ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 4, с. 605-608
УДК 536.524
ВЛИЯНИЕ СПУТНОГО ГАЗОВОГО ПОТОКА В ИМПУЛЬСНОМ АЭРОЗОЛЕ НА ПРОЦЕСС ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
© 2014 г. А. Д. Назаров, А. Ф. Серов, В. И. Терехов
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск E-mail: nazarov@itp.nsc.ru, serov@itp.nsc.ru, terekhov@itp.nsc.ru Поступила в редакцию 27.08.2013 г.
Представлены экспериментальные данные о влиянии непрерывной спутной воздушной струи на коэффициент теплообмена импульсного спрея с плоским вертикальным теплообменником. Показано, что непрерывный воздушный поток не только вносит свой вклад в охлаждение, но и значительно влияет на эффективность охлаждения за счет включения в теплообмен вторичных капель, возникающих в процессе бомбардировки крупными каплями охлаждающей пленки и возврата их потоком воздуха на поверхность сухих участков теплообменника.
DOI: 10.7868/S0040364414040188
ВВЕДЕНИЕ
Охлаждение теплонагруженных поверхностей с помощью импактных газокапельных потоков широко используется в технике из-за высокой интенсивности процессов теплопереноса. Известно [1—4], что вводимые в струю искусственные возмущения интенсифицируют процессы тепломассообмена, поэтому с помощью нестационарного (импульсного) орошения возможно дополнительное увеличение эффективности охлаждения. Подбором параметров системы, таких, как соотношение длительности, частоты импульсов и скорости капельно-жидкой фазы, скорости спутного газового потока спрея, можно эффективно управлять тепломассообменными процессами. В настоящей работе исследуется влияние на теплообмен одного из параметров нестационарного аэрозоля — скорости спутного газового потока. Это особенно актуально, потому что исследований влияния скорости спутного газового потока на характеристики теплообмена импульсного спрея до настоящего времени не проводилось. При этом хорошо известно [5, 6], что в однофазных нестационарных импактных струях влияние скорости истечения значительно сказывается на теплообмене, поэтому следует ожидать такого же влияния и для двухфазных режимов течения. В двухфазных струях физика течения значительно усложняется и задача становится многофакторной. Это продемонстрировано в большом количестве экспериментальных исследований [7—12], где изучались особенности течения и теплообмена импульсных спреев.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ
Экспериментальный стенд (см. рис. 1) подробно описан в [13]. Стенд оснащен информационно-измерительной системой, позволяющей поддерживать параметры рабочего режима установки, измерять, собирать и архивировать экспериментальные данные. Интенсивность теплообмена при орошении импульсной капельной струей определяется по интегральным показателям цифрового быстродействующего калориметра.
Температура плоского теплообменника 1 с размерами 150 х 150 мм2 поддерживается контурным проточным нагревателем 2 с максимальной подводимой тепловой мощностью Р = ~6 кВт. Оригинальный калориметр 3 позволяет регистрировать общий тепловой баланс и поддерживать заданный тепловой режим в контуре с суммарной погрешностью в пределах dQ < 20 Дж.
Газокапельным источником 4 формируется импульсный аэрозольный поток 5. Источник содержит 16 четырехсопельных электромагнитных ин-
Вода Управление 3
Рис. 1. Схема экспериментального стенда.
606
НАЗАРОВ и др.
Рис. 2. Фотографии поверхности теплообменника с осажденной пленкой жидкости в режиме капельного импульсного орошения без воздушного потока: (а) — 1 Гц, (б) — 3 Гц, (в) — 5 Гц; длительность импульса — 2 мс.
Рис. 3. Треки вторичных капель: (а) — вид сбоку, (б) —
фронтальный вид.
жекторов жидкости, способных работать в непрерывном и импульсном режимах, и 25 сопел, формирующих непрерывный воздушный поток.
Управление экспериментом и сбор данных осуществляется информационной системой 6.
Распределение плотности капель по сечению потока и скорость потока капель определяются пьезоэлектрическим датчиком пульсаций (D = 10 мм с чувствительностью S = 10 мВ/Па в диапазоне 50 Гц— 15кГц). Визуализация поведения капель жидкости в струе и на поверхности теплообменника осуществляется скоростной видеосъемкой (5000 кадр/с) [13].
В экспериментах теплообменник и источник аэрозоли были установлены вертикально. Температура поверхности теплообменника, изготовленного из меди, поддерживалась постоянной (Tw = const) и равной 70°C. Опыты проводились в атмосферных условиях при давлении Ра ~ 0.1 мПа и температуре среды Ta ~ 22°C, температура жидкой фазы составляла T ~ 13°C. Скорость воздушного потока на начальном участке формирования аэросмеси варьировалась от нулевой до V = 25 м/с,
капель воды размером = 70—150 мкм — от ¥1= 1 до 20 м/с.
Для определения степени влияния непрерывной спутной воздушной струи на коэффициент теплообмена анализ выполнялся для двух режимов охлаждения [14].
1. Капельное импульсное орошение без дополнительного воздушного потока. Распыление жидкости производилось с расстояния Ь = 23 см от поверхности теплообменника, частота открытия жидкостных клапанов принимала значения от 1 до 50 Гц, длительность открытия изменялась от 2 мс до 10 мс.
2. Капельное импульсное орошение со спут-ным непрерывным воздушным потоком. Режим формирования жидкой фазы сохранялся, скорость воздуха в двухфазном охладителе изменялась от нулевого значения до 8 м/с.
Для сопоставления были проведены измерения теплоотдачи при однофазном режиме течения без впрыска капель жидкости.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 показаны фотографии поверхности теплообменника с жидкостью, сформированной импульсным капельным орошением без спутного потока воздуха. Видно, что в зависимости от расхода жидкости импульсного капельного потока на поверхности теплообменника формируются капли (рис. 2а), пятна жидкости в виде отдельных участков (рис. 2б) и пленка со средней толщиной до ~0.5 мм (рис. 2в).
В режиме капельного импульсного орошения со спутным непрерывным воздушным потоком картина взаимодействия аэросмеси с теплообменником значительно изменяется. Присутствие спутного газа в потоке делает пленку жидкости, осажденную на поверхности теплообменника из капель аэрозоля, неустойчивой. Как показали ранее выполненные исследования [13, 14], режим этот характерен тем, что жидкость распределена по поверхности теплообменника в виде пятен (рис. 2в) с сухими участками между ними. Из эксперимента видно, что на сухие участки воздушным потоком осаждаются вторичные капли малого размера (10—40 мкм), возникающие в процессе бомбардировки крупными каплями пленки жидкости. На рис. 3 показано типичное распределение треков вторичных капель.
Средний по поверхности теплообменника коэффициент теплоотдачи в опытах определялся как
и = о/^т; - т),
где — тепловая энергия, подводимая к теплообменнику; ¥т — его площадь; Т; и Т — температуры теплообменной поверхности и жидкости, подаваемой в форсунки.
ВЛИЯНИЕ СПУТНОГО ГАЗОВОГО ПОТОКА В ИМПУЛЬСНОМ АЭРОЗОЛЕ
607
На рис. 4 представлены экспериментальные данные о коэффициенте теплоотдачи в зависимости от скорости спутного потока воздуха для различных режимов капельного спрея. В опытах двухфазный поток формируется синхронным открытием жидкостных клапанов, длительность которых оставалась постоянной Т = 2 мс, но изменялась их частота следования ¥] = 1, 2, 3, 5 Гц, и непрерывным воздушным спутным потоком. При этом, соответственно, изменялась и средняя по времени массовая скорость жидкой фазы I,.
Как и следовало ожидать, увеличение скорости воздушного потока приводит к росту коэффициента теплоотдачи для всех режимов формирования капельной фазы.
Интенсификация теплообмена наблюдается и при увеличении средней массовой скорости жидкой фазы. Однако степень влияния от спутного воздушного потока при разной интенсивности капельного потока различается. Это наглядно следует из рис. 5, где представлены данные по степени интенсификации теплообмена за счет спутного потока газа к = И/И0, где И и И0 — коэффициенты теплоотдачи при наличии спутного воздушного потока и его отсутствии соответственно. Таким образом, величина к в явном виде характеризует влияние спутного воздушного потока на теплообмен.
Как видно из рис. 5, наиболее сильный эффект интенсификации (более чем в 3 раза) наблюдается при малых значениях частоты импульсов подачи жидкой фазы. По мере ее увеличения влияние спутного потока ослабляется, однако и в этом случае теплоотдача возрастает более чем в 2 раза. Одним из возможных объяснений данного обстоятельства является то, что с увеличением частоты импульсов пропорционально возрастает и расход жидкой фазы. В результате чего все больше поверхности теплообменника покрывается осажденной пленкой жидкости, толщина которой тоже увеличивается с ростом расхода (рис. 2). Влияние спутного потока воздуха на испарительный процесс уменьшается, и теплообмен в большей мере определяется передачей тепла к пленке.
Анализ полученных результатов позволяет выделить три процесса, определяющие теплообмен Оа между нестационарным импульсным аэрозолем со спутным потоком воздуха и плоским теплообменником. Первый — процесс охлаждения пленочным потоком, сформированный осаждением капель аэрозоля на поверхность О; второй — охлаждение воздушным потоком Ое; третий процесс связан с испарением вторичных капель, которые возвращаются воздушным потоком на сухие участки поверхности теплообменника О;.
Оа = О, + О+ О;, (1)
где О, = ш1е1(Т12 — Т11) — тепловая энергия, снимаемая пленочным потоком; О^= т£&(Т&1 — Т^) — теп-
И, Вт/м2 К 750
500 250
1
0
56 Ур м/с
Рис. 4. Зависимость коэффициента теплооотдачи от скорости спутного воздушного потока для различных режимов формирования капельной фазы при Т = 2 мс:
1 — воздух, 2 — ¥ = 1 Гц, I, = 6.17 г/м2с; 3 — ¥ = 2 Гц,
I, = 12.14 г/м2с; 4 — ¥ = 3 Гц, I = 12.14 г/м2с; 5 — ¥ = 5 Гц,
I, = 30.97 г/м2с.
к = И/И0 3.5
0 1 2 3 4 5 6
У8, м/с
Рис. 5. Зависимость коэффициента эффективности теплообмена к от скорости потока воздуха: 1 — I, =
= 6.2 г/м2 с, 2 — 12.2, 3 — 18.5, 4 — 31.
ловая энергия, снимаемая воздушным потоком; О; = г(1; — 1)¥т — тепловая энергия, снимаемая пр
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.