Кипение и испарение жидкости на пористой поверхности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

i Щ ^

Ро с с ийс к а я А к адеми я наук Объединенный институт высоких температур

На правах рукописи СОЛОВЬЕВ Сергей Леонидович

КИПЕНИЕ И ИСПАРЕНИЕ ЖИДКОСТИ НА ПОРИСТОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Специальность - 01.04.14 - Теплофизика и молекулярная физика

доктора технических наук

МОСКВА -1997

- г -

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Список обозначений.....................................................................................5

Введение.......................................................................................................В

1.ТЕПЛООБМЕН ПРИ ИСПАРЕНИИ ЖИДКОСТИ НА КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТОЙ ПОВЕРХНОСТИ...............................22

1.1 .Испарение с поверхности одиночного мениска...................................22

1.2.Теплообмен при испарении жидкости на капиллярно-пористой поверхности.............................................................................................48

1.3.Модель теплообмена при испарении слабых бинарных растворов на пористой поверхности..........................................................................55

Выводы к главе 1.........................................................................................61

2.ТЕПЛООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ ЖИДКОСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ С КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫМ ПОКРЫТИЕМ.

2.1.Постановка задачи исследования.........................................................64

2.2.Физическая модель процесса................................................................72

2.3.Математическое описание переноса теплоты и движения фаз в пористом слое.......................................................................................75

2.4.Результаты численного решения, влияние характеристик пористого слоя и теплофизических свойств жидкости на интенсивность теплообмена..........................................................................................83

2.5.Теплообмен при вскипании жидкости в порах. Гистерезис теплоотдачи..........................................................................................93

2.6.Основные типы кривых кипения на капиллярно-пористых

покрытиях...........................................................................................102

2.7.Модель теплообмена при кипении на капиллярно-пористом покрытии в условиях вынужденного движения недогретой жидкости.............................................................................................105

Выводы к главе 2....................................................................................111

3.АНАЛИЗ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ НА КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТОЙ ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДАМИ ПОДОБИЯ...........114

3.1. Принцип разбиения капиллярно-пористых структур на классы подобных. Условия подобия теплообмена......................................114

3.2. Обобщение экспериментальных и расчетных данных по теплообмену......................................................................................122

Выводы к главе 3.....................................................................................137

4.РАЗВИТОЕ ПУЗЫРЬКОВОЕ КИПЕНИЕ ЖИДКОСТИ НА ГЛАДКОЙ ПОВЕРХНОСТИ............................................................138

4.1. Физическая модель...........................................................................138

4.2. Математическое описание................................................................144

Выводы к главе 4.....................................................................................152

5.КРИЗИС ТЕПЛООБМЕНА. .............................................................153

5.1 .Кризис теплообмена при кипении в условиях большого объема.... 153 5.1.1 .Гидродинамическая модель кризиса теплообмена на капиллярно-

пористом покрытии..........................................................................153

5.1.2.Тепловая модель кризиса внутри пористого слоя.........................160

5.2. Модель кризиса кипения при движении жидкости в каналах при

высоких значениях массовой скорости и недогрева........................163

5.2.1 .Кризис теплообмена в каналах с гладкими стенками...................166

5.2.2.Кризис теплообмена в каналах с капиллярно-пористыми

покрытиями......................................................................................177

Выводы к главе 5.....................................................................................180

6.РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИСПАРИТЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО ПО ПРИНЦИПУ ПЕРЕВЕРНУТОГО МЕНИСКА.......................................................181

6.1 .Описание принципа работы испарителя...........................................181

6.2.Теплогидравлический расчет тепловой трубы с испарителем,

работающем по принципу перевернутого мениска......................191

6.3.Метод и результаты экспериментального исследования................198

6.4.Анализ опытных данных. Методика расчета теплоотдачи............206

Выводы к главе 6....................................................................................216

Заключение (общие выводы по работе)..................................................217

Литература............................................................................................221

Приложение............................................................................................245

Список обозначений

А - критерий Филиппова Л.П.

а -коэффициент температуропроводности

Ъ = ^/[я^р* - а )] - капиллярная постоянная

с - константа, скорость звука, удельная теплоемкость

О - диаметр

с1 - диаметр пор

О - расход

g - ускорение свободного падения Ь - высота

К - коэффициент проницаемости, кривизна поверхности

1, Ь - длина, масштаб длины

Ъгё - теплота фазового перехода

М - безразмерный комплекс, молекулярная масса

ш - параметр пористого слоя, показатель степени

п - показатель степени

III' - плотность центров парообразования

Р - давление

ДР - разность давлений

<3 - количество теплоты, тепловой поток

q - плотность теплового потока

Я - радиус

Я - индивидуальная газовая постоянная. Яг - радиальное число Рейнольдса г - безразмерный радиус Б - площадь Т - температура АТ - разность температур и, V - скорость

х, y, z - декартовы координаты а - коэффициент теплоотдачи

ß - коэффициент инерционного сопротивления, коэффициент испарения

8 - толщина пористого слоя

9 - температура, краевой угол

X - коэффициент теплопроводности

jlí - коэффициент динамической вязкости

V - коэффициент кинематической вязкости

в - пористость, малый параметр

ц - переменная

р - плотность

а - коэффициент поверхностного натяжения, относительная ошибка т - время

Ф - насыщенность (интегральная функция распределения пор по

размерам). X, 4 - функция к - константа < > - средний Bi = аЬ/Х - число Био Ре = и d/a - число Пекле Pr = v/a - число Прандтля Re = pul//и - число Рейнольдса

Индексы

г - граничный ж - жидкость изб - избыточный кр - критический

О - нулевой, равновесный п - пар пл - пленка

пп - предельный перегрев

пр - предельный

ск - скелет пористого покрытия

эфф - эффективный

d - расклинивающее давление

min - минимальный

max - максимальный

s - на линии насыщения

V - объемный

w - относящийся к стенке

Z - суммарный

а - капиллярный

оо - относящийся к параметрам на бесконечном удалении

Сокращения

TT - тепловая труба.

Остальные, редко встречающиеся обозначения даны в тексте. Размерность величин в системе СИ.

ВВЕДЕНИЕ

Процессы теплообмена при фазовых превращениях жидкостей чрезвычайно широко используются в самых различных областях: в ракетной и холодильной технике, атомной и тепловой энергетике, в металлургии, в химической и нефтеперерабатывающей промышленности и т.д. Однако, развитие новых современных отраслей техники и продолжающееся совершенствование устройств в уже традиционных областях требуют значительного повышения эффективности систем охлаждения, увеличения плотности снимаемых тепловых потоков, интенсификации теплообмена. Так, серьезные трудности возникают при охлаждении теплонапряженных поверхностей диверторов ТОКАМАК, высокофорсированных устройств силовой электроники, оптических элементов квантовых генераторов (зеркала мощных лазеров), в ракетной технике и во многих других случаях, когда плотность отводимых тепловых потоков достигает нескольких МВт/м2 и более.

В целях интенсификации теплообмена при испарении и кипении в последнее время широко используются капиллярно-пористые покрытия на охлаждаемой поверхности. Капиллярно-пористые покрытия облегчают вскипание жидкости (снижается необходимый температурный напор), позволяют существенно интенсифицировать теплообмен при пузырьковом кипении и увеличить критические плотности теплового потока. Первое актуально для холодильной техники. Пористое покрытие позволяет снизить разность между температурой рассола и кипящего фреона, что приводит к снижению температуры в холодильной камере. Работы в этом направлении успешно ведутся в ЛТИХПе, ОТИХПе и др. Перспективным оказалось применение капиллярно-пористых покрытий в морозильных камерах домашних абсорбционных холодильников. В результате совместных

исследований ИВТ РАН, НПО "ХИММАШТехнология" и МЗХ удалось определить оптимальные характеристики покрытий и технологию их нанесения на внутреннюю поверхность трубок испарителя. По этой технологии выпущено более 50 тысяч холодильников абсорбционного типа.

Увеличение коэффициентов теплоотдачи с помощью капиллярно-пористых покрытий нашло применение в системах охлаждения зеркал мощных лазеров. Работы велись в НПО "Астрофизика", ФИАН, ИОФАН, ГОИ им. Вавилова, ИВТ РАН, МЛТИ и др. Высокая интенсивность теплообмена при фазовых превращениях на пористых поверхностях позволила уменьшить перепады температуры в теле зеркала и тем самым снизить деформации отражающей поверхности.

Существенное повышение критических тепловых потоков при кипении на пористых структурах ( до 4-х раз по сравнению с гладкой поверхностью ) используется в радиоэлектронике, компьютерной технике и др. Работы по охлаждению теплонапряженных поверхностей диверторов ТОКАМАК с помощью капиллярно-пористых покрытий ведутся в НИИЭФА им. Ефремова.

Процессы теплообмена и движения фаз в пористых телах изучаются на протяжении почти ста лет в теории сушки и многофазной фильтрации. Однако, разработанный аппарат практически не приспособлен для исследования высокоинтенсивных процессов фазового перехода при кипении на поверхностях с пористыми покрытиями, протекающих с высокой степенью неравновесности. Действительно, большинство уравнений теплообмена получены путем осреднения уравнений необратимой термодинамики по некоторому характерному объему, содержащему достаточно много пор для проведения процедуры осреднения. Иными словами, считается, что характерные размеры изменения макропараметров, таких как

-ю-

насыщенность и капиллярное давление, существенно превосходят размеры пор. Однако, для высокоинтенсивных процессов испарения и кипения, реализуемых в современных системах охлаждения, эти характерные размеры становятся сопоставимыми со средним диаметром пор или даже меньше его. Для корректного расчета таких систем и описания процессов переноса теплоты и гидродинамики в пористых покрытиях требуется детальный анализ процессов термогидродинамики, протекающих на масштабах порядка размера поры. Именно этим можно в первую очередь объяснить отсутствие до настоящего времени ясных, физически обоснованных моделей теплообмена при кипении жидкости на пористой поверхности.

В настоящей работе сделана попытка более углубленного описания процессов теплообмена, протекающих в капиллярно-пористом покрытии путем разработки теории рассматриваемых явлений и построения на ее основе ряда расчетных моделей, обладающих повышенной точностью и широким диапазоном применимости. В этих целях потребовалось существенное развитие представлений о механизме высокоинтенсивного межфазного обмена, а также исследование закономерностей и условий подобия процессов теплообмена, протекающих в капиллярно-пористом покрытии.

Разработанные методы анализа, основанные на детальном изучении теплообмена при испарении тонкопленочной части мениска, оказались настолько удобным и мощным инструментом, что позволили попутно решить задачи о теплоотдаче при развитом пузырьковом кипении на гладкой поверхности и при испарении водоаммиачного раствора с пористой поверхности. Более того, выполненные исследования дали возможность предложить модель кризиса кипения жидкости в каналах (причем как с гладкими стенками так и с пористыми покрытиями) при высоких значениях массовой скорости и недогрева.

Ввиду значительных математических сложностей решение части задач выполнено численными методами. Однако, в большинстве случаев удалось получить аналитические решения, что позволило создать не только инструмент для расчетов, но и предоставило прямую возможность оптимизации характеристик капиллярно-пористых покрытий с целью достижения требуемых параметров теплообмена.

Решение этих вопросов позволило создать основу для решения целого ряда практических задач. В результате были получены формулы для расчета теплообмена на всей ветви пузырькового кипения на капиллярно-пористых покрытиях, включая кризис, сформулированы условия подобия теплообмена и принципы разбиения существующих капиллярно-пористых структур на классы подобных, впервые созданы методы расчета испарителей, работающих по принципу перевернутого мениска.

Ясно, что возможности развитого подхода этим не ограничиваются. По существу основные положения теории теплообмена высокоинтенсивных процессов испарения и кипения в капиллярно-пористых покрытиях можно рассматривать как разработку нового научного направления.

Научная новизна работы заключается в следующем: -разработан метод расчета теплообмена при испарении жидкости на капиллярно-пористой поверхности;

-предложена и разработана модель кипения жидкости на поверхности с капиллярно-пористым покрытием, на ее основе создан метод обобщения данных по теплоотдаче;

-впервые экспериментально установлены закономерности теплообмена в испарителе тепловой трубы, работающем по принципу перевернутого мениска;

-впервые получено соотношение для расчета первой критической плотности теплового потока при кипении жидкости на капиллярно-пористой поверхности;

-раскрыта физика процессов, протекающих в таком испарителе и на ее основе дано математическое описание теплообмена;

-с помощью разработанной программы выполнен численный эксперимент по влиянию характеристик пористого слоя на теплообмен, результаты которого позволяют выполнить оптимизацию пористых покрытий;

-предложена модель поведения макропленки вблизи активного центра парообразования и на ее основе получено разработан метод расчета теплообмена при развитом пузырьковом кипении на гладкой поверхности;

-впервые получено соотношение для расчета кризиса теплообмена в каналах с пористыми покрытиями в условиях течения жидкости с высокими значениями недогревов и массовых скоростей. Практическая ценность полученных результатов: -разработан метод охлаждения теплонапряженных поверхностей с помощью испарителей, действующих по принципу перевернутого мениска;

-на основе испарителя нового типа создана система охлаждения зеркала мощного лазера;

-разработан пакет программ и предложены обобщенные зависимости, позволяющие рассчитывать парогенерирующие поверхности теплообменников, на которые для интенсификации теплообмена нанесены капиллярно-пористые покрытия;

-создан метод расчета теплообмена при испарении слабых водоаммиачных растворов на пористой поверхности, позволивший провести оптимизацию характеристик морозильных камер холодильников абсорбционного типа.

Достоверностъ работы подтверждается применением общеизвестных методов решения задач и сопоставлением полученных результатов с общепризнанными экспериментальными данными. На защиту выносятся:

-теоретический анализ процесса высокоинтенсивного испарения в тонкопленочной части мениска;

-модель и метод расчета теплообмена при испарении на капиллярно-пористой поверхности;

-метод расчета теплообмена и гидродинамики в испарителе, обеспечивающем съем теплового потока (при охлаждении водой) до 2 МВт/м2 и коэффициенты теплоотдачи 10М06 Вт/м2К;

-метод расчета теплообмена в испарителе тепловой трубы, работающем по принципу перевернутого мениска;

-модель испарения слабых бинарных растворов с пористой поверхности;

-теоретический анализ процесса кипения жидкости на капиллярно-пористой поверхности;

-метод расчета теплоотдачи при кипении на пористой поверхности;

-результаты численного эксперимента по влиянию характеристик пористой структуры и теплофизических свойств жидкости на закономерности теплообмена при кипении;

-методы исследования условий подобия и обобщения данных по теплоотдаче при кипении на пористой поверхности;

-физическая модель кризиса кипения на пористой поверхности; -расчетные соотношения для критической плотности теплового потока при кипении на капиллярно-пористой поверхности;

-теория и расчетное соотношение для теплообмена при развитом пузырьковом кипении на гладкой поверхности;

-физическая модель кризиса кипения жидкости в каналах с гладкими стенками при высоких значениях массовой скорости и недогрева;

-расчетное соотношение для критической тепловой нагрузки при кипении сильно недогретой жидкости в условиях высоких массовых скоростей;

-физическая модель и расчетное соотношение для кризиса кипения недогретой жидкости в каналах с пористыми стенками.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Седьмой Всесоюзной конференции по тепло- и массообмену (Минск, 1984), на Первом и Втором Минском международных форумах по теплообмену (1988, 1992), на Седьмой Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических маши