Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ результатов исследований по изучению гидродинамики, теплообмена и кризисных явлений при пленочных течениях однокомпонентных жидкостей и смесей на тепловыделяющих поверхностях различной геометрии (обзор литературы) 15
1.1. Гидродинамика пленочного течения жидкости на поверхностях различной геометрии 15
1.1.1. Гидродинамика пленки жидкости, стекающей по гладкой поверхности 16
1.1.2. Гидродинамика пленки жидкости, стекающей по структурированным поверхностям 21
1.2. Теплообмен при пленочных течениях однокомпонентных жидкостей и смесей на тепловыделяющих поверхностях различной геометрии 28
1.2.1. Испарение стекающих пленок однокомпонентных жидкостей и бинарных смесей на поверхностях различной геометрии 28
1.2.2. Кипение однокомпонентных жидкостей и бинарных смесей 38
1.2.3. Кипение в стекающих пленках жидкости 1.3. Кризисные явления при течении пленок жидкости по тепловыделяющим поверхностям различной геометрии 48
1.4. Выводы из обзора литературы 56
1.5. Постановка цели и задач исследования 57
ГЛАВА 2. Методика проведения опытов по исследованию гидродинамики и теплообмена при пленочном течении жидкостей на поверхностях различной геометрии 59
2.1. Экспериментальная установка для исследования гидродинамики и теплообмена при пленочном течении бинарной смеси хладонов на гладких и структурированных поверхностях 59
2.1.1. Экспериментальные участки 60
2.1.2. Методика проведения опытов и оценка погрешностей измерений 66
2.2. Экспериментальная установка и методика исследования гидродинамики стекающих по поверхностям сложной геометрии пленок криогенной жидкости 70
ГЛАВА 3. Теплообмен и кризисные явления при пленочном течении смеси хладонов на гладких и структурированных поверхностях 75
3.1. Визуализация пленочного течения смеси хладонов на тепловыделяющих поверхностях различной геометрии 75
3.2. Режимы теплообмена в стекающих пленках смеси хладонов 81
3.3. Состав смеси в стекающей испаряющейся пленке жидкости 91
3.4. Теплоотдача при испарении стекающих пленок смеси хладонов 95
3.5. Теплообмен при кипении в пленках смеси хладонов 101
3.6. Кризисные явления в стекающих пленках смеси хладонов, стекающих по поверхностям различной геометрии 108
3.7. Основные результаты и выводы к главе 3 115
ГЛАВА 4. Гидродинамика пленочного течения маловязких жидкостей на гладких и структурированных поверхностях 117
4.1. Волновые характеристики пленочного течения смеси хладонов на гладких и структурированных поверхностях 117
4.2. Гидродинамика пленочного течения жидкого азота на гофрированной перфорированной поверхности с горизонтальной текстурой 123
4.3. Основные результаты и выводы к главе 4 131
Заключение 133
Литература 135
- Теплообмен при пленочных течениях однокомпонентных жидкостей и смесей на тепловыделяющих поверхностях различной геометрии
- Экспериментальная установка для исследования гидродинамики и теплообмена при пленочном течении бинарной смеси хладонов на гладких и структурированных поверхностях
- Состав смеси в стекающей испаряющейся пленке жидкости
- Гидродинамика пленочного течения жидкого азота на гофрированной перфорированной поверхности с горизонтальной текстурой
Теплообмен при пленочных течениях однокомпонентных жидкостей и смесей на тепловыделяющих поверхностях различной геометрии
Уравнение, описывающее течение пленки при числах Рейнольдса Re » 1 в условиях отсутствия теплового потока, получено в работе [Накоряков, Шрейбер, 1973]. В предложенной модели отсутствуют диссипативные члены, вследствие этого уравнение не имеет установившихся решений в виде конечно-амплитудных волн. В работе [Prokopiou et al., 1991] показано, что диссипация появляется в следующем приближении по малому параметру. Из проведенного авторами анализа следует, что член уравнения, связанный с поверхностным натяжением, всегда отрицателен, что приводит к затуханию возмущений, а член, связанный с вязкостью, положителен, что, напротив, приводит к росту возмущений. В действительности, течение пленки имеет еще более сложный характер. Устойчивость безволнового стекания испаряющейся пленки по вертикальной плоскости исследовалась в работах [Bankoff, 1971; Spindler, 1982]. Показано, что испарение оказывает дестабилизирующее влияние и расширяет диапазон нарастающих во времени длинноволновых возмущений.
Авторами [Joo et al., 1991] в рамках длинноволнового приближения изучались характеристики устойчивости и поведение стекающих испаряющихся пленок жидкости на гладких стенках.
Исследования гидродинамики пленки жидкого азота, стекающей по вертикальной поверхности, проводились в [Алексеенко и др., 1997]. В работе приведены экспериментальные зависимости локальной толщины пленки, остаточного слоя и волновых характеристик в диапазоне чисел Рейнольдса Re = (25-250). Показано, что на пластине размерами 75x210 мм развиваются трехмерные нелинейные волны, разделенные протяженным остаточным слоем. Установлено, что в исследованном диапазоне расхода жидкости толщина остаточного слоя слабо зависит от числа Re.
Экспериментальные и теоретические исследования [Miyara, 1999; Adomeit et al., 2000 и др.] показали, что в области гребней крупных волн наблюдается вихревое течение, существенно искажающее профиль скорости, предсказываемый соотношением (1.2).
Авторы [Adomeit, Renz, 2000] экспериментально исследовали течение и трехмерную структуру межфазной поверхности при ламинарно-волновом течении пленки в диапазоне числа Рейнольдса 108 Re 800. Показано, что при Re 120 большинство волн имеют U- или Ж-образную форму и сопоставимы по размерам. При Re 300 большинство волн имеет вытянутую форму, а столкновения волн происходят чаще. При Re 300 волновое взаимодействие приводит к возникновению областей турбулентности.
В работе [Павленко и др., 2001] проводились исследования поведения ламинарно-волновой пленки, стекающей по вертикальной локально нагреваемой поверхности. Применение статистических методов обработки экспериментальных данных по волновым характеристикам позволило определить зависимости между отдельными параметрами процесса. Показано влияние плотности теплового потока на эволюцию вдоль теплоотдающей поверхности скорости и формы крупных волн. Впервые получены данные об изменении плотности вероятности распределения локальной толщины пленки в зависимости от плотности теплового потока и длины пробега жидкости в диапазоне чисел Рейнольдса Re от 32 до 103. В последующей работе авторов [Pavlenko et al., 2002] показано, что известные расчетные зависимости только качественно описывают полученные экспериментальные данные по скорости крупных волн.
В работе [Miyara, Nosoko, 2004] исследовалось распространение возбужденных волн в пленках воды, стекающих по стеклянной пластине в диапазоне 15 Re 75. Толщина пленки измерялась теневым методом. Были исследованы различные сценарии развития волнообразования.
Авторами [Lei et al., 2005] изучалась эволюция толщины волновых пленок силиконовых масел, стекающих по вертикальной и наклонной пластинам, одновременно методом конфокальной микроскопии (CHR) и флуоресцентно-спектроскопическим методом. Была измерена средняя толщина пленки и скорость распространения волн в диапазоне числа Рейнольдса 2 Re 700.
В работе [Чернявский, Павленко, 2011] выполнено численное моделирование процесса волнообразования в стекающих пленках жидкого азота в рамках гидродинамической модели Капицы-Шкадова. Исследовано влияние параметров малых начальных возмущений на течение процесса волнообразования. Выделено пять условных этапов его развития. Проведен расчет среднестатистических волновых характеристик при различных входных числах Рейнольдса. Получено удовлетворительное согласование результатов численного моделирования с экспериментальными данными.
В рассмотренных выше работах изучалось поведение пленок жидкости, стекающих по гладким поверхностям. Однако, при использовании пленочных течений в различных технологических процессах (испарение, конденсация, дистилляция и т.д.) с целью интенсификации процессов тепломассообмена часто бывает целесообразно использовать вместо гладкой теплоотдающей поверхности структурированную. Ниже приводится обзор работ, посвященных изучению поведения пленок жидкости на структурированных поверхностях.
Экспериментальная установка для исследования гидродинамики и теплообмена при пленочном течении бинарной смеси хладонов на гладких и структурированных поверхностях
В. Нуссельтом [Nusselt, 1916] впервые была решена задача о теплообмене при пленочной конденсации пара на вертикальной плоскости. Анализ теплоотдачи при испарении с поверхности пленки в рамках подхода Нуссельта дает: Экспериментальные значения коэффициента теплоотдачи при испарении с поверхности пленки, однако, значительно (до 100%) превышают рассчитанные по соотношению (1.6), что объясняется влиянием волн. В отличие от процесса конденсации, при испарении пленки жидкости интенсификация теплоотдачи на впадинах волн (область остаточного слоя) способствует уменьшению толщины пленки в данных областях, и, соответственно, еще большей интенсификации. Причем степень интенсификации теплоотдачи, как будет показано ниже, зависит от чисел Re иРг.
Подход П.Л. Капицы [Капица, 1951], который на основе собственной теории волн предсказал увеличение коэффициента теплоотдачи на 21% (без учета зависимости от числа Рейнольдса Re), также не дает адекватного объяснения получаемым результатам.
Вследствие вышесказанного были предприняты попытки улучшения теоретических предсказаний. В работе [Чжунь, Себан, 1971] исследовалась теплоотдача при течении испаряющейся пленки воды в диапазоне изменения числа Рейнольдса Re = 320-21000. На основе обобщения опытных данных авторы предложили следующие зависимости: Ш, = 0.82Шг022 - ламинарно-волновой режим; (1.7) Nu. = 0.003&Re04Pr065 - турбулентный режим. (1.8) В работе [Хиршбург, Флоршютц, 1982] авторы использовали собственную теорию нелинейных волн и добились хорошей корреляции с экспериментальными данными [Чжунь, Себан, 1971].
Эффект интенсификации за счет крупных волн учитывается в работе [Гимбутис, 1988], где предлагается следующее полуэмпирическое уравнение, описывающее опытные данные по испарению с поверхности пленки:
Данное уравнение справедливо для ламинарно-волновых и турбулентных режимов течения. Вклад волн и турбулентности в теплообмен учитывается многочленом в скобках. Учет влияния поверхностного натяжения на волнообразование и, соответственно, теплоотдачу сделан в работе [Alhusseini et al., 1998], авторы которой существенно расширили в экспериментах диапазон числа Прандтля Рг от 1.7 до 46 и предложили улучшенную корреляцию, основанную на влиянии числа Капицы Ка в ламинарно-волновой области и использовании турбулентных характеристик в турбулентном режиме.
Для описания коэффициента теплоотдачи при испарении во всей области чисел Re, авторы предлагают асимптотическую комбинацию ламинарно-волнового и турбулентного коэффициентов теплоотдачи: Ми =(Мил5+Мит5у15. (1.12) Корреляция (1.12) хорошо описывает собственные экспериментальные данные авторов в широком диапазоне изменения чисел Рейнольдса Re и Прандтля Рг, в то время как зависимости (1.6), (1.7), (1.8) не дают адекватных предсказаний по описанию опытных данных [Alhusseini et al., 1998] при числе Прандтля Рг 5.
В работах [Pavlenko, Lei, 1997; Мацех, Павленко, 2005; Суртаев, 2011] были получены экспериментальные данные по коэффициенту теплоотдачи при интенсивном испарении жидкого азота, существенно превышающие значения, рассчитанные по описанным выше зависимостям (рис. 1.9). В экспериментальной работе [Pavlenko et al, 2002] было продемонстрировано, что в области высоких тепловых потоков имеет место неравномерное уменьшение толщины остаточного слоя (уже на длинах пробега, соизмеримых с характерными длинами волн) и быстрый рост относительной амплитуды волн. Формирование локальных зон с очень тонкой пленкой в областях остаточного слоя между трехмерными волнами большой амплитуды, по-видимому, приводит к имеющей место заметной интенсификации теплообмена при интенсивном испарении криогенных жидкостей.
Состав смеси в стекающей испаряющейся пленке жидкости
Визуализация и запись процессов, реализующихся на тепловыделяющей поверхности при стекании волновой пленки в различных режимах теплообмена, включая развитие кризисных явлений, осуществлялась с помощью высокоскоростной цифровой видеокамеры Phantom 7.0. Большинство записей было выполнено с частотой 1000 кадров в секунду, временем экспозиции 499 мкс и разрешением кадра 640x480. Программное обеспечение видеокамеры позволяет проводить обработку полученных видеофильмов и дает возможность определять волновые характеристики пленочного течения: скорость следования крупных волн, длину волны, размеры и скорость распространения сухих пятен. Погрешность при измерении скорости волн составляла не более 8%. Погрешность измерения средней длины волн не превышала 12%.
Объемный расход жидкости измерялся с помощью турбинного расходомера FTO-5 с погрешностью не более 3%. Относительная погрешность в определении числа Rem не превышала 5%.
Экспериментальная установка и методика исследования гидродинамики стекающих по поверхностям сложной геометрии пленок криогенной жидкости
Поиск оптимальной формы тепломассообменных поверхностей, используемых в различных приложениях, с целью повышения эффективности технологического оборудования требует проведения соответствующих экспериментальных исследований. Такие исследования должны включать в себя, в том числе, и изучение характера течения жидкости по поверхности сложной геометрии. Одной из задач настоящей работы являлось исследование особенностей течения криогенной жидкости по поверхности вертикальных перфорированных пластин с наличием или отсутствием мелкой горизонтальной текстуры и гофрирования при различной степени орошения (в адиабатических условиях).
На рис. 2.9 представлена принципиальная схема экспериментальной установки для исследования гидродинамики стекающих по поверхностям различной геометрии пленок криогенной жидкости. Рабочая жидкость -жидкий азот - подается через криогенный трубопровод из гелиевого сосуда емкостью 0.1 м в бак постоянного уровня жидкости, размещенный во внутренней полости криостата. Из бака постоянного уровня жидкость через щелевой распределитель поступает на рабочий участок и далее стекает в измерительные сосуды. Из внутренней полости криостата жидкий азот через криогенный трубопровод откачивается в выходной гелиевый сосуд.
Постоянство расхода жидкого азота обеспечивалось заданным избыточным давлением во внутренней полости расходного гелиевого сосуда, которое задается испарением азота в гелиевом дополнительном сосуде емкостью 0.04 м . Контроль избыточного давления в сосуде осуществлялся по образцовому манометру. Давление в сосуде поддерживается с помощью нагревателя. Данная система регулирования позволяет поддерживать избыточное давление с точностью 1%.
Оптический криостат представляет собой криогенную емкость с внутренним диаметром 0.2 м и высотой 1.25 м. На крышке криостата расположены узлы подсоединения криогенных трубопроводов, штуцер для измерения давления паров в экспериментальной полости, электрические разъемы для подсоединения датчиков и центрирующая стойка, обеспечивающая вертикальное перемещение и поворот экспериментального участка. Через четыре оптических окна выполняется визуализация течения и съемка видеокамерой. Диаметр оптических окон 45 мм. Выпускной клапан
Для исключения испарения жидкой пленки на экспериментальном участке (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. Нижняя часть криостата также заполнена жидким азотом. Объем криостата, где размещена экспериментальная пластина, при проведении экспериментов заполнен насыщенными парами азота. Температура Тнас при атмосферном давлении составляет 77.4 К. Необходимое давление Р 10" Па в вакуумной полости криостата создается форвакуумным, диффузионным масляным и абсорбционным насосами.
В экспериментах на оптическом криостате использовались следующие алюминиевые рабочие участки: (1) плоская гладкая перфорированная поверхность; (2) плоская перфорированная поверхность с горизонтальной текстурой и (3) перфорированная поверхность с крупным гофрированием и горизонтальной текстурой. Исследование течения жидкости на различных рабочих участках позволяет выявить влияние как горизонтальной текстуры, так и крупного гофрирования на динамику течения жидкости.
Рабочие участки шириной 75 мм и длиной 300 мм присоединялись ко дну бака постоянного уровня. Жидкость поступала на рабочие участки через распределительную щель, образованную двумя пластинами, закрепленными на дне бака. Установка заданного размера щели обеспечивалась прокладкой калиброванной металлической фольги толщиной 50 мкм. Длина распределительной щели составляла 75 мм.
Горизонтальная текстура имела амплитуду 0.2 мм и шаг 1.5 мм. Толщина пластин - 0.2 мм. В экспериментах, посвященных изучению влияния отверстий на волновое течение пленки, в центральной части плоских пластин были проделаны отдельные отверстия диаметром 4 или 10 мм.
Жидкий азот стекал по фронтальной части поверхности пластин. Во время экспериментов было обеспечено равномерное орошение верхней части рабочих участков. При орошении гофрированных участков форма распределительной щели имела ту же геометрию и углы изгиба, что и экспериментальная гофрированная пластина. В экспериментах с гофрированными пластинами применялось два метода орошения. В первом случае в верхней части пластины орошались все пять каналов. Во втором случае орошался только один крайний правый канал, что позволяло определить долю жидкости перетекающей из орошаемого канала в неорошаемую область пластины. Число Рейнольдса Rem для каждого случая рассчитывалось по степени орошения каналов.
Гидродинамика пленочного течения жидкого азота на гофрированной перфорированной поверхности с горизонтальной текстурой
Появлению устойчивых сухих пятен на тепловыделяющей поверхности при малых числах Рейнольдса предшествует периодическое осушение поверхности в нижней части рабочего участка в тонком остаточном слое в зоне между гребнями волн. При постоянном тепловом потоке в околокризисном режиме замываемые сухие пятна, не оказывающие заметного влияния на осредненный коэффициент теплоотдачи, могут существовать продолжительное время. При увеличении тепловой нагрузки в момент достижения КТП образуются устойчивые сухие пятна (рис. 3.27а). Размер пятен увеличивается при дальнейшем увеличении тепловой нагрузки (рис. 3.276). За величину КТП, как отмечалось в начале главы, принимается тепловой поток, вызывающий появление на теплоотдающей поверхности устойчивых сухих пятен, следствием чего является резкий рост локальных температур поверхности в областях осушения. ромбовидной (б) поверхностях, a) q = 2.5 Вт/см , Rem = 3\\; 6)q = 5А Вт/см , Rem = 3\2. На рис. 3.28 приведены опытные данные по КТП, соответствующие условиям появления устойчивых сухих пятен на гладкой и структурированных поверхностях, и сравнение результатов измерений с известными моделями. Точки 1-4 соответствуют опытным данным для смеси R21/R114 в диапазоне изменения Сх = (4.4-19)%. Из сравнения экспериментальных данных следует, что на поперечно оребренной поверхности при малых расходах жидкости в пленке Re = (60-300) величина КТП оказывается несколько выше по сравнению с гладкой поверхностью вследствие увеличения эффективной толщины пленки в горизонтальных каналах текстуры. Для тонкой пленки, в которой кипение не столь развито на значительной части теплоотдающей поверхности, кризисные явления определяются условиями возникновения сухих пятен в режиме испарения стекающей пленки жидкости. Поэтому увеличение буферного слоя в каналах текстуры увеличивает ее тепловую устойчивость в режиме интенсивного испарения.
Зависимость КТП от числа Рейнольдса. Смесь R21/R114: 1 -гладкая поверхность; 2 - поперечное оребрение; 3 - ромбовидная текстура; 4 - сетчатое покрытие. 5, 6 - данные [Christians М., Thome J.R., 2012] для хладонов R236fa и R134a (Gewa-B5). 7 - тепловой поток, соответствующий полному испарению на выходе. Расчетные зависимости: 8 - [Ueda et al., 1981], 9 - [Mudawar et al, 1987], 10 - [Pavlenko, Lei, 1997].
При увеличении числа Рейнольдса (Re 350) в режимах более развитого кипения в пленке величина критического теплового потока на оребренной поверхности уменьшается по сравнению с гладкой. Как показывает видеосъемка, при течении пленки на оребренной поверхности в указанном диапазоне числа Рейнольдса из-за генерации крупными волнами вторичных волн меньшего масштаба формируется покрытая «рябью» поверхность пленки жидкости. Скорость крупных волн для такой пленки снижается по сравнению со скоростью волн на гладкой и ромбовидной поверхностях, а средняя толщина, по всей видимости, увеличивается (см. п. 4.1, гл. 4). В подобных режимах течения пленки могут создаваться условия для более раннего возникновения сухих пятен на местах активных центров парообразования (наблюдаемых, как правило, в горизонтальных каналах оребренной поверхности).
Величины КТП для ромбовидной структуры и сетчатого покрытия поверхности в области чисел Rem 500 превышают КТП как для гладкой, так и для поперечно оребренной поверхностей (рис. 3.28). Такое увеличение значений КТП в случае ромбовидной поверхности может объясняться более равномерным распределением локальной толщины пленки по площади поверхности, что способствует стабильному существованию режима испарения пленки и затягиванию начала развития кризиса. Сетчатое покрытие, в свою очередь, способствует образованию дополнительных центров пузырькового кипения в местах контакта узлов сетки с тепловыделяющей стенкой, а также формированию менисков около обтекаемых жидкостью проволочек (см. рис. 3.3). Эти факторы могут приводить к наблюдаемому для ромбовидной структуры и сетчатого покрытия заметному увеличению КТП в области Rem 500 по сравнению с гладкой и оребренной поверхностями (до 100%).
На рис. 3.28 также представлены опытные данные по КТП для хладонов R236fa и R134a, стекающих по горизонтальной трубе Gewa-B5, полученные авторами [Christians М., Thome J.R., 2012]. Данные [Christians М., Thome J.R., 2012] методически получены в условиях постепенного уменьшения степени орошения при фиксированном тепловом потоке, вплоть до появления на поверхности первых сухих пятен. На рис. 3.28 показано, что для модифицированной поверхности Gewa-B5 значения КТП лежат выше, чем для гладкой и поперечно оребренной поверхностей, в то время как для ромбовидной структуры и сетчатого покрытия значения КТП в области Rem 400 близки к значениям для поверхности Gewa-B5.
При кипении хладона R21, имеющего более высокую температуру закипания, чем R114 (8.7С для R21 и 3.5С для R114 - при атмосферном давлении), на гладкой поверхности в области чисел Rem 500 появления сухих пятен не наблюдалось во всем диапазоне тепловых нагрузок вплоть до максимально возможных в рамках эксперимента. При этом соответствующие значения плотности теплового потока q превышали 7 Вт/см , что заведомо больше полученных величин КТП для бинарных смесей R21/R114 исследованного состава. Линия 7 на рис. 3.28 соответствует расчету теплового потока для полного испарения пленки на выходе теплоотдающеи поверхности, длиной L\ qKp = v . Данный расчет существенно превосходит экспериментальные значения, поскольку (как, в частности, было показано в [Pavlenko, Lei, 1997]) для образования устойчивого сухого пятна достаточно испарить тонкий остаточный слой жидкости в зоне между гребнями крупных волн. При малых расходах жидкости в пленке при слаборазвитом волновом процессе (когда толщина остаточного слоя близка к средней толщине волновой пленки) экспериментальные значения КТП, как видно на рис. 3.28, достаточно близки к кривой полного испарения. Данная кривая дает верхнюю предельную границу для КТП.
Линия 8 соответствует расчету критического теплового потока, предложенному в [Ueda et al., 1981], см. формулу (1.19). Зависимость [Ueda et al., 1981] получена при обобщении опытных данных для интенсивного пузырькового кипения хладона R113 в стекающей по внешней поверхности вертикального цилиндра пленке. Авторами были описаны три типа критических условий, сменяющих друг друга по мере увеличения числа Рейнольдса. На рис. 3.28 приведен расчет, соответствующий второму типу кризиса, связанному с возникновением разрывов в области наибольшего утончения пленки и появлением устойчивых сухих пятен. Диапазон пленочного числа Рейнольдса, охваченный в [Ueda et al., 1981], при обобщении опытных данных для данного типа кризиса соответствует области (300-3000), диаметр обогреваемого цилиндра - 8.0 мм. Экспериментальные значения КТП, полученные в настоящем исследовании для всех типов поверхностей, лежат заметно выше эмпирической зависимости [Ueda et al., 1981].