ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 5, с. 727-734
УДК 536.24:536.423.1:533.563
ВЛИЯНИЕ ВЫСОТЫ СЛОЯ НА ТЕПЛООБМЕН И КРИТИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВОЙ ПОТОК ПРИ ИСПАРЕНИИ ЖИДКОСТИ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ДАВЛЕНИЙ © 2015 г. В. И. Жуков*, А. Н. Павленко**, Ю. В. Нагайцева*, Д. Вайсс*
*Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), **Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (ИТСО РАН), г. Новосибирск
E-mail: vizh@inbox.ru Поступила в редакцию 29.01.2015 г.
Представлены результаты экспериментального исследования теплообмена при испарении тонкого горизонтального слоя вакуумного масла ВМ-1С в условиях низких давлений. Проведен анализ опытных данных по зависимости плотности теплового потока от температурного напора, по критическому тепловому потоку в широком диапазоне изменения высоты слоя жидкости. Показано, что величина критического теплового потока увеличивается в узком диапазоне изменения высоты слоя более чем на порядок. Значения плотности критического теплового потока в слоях высотой меньше капиллярной постоянной описываются формулой Кутателадзе. С увеличением толщины слоя критический тепловой поток резко возрастает и при выходе на постоянное значение удовлетворительно согласуется с расчетными зависимостями Ягова и Ландау.
Б01: 10.7868/80040364415050282
ВВЕДЕНИЕ
Испарение тонких пленок жидкости используется в тепломассообменных аппаратах различного назначения, таких, как ректификационные колонны, выпарные аппараты, тепловые насосы, тепловые трубы, некоторые конструкции диффузионных вакуумных насосов, а также в устройствах охлаждения электронной техники, системах распылительного охлаждения, кондиционирования и др. Это определяется их способностью отводить значительные тепловые потоки при малом термическом сопротивлении. Наиболее широко применяются пленки, стекающие по вертикальным и наклонным поверхностям под действием силы тяжести. В настоящее время интенсивно развиваются экспериментальные и теоретические исследования гидродинамики и теплообмена стекающих пленок жидкости на гладких и модифицированных поверхностях [1—11]. Динамика повторного смачивания сильно перегретых поверхностей стекающими пленками жидкости исследуется в [12]. Известно, что при достижении предельных тепловых нагрузок возможен разрыв пленки и появление "сухих пятен" на поверхности нагрева. Развитие кризисных явлений ограничивает по режимным параметрам применение тонких пленок. В [8, 9] исследовались теплообмен и кризисные явления при интенсивном испарении и кипении в пленках жидкого азота, стекающих по вертикальным равномерно обогреваемым поверхностям. Обнаружен ранее не исследован-
ный режим развития кризиса осушения теплоот-дающей поверхности, характеризующийся вытеснением пузырькового кипения с обогреваемой поверхности вверх по потоку и развивающийся в определенных диапазонах режимных параметров течения и длины обогреваемой поверхности. При достижении критической плотности теплового потока в нижней части течения в результате слияния локальных сухих пятен формируется температурное возмущение, распространяющееся в дальнейшем на всю поверхность теплоотдачи и приводящее к ее осушению. При этом критический тепловой поток перестает описываться известными расчетными зависимостями [10, 11] и характеризуется существенно меньшими относительно расчетных значениями.
Горизонтальные тонкие пленки жидкости также широко используются в различных технологических устройствах для охлаждения поверхностей. Технические вопросы подачи жидкости на охлаждаемую поверхность, создания пленки заданной толщины и интенсификации отвода тепла с поверхности пленки решаются различными способами. В [13, 14] исследовались режимы испарения неизотермической пленки жидкости, движущейся под действием спутного потока газа. Применение неизотермических пленок ограничивается возникновением разрывов, высыханием и сложностью контроля ее толщины. Толщина в таких условиях зависит от гидродинамики течения двухфазного потока. В исследовании [15] не-
обходимая толщина пленки обеспечивалась подтеканием жидкости в зазор между поверхностью нагрева и нанопористой мембраной под действием давления гидростатического столба. Тепло отводилось в режиме испарения при перпендикулярном натекании на мембрану струи воздуха. В [16] исследуется теплообмен при испарении жидкости при пониженном давлении из пористого слоя спеченных металлических частиц. Жидкость подтекала по периферии пористого слоя к поверхности нагрева. В [15, 16] расчет теплообмена осложнен необходимостью учета геометрических и структурных характеристик слоев, в которых происходят течение и испарение жидкости. В [17—20] изучались особенности теплообмена в горизонтальных слоях жидкости со свободной верхней границей. В [17] исследовался теплообмен при охлаждении поверхности в замкнутом объеме, когда пленка создавалась распылением жидкости на поверхность нагрева с помощью форсунки. Толщина пленки регулировалась изменением расхода жидкости. В [18] жидкость подавалась на охлаждаемую поверхность сверху из сопла в виде свободно падающей круглой струи и растекалась по поверхности нагрева. Приводятся результаты нескольких серий экспериментов, в которых расход жидкости через сопло оставался постоянным, при этом изменялось расстояние между срезом сопла и диском. Изменением высоты регулировалась скорость натекания жидкости на поверхность нагрева. При увеличении высоты точки подачи жидкости скорость ее натекания росла, а толщина пленки растекающейся по поверхности жидкости уменьшалась. С уменьшением толщины пленки наблюдалось снижение критического теплового потока. В наиболее тонких пленках плотность критического теплового потока была примерно на 13% выше, чем расчетные значения по формуле С. С. Кутателадзе [21] для кипения жидкости в большом объеме. В пленках большей толщины плотность теплового потока была выше и не зависела от высоты слоя. В [19, 20] представлены результаты исследования интенсивного испарения вакуумного масла в горизонтальном тонком слое при очень низких приведенных давлениях. Рабочий участок установки представлял собой по конструктивному исполнению термосифон. Испаряющаяся жидкость конденсировалась на вертикальных стенках рабочего участка и стекала вниз, натекая на поверхность нагрева диаметром 120 мм по периферии. При интенсивном испарении наблюдалась деформация межфазной поверхности. В слое образовывались под действием реактивной силы фазового перехода структуры в форме "воронок" и "кратеров". "Воронки" представляют собой углубления с полусферическим днищем в тонком слое жидкости. "Кратеры" в отличие от "воронок" имеют в центре углубления протяженный плоский оста-
точный слой жидкости конечных размеров. "Кратеры" возникали на месте массива "воронок". Была предложена приближенная модель наблюдавшегося явления, в которой показано, что расчетные значения для плотности теплового потока, соответствующие образованию "кратера" в тонком слое жидкости толщиной 2.05 мм, практически совпадают с плотностью критического теплового потока по зависимости С.С. Кутателадзе [21], а также с экспериментальными данными. Из приведенных в [19, 20] результатов следует, что кризис осушения поверхности наступает при более высоком критическом тепловом потоке, чем его расчетные значения для кипения жидкости в большом объеме. Анализ экспериментальных данных [17] показывает, что при тепловых потоках, примерно равных первому критическому тепловому потоку для кипения жидкости в большом объеме, на поверхности нагрева начинается пузырьковое кипение в режиме отдельных пузырьков. Кризис осушения поверхности достигался при более высокой плотности теплового потока. Из приведенного обзора работ следует, что в тонких слоях жидкости критические потоки могут быть значительно выше, чем при кипении жидкости в большом объеме [17—20]. В то же время при кипении жидкости в движущихся вертикальных и горизонтальных тонких пленках наблюдается тенденция к уменьшению критического теплового потока с уменьшением толщины пленки жидкости [8, 9, 18].
В данной работе представлены экспериментальные данные по исследованию теплообмена и критических тепловых потоков при интенсивном испарении горизонтальных слоев вакуумного масла ВМ-1С в условиях низких давлений в широком диапазоне изменения высоты слоя жидкости.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводились на экспериментальной установке, подробное описание которой приведено в [20]. Рабочая камера конструктивно выполнена в виде термосифона (рис. 1). Она представляет собой цилиндрический сосуд из стали 12Х18Н10Т с внутренним диаметром 120 мм, высотой 300 мм и толщиной стенок 1 мм. На наружной поверхности верхней части расположен змеевик охлаждения. Расстояние от днища камеры до нижнего витка змеевика — 100 мм. Камера охлаждается водой, протекающей по змеевику. Для уменьшения тепловых потерь из-за перетечек по стенкам камеры от днища к змеевику охлаждения, а также для более равномерного распределения температуры по дну камеры ниже змеевика охлаждения находится дополнительный змеевик для нагрева стенки камеры, соединенный со змеевиком, предназначенным для прогрева ее крышки (на рис. 1 не показан). При установ-
ке дополнительного обогревательного элемента по проведенным оценочным расчетам потери за счет перетечек составляют не более 10% от суммарного теплового потока, передающегося через днище рабочей камеры к жидкости. Для измерения температуры поверхности нагрева в днище на различной высоте в пять отверстий диаметром 1.5 мм вставлялись в нержавеющих капиллярах медь-константановые термопары. Для измерения температуры жидкости в слое масла использовалась дополнительная термопара на подвижном зонде. Зонд был связан с координатным механизмом, который фиксировал его расположение относительно дна рабочего объема с точностью 0.05 мм. Давление в рабочей камере измерялось деформационно-ионизационным датчиком вакуума и поддерживалось постоянным регулировкой с помощью натекателя и вентиля. Установка оснащена автоматизированной системой сбора и обработки экспериментальной информации.
В качестве рабочей жидкости в эксперимента
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.