= ТЕПЛОМАССООБМЕН И ФИЗИЧЕСКАЯ ГАЗОДИНАМИКА
УДК 536.248
ТЕПЛООБМЕН И ВОЛНОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИ ТЕЧЕНИИ ПЛЕНКИ БИНАРНОЙ СМЕСИ ФРЕОНОВ ПО ПОВЕРХНОСТИ
С ТРЕХМЕРНОЙ ТЕКСТУРОЙ
© 2013 г. О. А. Володин, А. Н. Павленко, Н. И. Печеркин
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск E-mail: volodin@ngs.ru Поступила в редакцию 20.02.2013 г.
Представлены результаты исследования теплообмена, кризисных явлений и волновых характеристик в стекающих по вертикальной поверхности с трехмерной текстурой ламинарно-волновых пленках жидкости. Рабочей жидкостью служила смесь фреонов R21 и R114. Выявлены особенности теплообмена, гидродинамики и развития кризисных явлений при стекании пленки бинарной жидкости по тепловыделяющим поверхностям различной геометрии. Показано, что в режиме испарения зависимость коэффициента теплоотдачи от степени орошения для поверхности с трехмерной текстурой аналогична зависимости для гладкой поверхности с наличием небольшой интенсификации теплоотдачи в области изменения пленочного числа Рейнольдса на входе 100—500. Коэффициенты теплоотдачи при пузырьковом кипении на исследованных типах структурированных поверхностей лежат существенно ниже, чем для гладкой трубы. В режиме неразвитого пузырькового кипения величина критического теплового потока для всех типов поверхностей определяется зависимостью, полученной на основе рассмотрения возникновения кризиса теплоотдачи в испаряющейся волновой пленке жидкости.
Б01: 10.7868/80040364413060215
ВВЕДЕНИЕ
Пленочные течения жидкости широко применяются для охлаждения тепловыделяющих поверхностей в различных технологических приложениях: теплообменниках, конденсаторах, испарителях, в криогенном оборудовании, выпарных аппаратах и т.д. Опубликовано большое количество работ по теоретическому и экспериментальному исследованию гидродинамики и теплообмена в стекающих пленках жидкости, описание которых приводится в таких монографиях, как [1—3]. В настоящее время изучение особенностей теплообмена и волнообразования в стекающих пленках жидкости, связанное, в конечном счете, с возможностью интенсификации теплообмена, продолжает вызывать интерес.
В работе [4] экспериментально исследовалось влияние искусственных возмущений на динамику волновой поверхности неизотермической пленки жидкости. Изучено нестационарное развитие волновых и тепловых характеристик пленки воды от момента воздействия возмущения с "наиболее опасной" длиной волны. Показано, что прохождение фронта волны после воздействия такого возмущения приводит к изменению расстояния между струями. Обнаружен рост амплитуды волн на фронте распространяющегося возмущения. В экс-
периментальном исследовании [5] той же группы авторов изучалась эволюция температурного поля на фронте трехмерной волны в пленке жидкости, стекающей по тепловыделяющему участку. Было показано, что вследствие действия термокапиллярных сил на поверхности пленки происходит деформация трехмерных волн и переход к струйному течению. Сделан вывод, что в рассмотренных условиях термокапиллярная и трехмерная неустойчивость гидродинамических волн изначально не связаны, а возникают и развиваются независимо, после чего начинают взаимодействовать. В работе [6] выполнено экспериментальное исследование изменения длины термического начального участка в стекающей пленке воды при высоких числа Рейнольдса. Сделан вывод, что сочетание сильных волновых и термокапиллярных эффектов может приводить к значительному уменьшению длины начального термического участка, из чего следует вероятная необходимость пересмотра формул для расчета теплообмена в стекающих пленках жидкости из [2], основанных на гипотезе существенного влияния начального термического участка.
В последнее время в тепломассобменных аппаратах различного назначения начинают находить все большее применение модифицированные поверхности, способные значительно интен-
сифицировать теплообмен и стабилизировать пленочное течение [7—11]. Однако систематизированные данные для маловязких высокосмачи-вающих жидкостей (фреоны и их смеси, криогенные жидкости) при их течении по поверхностям сложной геометрии практически отсутствуют. В работе [12] представлены результаты экспериментального исследования теплообмена в режиме испарения и гидродинамики стекающих пленок бинарных смесей фреонов Я21 и Я114 на гладкой и поперечно оребренной поверхностях вертикальных труб диаметром 50 мм из алюминиевого сплава Д16Т Диапазон изменения пленочного числа Рей-нольдса на входе в рабочий участок составлял: Яе = = 60—700 (Яе = 4Г/у, где Г — расход жидкости на единицу ширины пленки, V — коэффициент кинематической вязкости). Было показано, что в режиме испарения коэффициенты теплоотдачи на гладкой и поперечно оребренной поверхностях определяются расходом жидкости и слабо зависят от теплового потока. При малых расходах жидкости коэффициенты теплоотдачи на ореб-ренной поверхности (шаг оребрения — 1.5 мм, глубина — 0.4 мм, коэффициент оребрения — 1.77) уменьшаются по сравнению с гладкой поверхностью за счет накопления жидкости и увеличения эффективной толщины пленки в каналах текстуры. При больших расходах жидкости (Яе = 400—700) изменение структуры волновой поверхности пленки приводит к увеличению коэффициентов теплоотдачи по сравнению с гладкой поверхностью.
В [13] приведены результаты изучения волновой структуры поверхности пленки смеси фрео-нов Я21 и Я114, а также измерения коэффициентов теплоотдачи в режиме кипения и критических тепловых потоков при течении пленки по гладкой и поперечно оребренной поверхностям. Показано, что расчетные зависимости как для теплоотдачи при кипении смесей жидкостей в большом объеме, так и для условий пленочного течения жидкости предсказывают более низкие значения коэффициентов теплоотдачи, чем значения, полученные в указанных экспериментах для гладкой трубы. Коэффициенты теплоотдачи при пузырьковом кипении на оребренной трубе оказываются существенно ниже, чем на гладкой трубе в исследованном диапазоне числа Рейнольдса. Продемонстрировано удовлетворительное совпадение полученных данных по условиям образования устойчивых сухих пятен в стекающих пленках смеси фреонов в исследованном диапазоне изменения плотности орошения с расчетом по модели испарения остаточного слоя [14], учитывающей его подпитку при распространении крупных трехмерных волн. Приведено сравнение волновых характеристик на гладкой и оребренной поверхностях. Обнаружено, что в каналах текстуры наблюдается интенсивное нестационарное движение жидкости в горизонтальном направлении при развитии вторичных волн, ко-
торое приводит к возникновению более сложной волновой структуры на поверхности пленки. Похожие наблюдения были сделаны в работе [15], посвященной визуальному исследованию формирования пленки этанола на поверхности цилиндра с горизонтальной текстурой (шаг — 1.75 мм, глубина канавок — 0.35 мм). Было показано, что наличие горизонтально ориентированной текстуры приводит к дополнительному волнообразованию на поверхности пленки с характерными размерами волн, равными шагу текстуры, что может вызвать интенсификацию теплообмена. Последнее предположение было подтверждено в работах [12, 16] для режима испарения стекающей пленки.
Испарение смесей веществ играет важную роль в нефтехимической промышленности, химических технологиях (например, производство полимеров), в системах охлаждения. Имеющиеся в литературе пока немногочисленные экспериментальные данные показывают в ряде случаев значительное влияние концентрации легкокипя-щего компонента на интенсивность теплообмена [17, 18]. Однако данных для анализа влияния этого фактора в литературе по стекающим пленкам недостаточно. В работе [12], где в качестве рабочей жидкости использовались бинарные смеси фреонов Я21 и Я114 с небольшой разницей между температурами кипения и конденсации, показано, что изменение входной концентрации легко-кипящего компонента смеси в диапазоне (4— 15%) не имеет заметного влияния на коэффициент теплоотдачи в режиме испарения, влияние термоконцентрационной конвекции оказалось также слабым. С другой стороны, в экспериментальном исследовании [19] было показано, что для смесей с большой разницей между температурами кипения и конденсации с увеличением теплового потока растет влияние массопереноса на коэффициент теплоотдачи. Открытым также остается вопрос о влиянии состава бинарных смесей на величину критической тепловой нагрузки [12—20]. В [20] проведен анализ существующих представлений о кризисе кипения бинарных смесей. В результате поиска метода, позволяющего находить новые растворы, характеризующиеся максимальными значениями критических тепловых нагрузок, показано, что максимальные значения критической тепловой нагрузки совпадают с так называемыми "особыми точками" — экстремальными значениями на графиках зависимости приращения удельного веса от концентрации для растворов. Сделан вывод, что поиск новых бинарных систем с аналогичными свойствами может опираться на исследование этих "особых точек".
Задачей данной работы было измерение коэффициентов теплоотдачи в режимах испарения и пузырькового кипения жидкости, изучение волновой структуры поверхности пленки, исследование динамики развития кризисных явлений и
Рис. 1. Схема экспериментальной секции: 1 — щелевой распределитель, 2 — границы зоны тепловыделения, 3 — термопары, 4 — фторопластовая подложка, 5 — холодные спаи термопар, 6 — терморезистор, 7 — сборный стаканчик.
получение данных по изменению мольной доли компонентов для стекающих по тепловыделяющей поверхности с трехмерной текстурой пленок смеси фреонов. С целью поиска оптимальных для различных режимов теплообмена и плотностей орошения текстур поверхности произведены анализ и сопоставление новых опытных данных по теплооб-менным и волновым характеристикам для пленок бинарной смеси фреонов Я21/Я114, стекающих по гладкой и поперечно оребренной поверхностям, с данными, полученными ранее.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальный стенд представляет собой замкнутый циркуляционный контур, включающий в себя теплоизолированную колонну с оптическими окнами, бак постоян
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.