1 1/мм2 при q = 7,7-30 кВт/м2 и начинает возрастать с данного значения до 0,25 1/мм2 при q = 80-140 кВт/м2, так же как и на микрооребрённых поверхностях. На подповерхностных микроканалах угол смачиваемости уменьшается, что приводит к росту частоты отрыва пузырьков, а так же к уменьшению диаметра пузырька пара в момент отрыва. Видно, что слияние пузырьков на поверхности в большие конгломераты пара начинается достаточно рано, по сравнению с другими типами поверхностей, практически с 90 кВт/м2. Это особенность данного типа рельефа. При больших тепловых

нагрузках определение количества центров парообразования на поверхностях затруднено из-за их большого количества и слияния пузырьков перед отрывом.

Содержание пузырьков пара в объеме воды на поверхности № 1 диаметром от 1 до 6 мм примерно от 8 до 25 %, а пузырьков диаметром более 7 мм от 35 до 40 %. При том, что основная часть пузырьков (от 66 до 100 %) при кипении на гладкой поверхности имеет диаметры более 7 мм, и только до 25 % приходится на пузырьки диаметром 1 и 2 мм. Причем и они образуются в ходе разрыва крупных пузырьков при их отрыве от поверхности кипения. Большие значения диаметров всплывающих пузырьков обусловлены их слиянием перед отрывом из-за большой плотности центров парообразования. Для трехмерных рельефов поверхности размеры пузырьков резко уменьшаются и, как отмечено выше, и составляют от 0,8 до 4 мм. А вот на поверхностях с подповерхностными микроканалами центров парообразования (выход пара из подповерхностных «резервуарных»полостей) значительно больше и практически сразу, при минимальных тепловых нагрузках, паровые пузыри коагулируют в более большие паровые пузыри.

3.7 Выводы по главе 3

В ходе обработки и обобщения экспериментальных данных по теплоотдаче при кипении на микроструктурированных поверхностях:

• создан массив видеоинформации по динамике развития кипения в условиях свободной конвекции на микроструктурированных поверхностях с различными рельефами и различной ориентации. Информация представляет интерес для развития теории кипения;

• выявлены уровни интенсификации теплоотдачи при кипении воды на микроструктурированных поверхностях с двух-, трехмерном рельефе и подповерхностными микроканалами. Максимальная интенсификация составила до 4 раз. Максимальная интенсификация характерна для трехмерных поверхностей, минимальная - для двухмерных;

• в ходе анализа экспериментальных данных выявлено влияние основных геометрических (высота элементов рельефа, поперечные и продольные шаги, угол наклона, толщина элементов) и режимных параметров на интенсификацию теплоотдачи при кипении воды в условиях свободной конвекции.

• в ходе обобщения экспериментальных точек получены зависимости для прогнозирования коэффициентов теплоотдачи при кипении воды в большом объеме на поверхностях кипения с двух- (микрооребрение), трехмерным (микроштырьковые структуры) и подповерхностными микроканалами, которые описывают экспериментальные точки с отклонением + 30 % при доверительной вероятности 0,95 во всем диапазоне исследованных режимных и конструктивных параметров;

• установлено влияние ориентации поверхности кипения на уровни коэффициентов теплоотдачи.

Глава 4 Определение критических тепловых потоков при кипении воды на поверхностях с различным рельефом

Анализ кривых кипения и критических тепловых потоков производился по экспериментальным данным, полученным в данной работе. Геометрические параметры всех рассматриваемых микроструктурированных поверхностей кипения представлены в Таблице 2.1.

4.1 Особенности кризиса кипения на микроструктурированных поверхностях с различными рельефами

Результаты исследования критических тепловых потоков представляется в виде кривых кипения. На Рис. 4.1 показана кривая кипения воды в условиях свободной конвекции для двухмерных микроструктурированных поверхностей [18, 93, 94, 99, 100, 118,119,120,121,122]

Рис. 4.1. Тепловые потоки при кипении воды на поверхностях с двухмерным рельефом. Обозначения в табл. 2.1

Анализ данных на Рис. 4.1 показывает, что для микроструктурированных поверхностей № 10 - 13 начало кипения наступает раньше, чем на гладкой поверхности и соответствует Дt ~ 0,7 - 3 °С. Однако, несмотря на то что поверхности № 1 - 9 характеризуются малыми зазорами Д между элементами и малой толщиной элементов д, начало кипения примерно соответствует гладким поверхностям Дt ~ 2 - 4 °С.

Для поверхностей с микроструктурой в виде двухмерных микроребер увеличение критических тепловых потоков составило от 3,3 до 4,1 раз [18, 93, 94, 99, 100, 118,119,120,121,122]. Отмечено, что увеличение высоты элементов микроструктуры повышает предельную мощность теплообмена (дкр), но при этом снижается температурный запас до кризиса (ДГкр). На Рис. 4.2 показана кривая кипения воды в условиях свободной конвекции для поверхностей кипения с трехмерными рельефами.

осс

16

0 4 8 12 16 20 24 28

М, К

Рис. 4.2. Зависимость плотности тепловых потоков от перегрева поверхности при кипении воды на поверхностях с трехмерным рельефом. Обозначения в табл. 2.2

Анализ данных показывает, что для всех исследованных микроструктурированных поверхностей начало кипения наступает раньше, чем на гладкой поверхности и соответствует Дt ~ 0,3 - 2 °С.

Для поверхностей № 14 - 18 с трехмерным рельефом увеличение критических тепловых потоков составило от 1,3 до 5,9 раз. Установлено, что кризис кипения на поверхностях № 17 и № 18 наступает при более высоких перегревах стенки [18, 93, 94, 99, 100, 118,119,120,121,122].

На Рис. 4.3 показана кривая кипения воды в условиях свободной конвекции для микроструктурированных поверхностей кипения с подповерхностными каналами.

2Е6

1000000

Я, Вт

100000

10000

1000

1 дТ 10 30

Рис. 4.3. Зависимость плотности тепловых потоков от перегрева поверхности при кипении воды на поверхностях с подповерхностными микроканалами. Обозначения в таблице 2.4

Для поверхностей № 9-21 с подповерхностными микроканалами увеличение критических тепловых потоков составило от 2,3 до 3,1 раз. Установлено, что

+ гладкая поверхность Ш 19 О 20 А 21

-1-1-1-1-1-1-г

кризис кипения на поверхности № 20 наступает при более высоких перегревах стенки.

Особенностью кривых кипения как на гладкой поверхности, так и на модифицированных, являлось наступление кризиса при более низких тепловых потоках. Существуют различные теоретические модели, объясняющие механизм возникновения кризиса теплоотдачи. Наиболее признанной является гидродинамическая модель кризиса кипения, автором является Кутателадзе С.С. Для корректировки результатов кризиса кипения в случае тонких нагревателей можно воспользоваться данными работ [131,132], что так же нашло подтверждение результатов экспериментальных исследований при кипении на тонких модифицированных поверхностях с двух, трехмерном рельефом [99,100]. В этих работах показано, что в отличии от классического значения критического теплового потока при кипении воды в условиях свободной конвекции при атмосферном давлении равном дкр = 1,16406 Вт/м2 , для тонких нагревателях уровень критических тепловых потоков составил qкp от 0,7406 до 1,0-106 Вт/м2 [18,92,93,99,100].

4.2. Сравнительный анализ уровней критических тепловых потоков на поверхностях кипения с различным рельефом

В работе проведено сравнительный анализ уровней повышения критических тепловых потоков и теплоотдачи на трех- и двухмерных поверхностях. На Рис. 4.4 показаны лучшие результаты для двух- и трехмерных микроструктурированных поверхностей и поверхности с подповерхностными открытыми каналами, созданных методом деформирующего резания.

М, К

Рис. 4.4. Зависимость плотности тепловых потоков от перегрева поверхности при кипении воды на рельефах различной конфигурации. Обозначения для поверхностей в табл. 2.1-2.3.

Выявлено, что для трехмерных поверхностей критические тепловые потоки выше на 25 % при определенных геометрических параметрах рельефа микроструктрированных поверхностей. Кроме того, хорошо видно по смещению кривой кипения влево, что трехмерные микроструктурированные поверхности имеют более высокую интенсификацию теплообмена.

4.3. Зависимости для оценки значений критических тепловых потоков на поверхностях кипения с различным рельефом

Для установления влияния геометрических параметров на критические тепловые потоки при кипении различных жидкостей в условиях свободной

конвекции на микроструктурированных поверхностях, проведено обобщение экспериментальных данных с использованием многомерного регрессионного анализа.

Обобщение данных по критическим тепловым потокам производилось по модели:

- для поверхностей с двумерным рельефом [99]:

qкрит/qкритo = f2 CCe/9ü),Ch/Í0),(A/Í0),(5/lQ),Pr), (4.2)

- для поверхностей с трехмерным рельефом [100]:

q^^mo = f3 CCe/90),Ch/lo),CA/lo),C5/lü),Cu/lo),Cs/lo),Pr) (4.3)

- для поверхностей c подповерхностными микроканалами [13o]:

q^^rn« = f4 CCe/9o),Ch/lo),(A/lo),C5/io),Ck/lo),Pr) C4.4)

где qxpHT - критический тепловой поток при кипении жидкости на микроструктурированной поверхности, q^m-o - критический тепловой поток при кипении жидкости на гладкой поверхности. В качестве критического теплового потока при кипении жидкости на гладкой поверхности q^m-o приняты значения, полученные экспериментально. Они могут быть оценены с использованием зависимости для критического теплового потока Кутателадзе С.С. с рекомендациями о внесении поправок на толщину тонкостенных поверхностей кипения Гогонина И.И. [131,132], с использованием ранее полученных обобщающих зависимостей [99, 1oo, 119,12o,121].

Зависимость критического теплового потока для поверхностей с двумерным рельефом [99]:

q^q^ =14,4•Ce/90)1'36•Ch/lo)0'33•CA/lo)0'26•C5/lo)0'43•Pr-0'66, C4.5)

где e/90 = 0,72 - 1, h/lo = 0,09 - 1,45, A/lo = 0,002 - 1,29, S/lo = 0,01 - 1, Pr = 1,75 -1,79, F/Fo = 1,66-9,75.

Зависимость (4.5) описывает экспериментальные точки, полученные в данной работе с отклонением + 35 % при доверительной вероятности 0,95. На Рис. 4.5 представлена оценка эффективности использования обобщения, где

Я = С=14,4<0/90)136 (h/l0)0,33<A/l0)-0,26<5/l0)0,43ir2/3

10'

с)

0,1

■ - 7 • - 6 А - 8 ★ - 9 □ - 10 О - 11 Л - 12 -и - 13

+35%

А » _О

-ц-

-35%

15

20

25

30

At, K

Рис. 4.5. Обобщение экспериментальных данных по критическим тепловым потокам при кипении на поверхностях с двумерным рельефом. Обозначения в таблице. 2.1

Зависимость критического теплового потока для поверхностей с трехмерным рельефом [100]:

qкрит/qкритo = 11,2•(0/9O)2,26•(h/lo)o,35•(A/lo)-o,19•(5/lo)-o,245•(u/lo)-o,4•(s/lo)o,82•Pг-o,66, (4.6)

где 0/90=0,77-1, ЫЬ=0,09-0,71, А/Ь=0,002 - 0,3, 5/Ь= 0,042- 0,42, ^^=0,009-0,28, 8/1э= 0,02-0,79, Pr= 1,75-1,79, F/Fo= 2,23-4,8.

Зависимость (4.6) описывает экспериментальные точки с отклонением + 30 % при доверительной вероятности 0,95. На Рис. 4.6 представлена оценка эффективности использования обобщения, где Ц = ^крит/Чкрито,

С = 11,2- (0/90)2,26• (h/b)0,35 -(А/^)-0,19 • (S/b)-0,245 • (u/b)-0,4 •(s/b)0,82 •Pr-0,66

ES Ir

0,1

.....................................i.........................|...................i.............................i......................i.........|........i.......|......i......|.....:.....

■ - 16 • - 15 A - 14 Л - 17 ► - 18

+30%

A