ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 6, с. 886-894
УДК 536.248
ДИНАМИКА ПОВТОРНОГО СМАЧИВАНИЯ ПЕРЕГРЕТОЙ ПОВЕРХНОСТИ СТЕКАЮЩЕЙ ПЛЕНКОЙ ЖИДКОСТИ
© 2014 г. А. Н. Павленко*, А. С. Суртаев*, А. Н. Цой*, И. П. Стародубцева*, В. С. Сердюков*, **
*Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (ИТ СО РАН), г. Новосибирск **Новосибирский национальный исследовательский государственный университет
E-mail: pavl@itp.nsc.ru Поступила в редакцию 10.07.2014 г.
Представлены результаты исследования повторного смачивания поверхности перегретого вертикального медного нагревателя стекающей пленкой азота. Экспериментально показано влияние пленочного числа Рейнольдса, начальной температуры перегрева стенки на скорость и пороговую температуру повторного смачивания. Экспериментальные данные авторов, полученные ранее, показывали, что на тонкостенной фольге распространяющийся фронт повторного смачивания не является плоским и характеризуется ячеистой структурой с регулярными кипящими струями и межструйными зонами, где теплообмен в смоченной зоне происходит в режиме испарения. На основе сравнения опытных данных показано, что значительное увеличение толщины охлаждаемой стенки приводит к вырождению ячеистой структуры и выравниванию фронта повторного смачивания. Проведено сравнение опытных данных с результатами численного моделирования процесса повторного смачивания.
DOI: 10.7868/S0040364414060118
ВВЕДЕНИЕ
Режимы повторного смачивания оказывают существенное влияние на динамику охлаждения перегретых поверхностей в металлургии, пищевой промышленности, металлообработке, на нестационарный теплообмен в энергетических аппаратах и системах термостабилизации различного назначения [1—5]. В атомной энергетике при исследовании аварийных режимов в активных зонах повторный залив исследуется применительно к вопросам безопасности уже на протяжении многих лет [6, 7]. Пленочные течения жидкости широко применяются для охлаждения тепловыделяющих поверхностей в различных технологических приложениях: теплообменниках, конденсаторах, испарителях, в криогенном оборудовании, выпарных аппаратах и т.д. Актуальной является проблема создания эффективных компактных пленочных систем охлаждения микроэлектронного оборудования, высокопроизводительных процессоров, быстродействие и долговечность которых в существенной мере зависят от эффективности отвода рассеиваемой мощности. Исследования по интенсификации процессов теплообмена, изучению переходных процессов и кризисных явлений в таких системах активно развиваются в последнее время [8—21]. Авторами работ [11, 12] показано, что при охлаждении перегретой фольги из константана толщиной 25 микрон стекающей пленкой азота фронт повторного
смачивания не является плоским в поперечном направлении. Визуализация позволила выявить особенности данного переходного процесса. Практически на входе перегретой поверхности возникают регулярные струи жидкости, в нижней части которых развивается интенсивное кипение. В межструйных зонах на границе несмоченной поверхности формируются валики жидкости, теплообмен в которых определяется преимущественно режимом испарения. Обработка экспериментальных данных показала, что при повторном смачивании перегретой поверхности стекающей пленкой жидкости локальные скорости движения разных зон двумерного фронта существенно различаются. Оказалось, что локальные скорости фронта смачивания в струйной области существенно выше, чем в межструйных зонах. Полное время повторного смачивания определяется скоростью перемещения границ пленочного течения жидкости в межструйной области. В [12] проведено численное моделирование динамического процесса повторного смачивания перегретой поверхности гравитационно стекающей пленкой жидкости с учетом локальной распределенности коэффициента теплоотдачи в смоченной зоне вдоль двумерного фронта. На основе проведенного теоретического анализа авторы [12] полагают, что увеличение толщины и коэффициента теплопроводности охлаждаемой пластины будет приводить к увеличению поперечного раз-
Вакуумный насос
Выходной резервуар (гелиевый сосуд)
Криостат
Выпускной клапан
СХЬ^
Нагреватель
Бак постоянного уровня
Датчики уровня
Блокиратор
/■Нагреватель
Скоростная камера
Датчики уровня
■Мерная
емкость Входной резервуар Резервуар
(гелиевый сосуд) избыточного давления
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
мера распространяющихся регулярных струй с кипением, вырождению межструйных зон и, в конечном итоге, к выравниванию фронта повторного смачивания.
Задачами данного исследования являются изучение особенностей динамики охлаждения перегретых толстостенных пластин стекающими пленками жидкости и проверка выдвинутой гипотезы о выравнивании фронта повторного смачивания в данных условиях.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты проводились с использованием жидкого азота, подаваемого на экспериментальный участок на линии насыщения (Т^ = 77.4 К) при атмосферном давлении. На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки для исследования процессов повторного смачивания стекающей волновой пленкой криогенной жидкости. В качестве рабочего объема использовался оптический криостат, представляющий собой криогенную емкость с внутренним диаметром 0.2 м и высотой 1.25 м. Для исключения испарения жидкой пленки на экспериментальной пластине (за счет притоков тепла через боковую поверхность внутренней полости криостата) криогенная емкость защищена вакуумированной полостью, охлаждаемыми радиационными экранами и внешней азотной ванной. От теплопритоков со стороны крышки криостата
экспериментальный участок защищен емкостью, в которой находится жидкий азот. Подробное описание криогенной установки и методики задания расхода жидкого азота приведено в работе [8]. Жидкий азот из бака постоянного уровня жидкости, расположенного во внутренней полости оптического криостата, через щелевой распределитель стекает по вертикальной пластине из дюралюминия шириной 75 и длиной 160 мм. Заданное расстояние от пленкоформирователя до области локального нагрева обеспечивает течение пленки жидкости по тепловыделяющей поверхности в режиме гидродинамической стабилизации. Далее пленка жидкого азота поступает на рабочий участок, представляющий собой вертикальную поверхность, затем стекает в мерный сосуд. Размер распределительной щели высотой 12 мм в экспериментах варьируется в диапазоне от 100 до 200 мкм. Расход при стекании жидкой пленки определяется объемным методом с помощью мерной емкости, расположенной под экспериментальным участком. Использование калиброванного сосуда позволяет контролировать расход с погрешностью 4%. Постоянство расхода жидкого азота обеспечивается заданным избыточным давлением во внутренней полости гелиевого сосуда емкостью 0.1 м3, которое задается испарением азота в резервуаре избыточного давления емкостью 0.04 м3. Контроль избыточного давления в сосуде осуществляется с помощью калиброван-
Пленкоограничители
Бак
постоянного уровня
Участок гидродинамической стабилизации
Термопары
Ü 1
* 35 мм
10 мм i
50 мм
Фольга (константан)
Электроизолятор (меканит)
75 мм
Распределительная щель
Блокиратор
Рамка (текстолит)
Нагревательная пластина (медь)
Рис. 2. Схема экспериментального участка.
ного дифференциального датчика давления с температурной компенсацией. Давление в сосуде поддерживается с помощью резистивного нагревателя, который питается от источника с внешним дистанционным управлением. Путем регулирования выделяемой на нагревателе мощности подбирался такой расход жидкости из гелиевого резервуара, чтобы высота столба жидкости в баке постоянного уровня оставалась неизменной в рамках каждой серии опытов. Пленочное число Рейнольдса Re= 4T/v на входе в рабочий участок изменялось от 60 до 1700 (здесь: Г — плотность орошения, v — кинематическая вязкость жидкости). Откачка внутренней полости криостата по мере заполнения измерительного бачка производилась насосом через регулировочный вентиль в дополнительный гелиевый сосуд. Визуализация течения и высокоскоростная видеосъемка процесса повторного смачивания осуществлялась через четыре оптических окна диаметром 45 мм с помощью цифровой видеокамеры Phantom v.7.0. Частота записи в экспериментах варьировалась в интервале от 200 до 1000 Гц с разрешением 800 х 600 (1 пикс. ~ 0.08 мм2). Высокое временное и пространственное разрешение камеры позволяло регистрировать форму и скорость фронта смачивания, характер кипения в смоченной зоне и волновые характеристики пленочного течения с необходимой точностью.
Исследование процессов повторного смачивания осуществлялось на экспериментальном участке, схематический вид которого представлен на рис. 2. Для прекращения подачи жидкости на пластине из дюралюминия перед зоной тепловыделения устанавливался специально разработанный блокиратор течения. При блокировании
к вертикальной поверхности течения плотно прижималась кромка поворачивающейся на оси упругой пластины так, что весь поток жидкого азота переходил на нее и далее отводился по ней в сборный сосуд.
Заподлицо с нагревательной поверхностью из меди толщиной 2.5 мм, длиной и шириной тепловыделяющей зоны 50 и 75 мм, соответственно, с обратной стороны прокладывалась фольга из константана толщиной 25 мкм. Свободные концы фольги припаивались к медным токоподводящим шинам, расположенным на текстолитовом блоке. Нагрев фольги осуществлялся пропусканием тока с использованием программируемого импульсного источника питания ГОРН-К-12/600, обеспечивающего максимальную выходную мощность 7.2 кВт при токе до 600 А с фронтом нарастания не более 1 мс. Для электрической изоляции между медной пластиной и фольгой из константана прокладывался тонкий слой миканита. Для улучшения теплоизоляционных свойств между поверхностью фольги и прижимным текстолитовым блоком, на котором располагались медные шины, прокладывался слой стекловолокна. Вся конструкция нагревательной поверхности была собрана на текстолитовой рамке. Запись текущих значений напряжения и тока на экспериментальном участке, а также управление источником питания нагревателя осуществлялись с использова
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.