Закономерности динамики двухфазных потоков и теплообмена при кипении хладагента R134a в микроканалах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

ХОВАЛЫГ ДОЛААНА МААДЫР-ООЛОВНА

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДИНАМИКИ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ И ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ ХЛАДАГЕНТА 11134а В МИКРОКАНАЛАХ

Специальность 01.04.14. - Теплофизика и теоретическая теплотехника

28 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2013

005540957

Работа выполнена в федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» (Институт Холода и Биотехнологий).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор, Бараненко Александр Владимирович

Фёдоров Александр Валентинович, доктор технических наук, зам. директора ВНИИЖ

Малышев Александр Александрович, кандидат технических наук, заведующий кафедрой холодильных машин и низкопотенциальной энергетики ИХиБТ НИУ ИТМО

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Защита состоится «/$» ^¿¿хк^оЛ 2013 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.227.08 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д.9, тел./факс: (812) 315-30-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «¿Г» /¿¿'¿¿/¿Л 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.08

Рыков Владимир Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена изучению особенностей процессов при кипении хладагента Ш34а в микроканале гидравлическим диаметром 538 мкм, исследованиям характеристик теплообмена, падения давления и неустойчивостей при движении двухфазного потока Ш34а в микроканалах.

Актуальность работы. Основным трендом развития техники низких температур является повышение энергетической эффективности и снижение воздействия на окружающую среду. Эти показатели, в частности, могут быть достигнуты интенсификацией теплообмена в аппаратах и снижением объема заправки рабочего вещества в систему. Как известно, около 60% хладагента в холодильном цикле сконцентрировано в теплообменных аппаратах, именно поэтому повышение компактности теплообменников одновременно с увеличением теплообменной поверхности и интенсификацией тепломассопереноса является одной из актуальнейших задач в холодильной технике.

Безусловными преимуществами теплообменников с малыми каналами, по сравнению с традиционными теплообменниками с "макроканалами", являются большая компактность за счет значительного увеличения поверхности теплообмена на единицу объема, способность выдерживать высокие рабочие давления, меньшая материалоемкость, меньший объем заправки рабочего вещества, а так же более высокие показатели коэффициента теплоотдачи при одинаковых условиях.

Хладагент Ш34а является озонобезопасным, стандартным и наиболее распространенным рабочим веществом для коммерческого и бытового холодильного оборудования и, согласно Киотскому протоколу, разрешен к использованию до 2030-го года. Таким образом, хладагент Ю34а относится к перспективным рабочим веществам для исследования в микроканальных теплообменниках нового поколения.

Подробное изучение теплообменников с малыми каналами началось в 1990-х годах и с каждым годом количество как экспериментальных, так и теоретических работ в этой области неукоснительно растет. Сложный процесс кипения в микроканалах ранее рассматривался в основном только как метод охлаждения в микроэлектронике, в криогенной технике и в малых топливных системах. Изучение возможности применения микроканалов в области умеренного холода и в кондиционировании стало актуальным направлением в последние годы.

Задача оптимального выбора размера микроканала, который может обеспечить оптимальные соотношения между эффективностью теплообмена и гидравлическими потерями в области эксплуатации промышленного холодильного оборудования, а так же разработка расчетных соотношений по теплообмену в таких каналах являются открытыми задачами в теплофизике. При этом анализ теплообменных показателей необходимо рассматривать с учетом возможных неустойчивых процессов, которые могут возникнуть во время эксплуатации оборудования.

Таким образом, изучение особенностей процесса кипения хладагентов в микроканалах и разработка инженерных методик для расчёта теплоотдачи и гидравлического сопротивления являются важными и необходимыми условиями для создания микроканальных испарителей и их внедрения в промышленность. Это обусловливает актуальность данной работы.

Целью работы является изучение особенностей динамики двухфазного потока и кипения хладагента Ю34а в микроканале размером порядка 500 мкм, анализ зависимостей неустойчивостей, интенсивности теплообмена и градиента давления от параметров процесса, определение области устойчивой работы микроканального испарителя.

Задачи исследования: В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Проведение экспериментальных исследований по изучению характеристик теплообмена, потерь давления и неустойчивостей в микроканале;

2. Определение карты режимов кипения хладагента;

3. Исследование экспериментальных зависимостей коэффициента теплоотдачи и градиента давления от параметров процесса кипения;

4. Сравнение экспериментальных значений коэффициента теплоотдачи с расчетными данными по существующим аналитическим и полуэмпирическим методикам;

5. Разработка соотношения для расчета коэффициента теплоотдачи, применимого для условий работы испарителей холодильных машин;

6. Сравнение экспериментальных значений градиента давления с рассчитанными данными по существующим методикам, анализ применимости методик;

7. Исследование неустойчивостей при кипении хладагента в микроканале, определение типов неустойчивостей и объяснение причин их вызывающих:

8. Определение областей устойчивого процесса кипения в микроканале. Основные положения, выносимые автором на защиту:

1. Результаты анализа режимов кипения хладагента Я134а в прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром порядка 500 мкм;

2. Расчётные зависимости по определению коэффициента теплоотдачи при кипении хладагента Ш34а в микроканалах гидравлическим диаметром порядка 500 мкм в области паросодержаний 0...0,5, в диапазоне массового расхода 0...700 кг/(м2с) и в диапазоне температур насыщения хладагента -5....+30°С:

3. Результаты анализа сравнения расчетных методик по определению градиента давления при кипении хладагента Ш34а в прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром порядка 500 мкм;

4. Результаты исследования неустойчивостей и определение области устойчивого кипения хладгента ИЛ 34а в прямоугольном микроканале порядка 500 мкм.

Научная новизна: Получены новые экспериментальные данные по коэффициенту теплоотдачи и потерям давления при кипении хладагента R134a в прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром (Dh) 538 мкм, в диапазоне массовых расходов 105... 634 кг/(м2с) и в диапазоне массовых паросодержаний 0...0,5. По результатам обработки экспериментальных данных предложены новые расчетные соотношения для определения коэффициента теплоотдачи, рекомендуемые для расчетов испарителей на R134a с микроканалами Dh порядка 500 мкм.

На основе анализа результатов экспериментальных исследований даны рекомендации по расчету градиента давления в микроканалах с Dh ~ 500 мкм.

Определена область устойчивого кипения R134a в микроканалах с Dh = 500 мкм на основании исследования неустойчивостей в виде периодически возникающих колебаний давления, массового расхода, температуры и реверса потока.

Практическая ценность: Научные результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Ядерная энергетика и теплофизика», «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» в Институте холода и биотехнологий НИУ ИТМО. Полученные экспериментальные данные и предложенные зависимости рекомендованы для проектирования компактных микроканальных испарителей для R134a.

Личный вклад автора: проектирование и сборка экспериментального стенда, разработка методики проведения эксперимента, проведение экспериментов, анализ полученных данных и разработка расчетных соотношений.

Апробация работы и публикации: Материалы по теме диссертационной работы изложены в 4 печатных трудах, 3 из них опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Основные результаты данной работы докладывались на международных научных конференциях и семинарах в Университете Штата Иллинойс в Урбане-Шампейн (США) (2012, 2013 г.), на ежегодных конференциях научно-педагогических работников СПГУНиПТ и НИУ ИТМО (2011-2013 гг.) и на VI Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» в НИУ ИТМО (2013 г).

Объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, приложения, списка литературы и содержит 121 страниц машинописного текста, 19 страниц приложений, 56 рисунков, 11 таблиц и 58 формул. Список литературы включает 125 наименования, в том числе зарубежных авторов 88.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении работы обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы.

Проведен анализ исследования процессов течения и теплообмена в микроканалах на основе обзора научной литературы. Сформулировано определение малых каналов и перечислены основные отличительные характеристики поведения потока вещества в малых каналах. Определено состояние и перспективы применения микроканальных теплообменников. Описаны особенности теплообмена, потерь давления, а так же неустойчивости двухфазного потока при кипении хладагентов в малых каналах. Сделаны выводы по литературному обзору и сформулированы задачи исследования.

Экспериментальный стенд (Рисунок 1) был спроектирован и смонтирован на базе Университета штата Иллинойс в Урбане-Шампейн (США). Стенд состоит из: линий подвода и отвода хладагента от тестового блока; тестового блока, состоящего из секции предварительного нагрева и секции- испарителя; системы измерения и автоматического сбора данных.

©

№

Ш:

_*sÉ

íV.'dR

вод»

Лед

хладагентом

. Теплоизолированная емкость N«1

Баллон №2 с хладагентом

Теплоизолированная емкость №2

Условные обозначения

Линия подачи жидкого хладагента ф Датчик температуры Линия двухфазного хладагента Датчик давления

Пиния циркулирующей воды Запорный вентиль IX] Обратыи вентиль £»<1 регулятор расхода ^^ Фильтр тонкой очистки

C^iP) Датчик разности давления

(у) Подача напряжения для электрического нагрева Кориолисовыи расходомер сфэ Смотровое стекло

Рисунок 1. Схема экспериментального стенда.

Напор хладагента в системе создавался разностью давления в начале и в конце экспериментальной линии. Центральным элементом стенда является тестовый блок, состоящий из входного разветвителя и выходного коллектора,

секции предварительного нагрева, с 4-мя независимыми микроканальными трубками из нержавеющей стали круглого сечения 508 мкм и длиной 200 мм, и секции-испарителя, состоящей из 4-х независимых кварцевых микроканальных трубок квадратного сечения 538 х 538 мкм и длиной 77 мм (Рисунок 2). Каждая пара трубок составляет одну экспериментальную ячейку (Рисунок 3). Измерение температуры хладагента (t¡nieVap, t0Ut,evaP) осуществлялось с помощью погружных медь-константановых термопар; давление хладагента (P¡n,Preh, Pout,evaP) измерялось датчиками избыточного давления; контактные медь-константановые термопары использовались для измерения температур стенок каналов (t¡). Датчик разности давления измерял потери давления (dPevap) в изучаемом микроканале. Каждая стальная трубка нагревалась подачей

электрического тока (1ргеь иргеь) непосредственно на трубку, длина нагрева (Ьргеь^есО была меньше общей длины трубки (ЬргеЬ). Тонкая пленка вольфрама была нанесена на внешнюю поверхность одной стороны каждой кварцевой трубки для возможности подвода к нему теплового потока (1еуар> иеуар), остальные стороны оставались прозрачными для визуализации процессов внутри канала высокоскоростной видеокамерой.

Рисунок 2. Микроканальные трубки секции предварительного нагрева (слева), 0ь=508мкм, и секции-испарителя (справа), 0[,=538 мкм.

Вход жидкости

^>

Выход двухфазного

Секция предварительного нагрева Секция-испаритель

Рисунок 3. Схема экспериментальной ячейки и измеряемых параметров.

На основе параметров прямых измерений определялись температуры хладагента на входе и на выходе из канала (tin sat.evap, tout_sat,evap), температура внутренней стенки стеклянного канала (tmWaii,evap), определялся тепловой поток (qin,evaP,) и рассчитывался коэффициент теплоотдачи по соотношениям:

cvau JT ('-inwall.evap ~ ^in_sal,evap) — (tinwall,evap ~ ^ouLsal.«vap)

а = .1 . allm = -Г---—f-- (!)

w'Im i , Linwall,evap мп sat.evap .

ln(;-—=-J

4nwaJI,evap Louc_sat,evap

По графику зависимости коэффициента теплоотдачи от паросодержания

для каждого значения массового расхода, а так же по прямым измерениям падения давления проводился анализ теплообмена в микроканалах.

В изучении процессов неустойчивости рассматривался как одиночный микроканал, так и параллельные микроканалы (от двух до четырех), плотности теплового потока каждого канала варьировались независимо. Для возможности

№ Описание прибора измерения Дипазон измерений Погрешность измерений

1 Кориолисовый расходомер Micro Motion D06 0...0,8 г/с ±1,5%

2 Датчик избыточного давления Danfoss MBS 0...827,4кПа ±4,6 кПа

3 Датчик разности давления типа "жидкость жидкость" Setra 230 -10... + 10 psid ±0,008 psid

4 Термопары Omega типа Т 0 ...,+50°С ±0,24:

S Источник питания В&К 9120А секции-испарителя 0„ У1 В, 0„.3 А ±0,02% В ±0,05% А

6 Источник питания HP Е3614 секции предварительного нагрева 0...8 В, 0...6 А ±0,5% В ±0,5% А

экспериментальной работе параметры системы регистировались с частотой в 2000 Гц, частота видеосъемок варьировалась от 1000 до 4000 кадров в секунду.

Перечень основных измерительных приборов экспериментального стенда дан в Таблице 1.

Погрешность определения коэффициента теплоотдачи а составила ±10%; градиента давления <1РМж ±0,003 кПа; массового паросодержа-ния хладагента д: ±10%. Таблица 1. Измерительные приборы.

В результатах экспериментальных исследований приведены подробный анализ экспериментальных данных, определение режимов кипения, сравнение данных по теплообмену и градиенту давления с величинами, рассчитанными по существующим методикам, анализ неустойчивостей.

Режимы кипения жидкостей в микроканалах оказывают влияние на устойчивость протекающих в микроканале процессов и в конечном итоге на интенсивность теплообмена при кипении. Знание режимов кипения позволяет определить области параметров, которые обеспечивают устойчивый и эффективный теплообмен при кипении в микроканале. На основе видеоизображений процесса кипения в канале были определены режимы потока и построена карта режимов кипения в микроканале хладагента Я 134а. Наблюдалось пять режимов течения двухфазного потока (Рисунок 4).

А А ★

........... • ♦ #* А ~А А * ** *

.... ♦ ♦ ♦ •• « 0 « ** 4 «0 J............... >..... А, А А А } * * ★

❖ р « « • •fc • А . • А « А А

о ♦ у- в . А А А А л

Г--' ...... ' ........ .......... I !

0.2 0.25 0.3 Паросодержанне х

• - пузыриэвый режим, « - снарядный режим, • - снарядно-полукольцевой режим, _А - полукольцевой режим, * - кольцевой режим._

Рисунок 4а. Карта режимов кипения R134a в прямоугольном микроканале 538 цм, (tHac = +29,4°С, q =2,2 кВт/м2).

Рисунок 46. Фото режимов кипения Ш34а в микроканале 538 р.м: (1) пузырьковый, (2) снарядный,

(3) снарядно-полукольцевой,

(4) полукольцевой и (5) кольцевой.

Прерывистые режимы характерны для х ниже 0,1...0,15. В области 0,15...0,5 характерны вариации кольцевого режима, а выше области паросодержаний 0,5 наблюдается высыхание стенки канала и наступление кризиса кипения.

Экспериментальные исследования теплообмена при кипении хладагента в микроканале. Характер зависимостей коэффициента теплоотдачи от массового паросодержания представлен на рисунке 5.

„ 3500

»

¿5 зооо

«

? 2500

■е-■е-

= 632,5 кг/(м'с)

ов » 567,5 кг/(м'с)

же = 525,6 кг/(м'с)

♦ в = 464,3 кг/(м'с)

АС = 416,0 кг/(м!с)

вс - 365,5 кг/(м;с)

дс = 306,1 кг/(м:с)

♦ с = 257,0 кгДм-'с)

ас = 214,1 кг/(м!с)

Х.С = 153,3 кг/(иЧ)

Об = 105,4 кг/(м!с)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

Паросодержаиие дг

Рисунок 5. Экспериментальные данные по коэффициенту теплоотдачи при кипении Ю34а, Бь=538 цм, 1нас = +29,4°С, я =2,2 кВт/ м2.

Коэффициент а растет с ростом паросодержания, причем темп роста коэффициента теплоотдачи в области малых паросодержаний (х<0,1) больше по сравнению с областью паросодержаний выше 0,1. Это связано с режимами кипения при разных паросодержаниях и соответствующим различием в механизме теплообмена:

• ниже значений паросодержаний =0,1 характерны прерывистые режимы кипения - теплообмен от стенки канала осуществляется через слой жидкости, окружающей паровой пузырь. Причем толщина слоя жидкости является переменной величиной, которая максимальна в начале парового пузыря и минимальна в хвосте - основной механизм теплообмена пузырьковое кипение.

Поэтому коэффициент теплоотдачи зависит от теплового потока, теплообмен более интенсивен и чувствителен к изменению паросодержания. • выше значений паросодержания =0,1 для режимов кипения характерно центральное турбулентное паровое ядро, жидкость вытеснена к стенке канала и теплообмен осуществляется через тонкий слой жидкости - основной механизм теплообмена конвективный. Коэффициент теплоотдачи растет с утоныпением пленки жидкости у стенки канала, причем, чем выше паросодержание тем пленка тоньше и тем теплообмен интенсивнее, с началом высыхания пленки

Экспериментальные данные по коэффициенту теплоотдачи при кипении хладагента Ш34а в микроканале гидравлическим диаметром 538 цм в области паросодержаний х = 0...0,5, определенные по формуле (1), были сравнены с расчетными величинами 11-ти расчетных методик по параметрам сходимости в области ±30% и по среднеарифметическому отклонению расчетной

величины от экспериментальной (Рисунок 6).

Рисунок 6. Сравнение экспериментального коэффициента теплоотдачи с рассчитанными по методикам: 1- Бертч и Гаримелла, 2 - Жанг и др., 3 - Тран, 4 - Овхаиб и др., 5-Кандликар и Бласубра-маниан, 6 - Купер, 7- Ли и Мудавар, 8 - Мохамед и Кайараннис, 9 - Том и др., 10 -Гунгор и Винтертон, 11 -Чьонколини и Том.

Хотя некоторые методы и показывают похожие с экспериментом тренды изменения коэффициента теплоотдачи, например методики Бертч и Гаримелла, Кандликар и Баласубраманиан, тем не менее, отсутствует единообразие и общий анализ показал, что разброс расчитанных данных по полуэмпирическим и аналитическим моделям не менее чем ± 30% от экспериментальных значений. Для более точного расчета коэффициента теплоотдачи при кипении Ш34а в

жидкости интенсивность теплообмена падает.

3500 г

500 1000 1500 2000 2500 3000 Коэффициент теплоотдачи (эксперимент), Вт/(м2К)

* - МЕТОД 1 О - МЕТОД 2 Л - МЕТОД 3

V-МЕТОД 4 • - МЕТОД 6 О - МЕТОД 6

Коэффициент теплоотдачи (эксперимент), Вт/(м К)

* - МЕТОД 7 О- МЕТОД 8 й - МЕТОД 9 V МЕТОД 10 • - МЕТОД 11_

прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром порядка 500 мкм потребовалось разработать улучшенное расчетное соотношение.

На основе экспериментальных данных и исходя из набора параметров, описывающих физику процесса кипения хладагента в микроканале, методом приближения наименьших квадратов были определены новые соотношения для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении хладагента Я134а в прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром порядка 500 мкм:

■ Расчетное соотношение коэффициента теплоотдачи при х < ОД :

а = 1.55 Яежт° 15Со0,85 Ргж°* Во«м» ' ^ * (2)

■ Расчетное соотношение коэффициента теплоотдачи при 0,1 < х < 0,5:

а = 1.13 Яежт0 23Со085 Рг» ^ |, (3)

где йежт = - критерий Рейнольдса по жидкости; Со = "

критерий стесненности роста парового пузыря, учитывает влияние отношения сил поверхностного натяжения и подъемных сил; Ргж = р - число Прандтля по жидкости; Во = —--критерий кипения, учитывает влияние величины

С Х7"

теплового потока на теплообмен, рп, рж - плотности паровой и жидкой фаз соответственно, кг/м3; х - массовое паросодержание; кж - теплопроводность жидкой фазы, Вт/(мхК); Ок - гидравлический диаметр канала, м.

Расчетные соотношения коэффициента теплоотдачи отличаются в зависимости от режима кипения потока и учитывают разный механизм кипения в области прерывистых и кольцевых режимов течения. Сходимость экспериментальных данных с расчетом не выходит за рамки области ±10%.

Потери давления при кипении хладагента в микроканалах. При двухфазном течении вещества в каналах с уменьшением размера сечения потери давления из-за вязкого трения увеличиваются и вносят значительный вклад в общие гидравлические потери. При расчете показателей микроканального теплообменника необходимо располагать расчетной методикой, с помощью которой можно теоретически оценить возможные потери давления.

В данной работе по прямым измерениям падения давления через исследуемую микроканальную трубку была построена зависимость градиента давления с1Р/<1г, от паросодержания х (Рисунок 7). График показывает, что градиент давления является функцией массового расхода, потери давления растут быстро и значительно при больших массовых расходах. При малых расходах градиент давления мало зависит от паросодержания, так как при малых расходах и паровая и жидкая фаза находятся в ламинарном режиме, потери давления из-за вязкого трения незначительны.

Экспериментальные значения градиента давления были сравнены с 6-ю корреляциями расчета градиента давления по параметрам сходимости в области ±30% и по среднеарифметическому отклонению расчетной величины от

экспериментальной (Таблица 2, Рисунок 8): 4 корелляции по модели разделенных потоков с разными подходами расчета множителя трения двухфазного потока и 3 метода расчета по гомогенной модели с разными подходами расчета вязкости.

25 г

I20

-М "в

^ 15

« Ё

: ! ...............1 ......

«

X . - ■ ;

V * , ч ■ , * к ... с Г" «

0.05 0.1

04 0.45 0.5

V в = 632,5 кг/(мге)

X в = 567,5 кг/(м!с)

- О б = 525,6 ктЦт'с)

а б = 464,3 кг/(»А)

А в = 416,0 кг/(м:с)

С = 365,5 кг/(м"с)

Т в = 306,1 кг/(м*с)

в - 257,0 кг/(м5с)

♦ в = 214,1 кг/(м!с)

■й- в = 1534 кг/(м"с)

• а = 105,4 кг/(м:с)

0.15 0.2 0.25 0.3 0.36 Паросодержание х

Рисунок 7. Зависимость градиента давления от паросодержания при кипении хладагентаЯ134а, Бь=538 цм, 1нас = +29,4°С, <\=2,2 кВт/м2.

В области паросо-держаний от 0 до 0,1, когда преобладают режимы течения отдельных пузырей и снарядов, скорости паровой и жидкой фаз мало отличаются, поток более однороден - рекомендуется использовать гомогенную модель представления потока.

Метод расчета Среднеарифм. отклонение Процент данных в интервале ±30%

Метод разделенных потоков

Область паросодержаний 0..0.5 0,1...0,5 0..0.5 0,1...0,5

Фрид ел 34,4 35,8 59,8 62,5

Мюллер-Стейнхагеи и Хек 40,3 36.7 13,4 20.8

Мншима 0 Хибикн 82,3 84.3 0 0

Ким и Мудавар 120,6 35,0 34,2 56,3

Гомогенная модель

Область паросодержаний 0..0.5 0...0.1 0..0.5 0...0Д

Свчигтн 38,8 30,5 31,7 50,0

МакАдамс 84.7 50.8 0 0

Да клер 50.1 54,1 1,2 2,0

Таблица 2. Сравнительный анализ расчетных методик градиента давления с экспериментом.

При больших паросодержаниях, более 0,1, скорости паровой и жидкой фаз различаются значительно, в канале преобладает турбулентное паровое ядро. В то время как режим течения слоя жидкости у стенки ламинарный. Модель разделенных потоков лучше описывает динамику потока. Таким образом, режим кипения потока имеет значение при расчете градиента давления в микроканалах и в практических оценках падения давления необходимо обращать внимание на величину паросодержания и, исходя из этого, выбирать метод расчета.

Для расчета падения давления при кипении хладагента К 134а в прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром = 500 цм в области

паросодержаний выше 0,1 рекомендуется использовать метод Ким и Мудавар, в области паросодержаний ниже 0,1 рекомендуется использовать гомогенную модель с расчетом свойств по Сичитти. В качестве альтернативной области

♦30% -

* »/ / о «/о 0

¡3

ЙгёЙейв'во а *

о 1

Л' а

аь

3 12 |

5 10

X а

. 1.................." .. /. . у

х +30% 1 I /' X .. ../. ..... • а -зо% Ъ

' 'Ш' - / ■ у- ■ / / А о X % *

......

;.....

йР/ск (эксперимент). кПа/см

X ■ МЕТОД 1 □- МЕТОД 2 о МЕТОД 3 О МЕТОД 4

йР.'йг (эксперимент), кПа/см I X ■ МЕТОД 5 О-МЕТОД 6 О МЕТОД7 I

Рисунок 8. Оценка сходимости градиента давления по расчетным методикам с экспериментальными данными, 1- Мудавар, 2- Мишима и Хибики, 3- Фридел, 4-Мюллер-Стейнхаген и Хек, 5- Даклер, 6- Сичитти и др., 7- МакАдамс и др.

Экспериментальные исследования неустойчивостей при кипении хладагента в малых каналах. Выполненные экспериментальные исследования показали, что при определенных параметрах двухфазный поток характеризуется неустойчивостью. На величины неустойчивостей и их периодичность оказывают влияние состояние хладагента на входе в каналы,плотность теплового потока, массовый расход хладагента, а также сочетание двух последних параметров. В микроканалах неустойчивости в первую очередь связаны с малым размером сечения, растущие пузыри стеснены стенками канала (Рисунок 9), возможен быстрый переход режимов кипения от пузырькового к кольцевому, от кольцевого к кризису кипения в рамках длины одной трубки.

Пример периодического низкочастотного неустойчивого процесса при кипении 11134а в микроканалах показан на рис. 10. В начальный момент парообразования из-за стесненных условий пузыри быстро заполняют сечение канала, это приводит к увеличению АР, меньший поток хладагента поступает в канал, падает массовый расход О и, как следствие, режим кипения потока от пузырькового быстро переходит в кольцевой. При постоянной плотности теплового потока весь хладагент испаряется и канал заполняется паром, АР в канале падает почти до нуля (Рисунок 10а). В этот момент новая порция

Рисунок 9. Стеснённый рост пузыря.

жидкости поступает в канал, пар конденсируется, давления во входном и выходном коллекторах падают (Рисунок 10в), цикл начинается заново. Замечено, что чем выше тепловой поток, тем короче период колебаний. Значительные колебания массового расхода являются причиной термических колебаний (Рисунки Юг, д).

Выполненные исследования показали, что неустойчивости двухфазного потока при кипении Ш34а в микроканалах характеризуются колебаниями ДР в отдельных случаях до 16 кПа, изменениями массового расхода хладагента до 400%, колебания температуры стенок достигают до 17°С.

100

э

29.5

Я)!

1 28.5

100

ЩАл Ми^ Ак* и

50 Время, о

100

50 Время, с

Рисунок 10. Неустойчивости разности давления ЛР (а), массового расхода (б), давления в коллекторах (в), и температур стенок в микроканалах секции предварительного нагрева (г) и секции-испарителя (д).

Реверс потока является уникальным явлением, характерным только дзтя малых каналов. Поток обращается в обратную сторону, если локальное давление внутри парового пузыря во время стесненного роста превышает давление потока на входе. Реверс проявляется при больших теплового потока (я) и/или при малых значениях массового расхода (О), в таких случаях рост парового пузыря имеет взрывной характер.

На рисунке 11 показаны параметры хладагента в случае возникновения реверса потока. Отрицательные значения ДР в микроканале указывают на смену направления течения потока в обратную сторону (Рисунок 11 а). Явление реверса потока может быть периодичным при установившихся значениях С я ц. Возникший реверс можно устранить путем увеличения массового расхода или путем снижения значения теплового потока. Желательно избегать работы теплообменника в области реверса потока, так как это значительно снижает интенсивность теплообмена и увеличивает ДР.

Время, с Время, с

Время, с Время, с

Рисунок 11. Характер потока при появлении реверса во время кипении R134a в микроканале, qHcn = 61,7 кВт/м2

На рисунке 12 показана граница возникновения реверса потока в координатах расход-тепловой поток. Применительно к холодильным машинам, где значения плотностей теплового потока не превышают 10 кВт/м2, во избежание появления реверса потока, рекомендуется эксплуатация микроканального испарителя при массовых расходах не ниже появления реверса потока при кипении R134a 70 кг/(м2с). в канале 538 цм, tHac = +29,4°С

Микроканальные теплообменные блоки отличаются компактностью и меньшим объемом заправки рабочего вещества по сравнению с традиционными ребристо-трубчатыми теплообменниками Для сопоставления характеристик двух типов теплообменных блоков было проведено их сравнение при одинаковой холодопроизводительности Q0=5 кВт при кипении хладагента R134a. Параметры расчета приняты по стандарту SCI EN328: tK[ffl=0°C, At=10°C. В среднем внутренний объем микроканального блока меньше в 5 раз; площадь поверхности меньше почти в 3 раза за счет повышения компактности теплообменного блока; масса меньше в 5 раз как за счет уменьшения габаритов теплообменного блока, так и за счет исключительно алюминиевой конструкции всего микроканального блока.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1) В результате проведенных исследований были получены новые экспериментальные данные по динамике двухфазных потоков и теплообмену при кипении хладагента R134a в микроканале гидравлическим диаметром 538 цм, определены области устойчивого кипения в микроканале.

2) Составлена карта режимов кипения хладагента. Установлено, что при принятых параметрах исследований, прерывистые режимы течения

Í.. Устойчивое кипение .__—- — —

30 ..........— •.....................*».

80 ' - .....Г...............-

70 Í........./ ............................4-......... ...............-......................... •

-у с-о -

| 50 / 1- .4»--!........i......1.......!......-

40 J • Область неустойчивого кипения

30 * 20 *

10 - .....'....... .........

о ..........■

О 10 20 30 40 50 60 q, кВт/м:

Рисунок 12. Экспериментальная граница

двухфазного потока хладагента характерны для массовых паросодержаний ниже 0,1—0,15, вариации кольцевого режима характерны при х = 0,15...0,5, выше значений паросодержания 0,5 наблюдалось высыхание отдельных участков внутренней поверхности микроканала.

3) Определено влияние различных параметров процесса на интенсивность теплообмена и на градиент давления при кипении R134a в микроканалах с гидравлическим диаметром Dh ~ 500 мкм. Установлено, что при паросодержании больше 0,5 интенсивность теплообмена резко уменьшается вследствие наступления кризиса кипения.

4) Предложены новые уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении R134a в микроканалах с Dh = 500 мкм, для паросодержаний (х)

0...0.5. массовых расходов 100...700 кг/(м2с), температур кипения -5°С ....+30°С.

5) На основании сопоставления экспериментальных и расчетных значений для определения падения давления в микроканале при х = 0...0.1 рекомендована гомогенная модель представления потока с расчетом свойств по Сичитти, при х = 0,1...0,5 - модель разделенных потоков Фридела и Ким и Мудавар.

6) Анализ экспериментального изучения неустойчивостей, проявляющихся в периодически возникающих колебаниях давления, массового расхода, температуры и реверса потока, показал, что при плотностях теплового потока порядка 10 кВт/м2 устойчивое кипение R134a в микроканале имеет место при массовых расходах хладагента не ниже 70 кг/(м2с).

7) Полученные результаты данной работы рекомендуются к использованию при анализе микроканальных испарителей, диаметром канала порядка 500 цм при работе с хладагентом R134a в области паросодержаний 0...Д5, массовых расходов 100...700 кг/(м2с) и температур кипения -5°С ....+30°С.

8) Микроканальный теплообменный блок производительностью Q0=5 кВт, меньше типового ребристо-трубчатого по площади поверхности до 3 раз, по внутреннему объему теплообменного блока в 5 раз и по массе блока до 5 раз.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ:

1. Ховалыг Д.М., Бараненко A.B. Методы расчета градиента давления двухфазного потока при течении в малых каналах. // Вестник Международной академии холода. - 2012. - №1. -С.3-10.

2. Ховалыг Д.М., Бараненко A.B. Теплоотдача при кипении хладагентов в малых каналах. // Вестник Международной академии холода. - 2013. - №4. -С.3-12.

3. Ховалыг Д.М., Бараненко A.B. Неустойчивости двухфазного течения веществ при кипении в микроканалах. // Холодильная техника. - 2013. -№10. -С.38-41.

4. Ховалыг Д.М., Бараненко A.B. Реверсивное движение потока при кипении хладагентов в малых каналах. / Сборник статей VI Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке». Санкт-Петербург.: НИУ ИТМО, 2013. С. 21-23

Подписано в печать I) - И. ]? . Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. Печ. л. 1.0 . Тираж SO экз. Заказ №.¿'<2. НИУ ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 ИИК ИХиБТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9.

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ»

На правах рукописи

04201452055

Ховалыг Долаана Маадыр-ооловна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДИНАМИКИ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ И ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КИПЕНИИ ХЛАДАГЕНТА Я 134а

В МИКРОКАНАЛАХ

Специальность 01.04.14. - Теплофизика и теоретическая теплотехника.

Научный руководитель - д.т.н., проф. Бараненко А.В.

Санкт-Петербург, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ....................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА В МИКРОКАНАЛАХ...........................................................................................12

1.1. Определение микроканалов, основные отличительные характеристики поведения потока в микроканалах............................................................12

1.2. Состояние и перспективы применения микроканальных теплообменников........................................................................................16

1.3. Теплообмен при кипении хладагентов в микроканалах........................22

1.4. Потери давления при кипении хладагентов в микроканалах.................33

1.5. Неустойчивости двухфазного потока при кипении хладагентов в микроканалах...............................................................................................40

1.6. Выводы и задачи исследований.................................................................44

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД, МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ.......................................46

2.1. Экспериментальный стенд.........................................................................46

2.1.1. Общая схема экспериментального стенда......................................47

2.1.2. Тестовый блок...................................................................................50

2.1.3. Система измерения и сбора параметров.........................................57

2.2. Методика проведения эксперимента и обработки результатов..........59

2.2.1. Методика проведения эксперимента..............................................59

2.2.2. Методика обработки результатов...................................................66

2.2.3. Методика изучения неустойчивых процессов...............................72

2.3. Оценка погрешностей экспериментальных результатов........................74

2.3.1. Погрешность прямых измерений....................................................74

2.3.2. Погрешность косвенных измерений...............................................76

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................................................78

2.1 Карта режимов кипения в микроканале хладагента R134a...................78

2.2 Экспериментальные исследования теплообмена при кипении хладагента в микроканале...................................................................................81

3.2.1. Зависимость коэффициента теплоотдачи от массового паросодержания, корреляции коэффициента теплоотдачи.........81

3.2.2. Соотношение для расчета коэффициента теплоотдачи..............87

3.3. Потери давления при кипении хладагента в микроканалах......................89

3.4. Экспериментальные исследования неустойчивостей при кипении хладагента в малых каналах.................................................................................96

2.4.1 Периодические незатухающие неустойчивые процессы............96

2.4.2 Явление реверса потока в микроканалах......................................109

3.5. Сопоставление характеристик микроканальной и ребристо-трубной конструкции теплообменного блока испарителя..................................ИЗ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................116

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................118

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................130

Таблица П1.................................................................................................130

Таблица П2.................................................................................................134

Таблица ПЗ.................................................................................................136

Таблица П4.................................................................................................137

Таблица П5.................................................................................................138

Таблица П6.................................................................................................139

Таблица П7.................................................................................................145

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

Dh -гидравлический диаметр канала, м; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м К);

л

q - плотность теплового потока, Вт/м ; g - ускорение свободного падения, м/с ;

ст - поверхностное натяжение, Н/м;

-2

р - плотность , кг/м ;

(х - динамическая вязкость, Пас;

'П - угол наклона канала,

х - массовое расходное паросодержание;

z - координата трубы, м;

L - длина трубы, м;

t - температура, °С;

Р - давление, кПа;

АР- потери давления, кПа;

dP/dz - градиент давления, кПаУсм;

Ф2 - множитель трения двухфазного потока;

f tp - коэффициент трения;

Re - критерий (число) Рейнольдса;

Nu - критерий (число) Нуссельта.

LCap - капилярная длина;

Ео - критерий (число) Этвеша;

Во - критерий (число) Бонда;

Со - критерий (число) стесненности;

Fr - критерий Фруда;

We - критерий Вебера

а - среднарифметическое отклонение (МАЕ); /доминир- доминирующая частота колебаний, Гц

Индексы :

ж- относится к жидкости; п- относится к пару;

жт ~ рассматривается только жидкая фаза; пт - рассматривается только паровая фаза; пл- относится к жидкой пленке.

ВВЕДЕНИЕ

Теплообменники с малыми каналами (микроканалами) для подвода или отвода теплоты относятся к новому поколению компактных и высокоэффективных теплообменных аппаратов. Компактные теплообменники с малыми каналами находят широкое применение в тепловых насосах, в холодильных машинах, системах автомобильного кондиционирования, в охлаждающих устройствах электронного оборудования, в малых химических реакторах и в системах охлаждения топливных элементов ядерных реакторов.

Данная работа посвящена изучению особенностей процессов при кипении хладагента Ю34а в микроканале гидравлическим диаметром 538 мкм, исследованиям характеристик теплообмена, падения давления и неустойчивостей при движении двухфазного потока Я134а в микроканалах.

Актуальность работы.

Основным трендом развития техники низких температур является повышение энергетической эффективности и снижение воздействия на окружающую среду [12,13,35]. Эти показатели, в частности, могут быть достигнуты интенсификацией теплообмена в аппаратах и снижением объема заправки рабочего вещества в систему. Как известно, около 60% хладагента в холодильном цикле сконцентрировано в теплообменных аппаратах [3,9], именно поэтому повышение компактности теплообменников одновременно с увеличением теплообменной поверхности и интенсификацией тепломассопереноса является одной из актуальнейших задач в холодильной технике [30].

Безусловными преимуществами теплообменников с малыми каналами, по сравнению с традиционными теплообменниками с "макроканалами", является большая компактность за счет значительного увеличения

поверхности теплообмена на единицу объема, способность выдерживать высокие рабочие давления, меньшая материалоемкость, меньший объем заправки рабочего вещества, а так же более высокие показатели коэффициента теплоотдачи при одинаковых условиях.

Хладагент R134a является озонобезопасным, стандартным и наиболее распространенным рабочим веществом для коммерческого и бытового холодильного оборудования, удовлетворяет всем основным требованиям стандарта ANSI/ASHRAE Standard 34-2004 [43] по безопасности относительно токсичности и горючести, и, согласно Киотскому протоколу, является разрешенным к использованию хладагентом до 2030-го года [25,36,34,21]. Таким образом, хладагент R134a является перспективным рабочим веществом для исследования в микроканальных теплообменниках нового поколения.

Подробное изучение теплообменников с малыми каналами началось в 1990-х годах и с каждым годом количество как экспериментальных, так и теоретических работ в этой области неукоснительно растет [80,114,115]. Сложный процесс кипения в микроканалах ранее рассматривался в основном только как метод охлаждения в микроэлектронике, в криогенной технике и в малых топливных системах. Изучение возможности применения микроканалов в области умеренного холода и в кодниционировании стало актуальным направлением в последние годы.

Задача оптимального выбора размера микроканала, которое может обеспечить оптимальные соотношения между эффективностью теплообмена и гидарвлическими потерями в области эксплуатации промышленного холодильного оборудования, а так же разработка расчетных соотношений по теплообмену в таких каналах являются открытыми задачами в теплофизике. При этом анализ теплообменных показателей необходимо рассматривать с учетом возможных неустойчивых процессов, которые могут возникнуть во время эксплуатации оборудования.

Таким образом, изучение особенностей процесса кипения хладагентов в микроканалах и разработка инженерных методик для расчёта теплоотдачи и гидравлического сопротивления являются важными и необходимыми условиями для разработки микроканальных испарителей и их внедрения в промышленность. Это обусловливает актуальность данной работы.

Цель и задачи исследования

Целью данного исследования является изучение особенностей динамики двухфазного потока и кипения хладагента Ш34а в микроканале размером порядка 500 мкм, анализ зависимостей неустойчивостей, интенсивности теплообмена и градиента давления от параметров процесса, определение области устойчивой работы микроканального испарителя.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

■ Проведение экспериментальных исследований по изучению характеристик теплообмена, потерь давления и неустойчивостей в микроканале;

■ Определение карты режимов кипения хладагента;

■ Исследование экспериментальных зависимостей коэффициента теплоотдачи и градиента давления от параметров процесса кипения;

■ Сравнение экспериментальных значений коэффициента теплоотдачи с расчетными данными по существующим аналитическим и полуэмпирическим методикам;

■ Разработка соотношения для расчета коэффициента теплоотдачи, применимого для условий работы испарителей холодильных машин;

■ Сравнение экспериментальных значений градиента давления с расчитанными данными по существующим методикам, анализ применимости методик;

■ Исследование неустойчивостей при кипении хладагента в микроканале, определение типов неустойчивостей и объяснение причин их вызывающих:

■ Определение областей устойчивого процесса кипения в микроканале.

Научная новизна

Получены новые экспериментальные данные по коэффициенту теплоотдачи и потерям давления при кипении хладагента Ш34а в прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром 538 мкм, в

диапазоне массовых расходов 105... 634 кг/(м"с) и в диапазоне массовых паросодержаний 0..Д5. По результатам обработки экспериментальных данных предложены новые расчетные соотношения для определения коэффициента теплоотдачи, рекомендуемые для расчетов испарителей на Ю34а с микроканалами Эь порядка 500 мкм.

На основе анализа результатов экспериментальных исследований даны рекомендации по расчету градиента давления в микроканалах с Бь ~ 500 мкм.

Определена область устойчивого кипения ИЛ 34а в микроканалах с Бь ~ 500 мкм на основании исследования неустойчивостей в виде периодически возникающих колебаний давления, массового расхода, температуры и реверса потока.

Практическая ценность. Научные результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Ядерная энергетика и теплофизика», «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» в Институте холода и биотехнологий НИУ ИТМО. Полученные экспериментальные данные и предложенные зависимости рекомендованы для проектирования компактных микроканальных испарителей для Ш34а.

Апробация работы. Основные результаты данной работы докладывались на международных научных конференциях и семинарах в Университете Штата Иллинойс в Урбане-Шампейн (США) (2012, 2013 г.), на ежегодных конференциях научно-педогогических работников СПГУНиПТ и НИУ ИТМО (2011-2013 гг.) и на IV Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» в НИУ ИТМО (2013 г).

Публикации

Материалы по теме диссертационной работы изложены в четырех печатных трудах, три из них опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, приложения и списка литературы и содержит 121 страниц машинописного текста, 19 страниц приложений, 56 рисунков, 18 таблиц и 58 формул. Список литературы включает 125 наименований, в том числе зарубежных авторов 88.

Автор выносит на защиту

■ Результаты анализа режимов кипения хладагента Ю34а в прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром порядка 500 мкм;

■ Расчётные зависимости по определению коэффициента теплоотдачи при кипении хладагента Я134а в микроканалах гидравлическим диаметром порядка 500 мкм в области паросодержаний 0...0,5, в диапазоне массового расхода 0...700 кг/(м~с) и в диапазоне температур насыщения хладагента -5....+30°С:

■ Результаты анализа сравнения расчетных методик по определению градиента давления при кипении хладагента Ш34а в прямоугольном микроканале гидравлическим диаметром порядка 500 мкм;

■ Результаты исследования неустойчивостей и определение области устойчивого кипения хладгента Ю34а в прямоугольном микроканале порядка 500 мкм.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕНА В МИКРОКАНАЛАХ

1.1. Определение микроканалов, основные отличительные характеристики поведения потока в микроканалах

Размер канала значительно влияет на характер парообразования при кипении жидкости в потоке. С уменьшением размера канала значение подъемной силы нивелируется, доминирующую роль начинают играть силы инерции, вязкость, поверхностное натяжение и капиллярные силы [21, 32,80,114,115,77,75,51].

Опытные наблюдения за двухфазным потоком подтверждают отсутствие в малых каналах расслоенного режима, который характерен для больших каналов, вследствие значительной роли сил поверхностного натяжения по сравнению с силой тяжести. Наряду с этим, с уменьшением размера канала подъемная сила имеет нивелирующее влияние (Рисунок 1.1). Таким образом, структура потока практически не зависит от ориентации канала, разность истинных скоростей фаз (скорость скольжения потока) уменьшается и это сдерживает появление касательного напряжения на границе «жидкость-газ» и подавляет образование волн на границе раздела фаз [106].

= 2,0 мм = 0,8 мм = 0,5 мм

Рисунок 1.1. Иллюстрация влияния подъемной силы в малых каналах [106].

В работах [14, 76] по исследованию влияния ориентации канала на режимы течения было определено, что для каналов с поперченым размером

меньше капиллярной постоянной Lcap (формула 1.1) влияние гравитации на режим течения не наблюдается.

1 2g

LcaP"Jg(P:K-Pr) (П)

Согласно работе [21] одним из определяющих процессов при течении вещества в малых каналах с одним из размеров меньше капилярной длины является процесс стягивания жидкости в углы канала (Рисунок 1.2). Жидкость в основном движется в углах канала и толщина пленки жидости на сторонах канала мала. Происходит перераспределение расходов жидкости на сторонах канала и в его углах при увеличении скорости пара.

■ ■ >

V....._ J

Рисунок 1.2. Межфазная поверхность в канале 2x7 мм при течении керосина [21].

На рисунке 1.3 схематически показаны стадии роста парового пузыря внутри малого канала и характер его поведения [51].

(а) : - ' * ' о <• Чс !

(б) V * 1 г sv ' ^ Л Л К V % 4 ' У ¿1 *

(в) —* ' . *

(г) % ZD - * ■

(д) • • • . - с _ у •

(е) f „ .... с

Рисунок 1.3. Схематическое изображение роста пузыря и характер его движения в малом канале [51].

В начальный момент при подводе теплоты через стенки канала жидкость начинает перегреваться и в отдельных точках поверхности, в

центрах парообразования, образуются пузырьки. При повышении температурного напора давление внутри пузыря увеличивается и пузырь начинает расти, занимая все сечение малого канала (Рисунок 1.36). Если момент сил испарения достаточно велик для преодоления динамического давления потока и/или давления на входе в канал, пузырь начинает расти как по направлению, так и против направления течения потока, принимая вытянутую форму (Рисунок 1.3в). Такое поведение пузыря наблюдалось во многих экспериментах, реверсивный рост пузыря порой локально меняет направление течения потока. Как только перегрев жидкости достигает максимума, вытянутый пузырь перестает расти (Рисунок 1.3г), и градиент давления вынуждает вытянутый пузырь двигаться вдоль потока (Рисунок 1.3д). Следовательно, наблюдается кольцевой режим, при котором между стенкой и паровым пузырем существует тонкая пленка жидкости. Дальнейшее испарение жидкости приводит к частичному осушению стенки (Рисунок 1.3е).

В зависимости от свойств вещества, температуры кипения, массового расходного паросодержания и подводимого