Исследование зависимости теплообмена при кипении азота от микроструктурных параметров покрытий

Внедрение: 2020 г.

Целью работы [1] является экспериментальное исследование влияния различных микроструктурных параметров покрытий, наносимых методом направленного плазменного напыления, на теплоотдачу и критический тепловой поток при пузырьковом кипении жидкого азота в условиях стационарного тепловыделения на трубчатых нагревателях. На рисунке 1 представлена схема экспериментальной установки, в которой для температурных измерений был применён модуль АЦП LTR114.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки.

В качестве рабочего тела использовался жидкий азот, находящийся на линии насыщения (T_sat = 77,4 K) при атмосферном давлении. Установка представляет собой оптический криостат. Для исключения поступления тепла через боковую поверхность криостата криогенный резервуар защищен вакуумной полостью, охлаждаемой радиационными экранами и внешней азотной ванной. От притока тепла со стороны крышки криостата рабочая секция защищена резервуаром постоянного уровня с жидким азотом. Для поддержания атмосферного давления в рабочем объеме в верхней крышке криостата имеются отверстия для отвода избыточных паров. Высокоскоростная видеозапись кипения осуществляется через оптические окна криостата с помощью цифровой видеокамеры Phantom v.7.0. 

Испытательные участки с гладкой теплопередающей поверхностью (без покрытия) представляли собой цилиндрические нагреватели из нержавеющей стали, а также медные цилиндрические трубки. Нагрев медных опытных участков осуществлялся нагревательным элементом, который представлял собой константановую ленту. Концы константановой ленты припаивались к медным электродам, через которые пропускался электрический ток от программируемого источника питания EA‑PS 8080‑60 DT максимальной мощностью 1,5 кВт. На рабочие поверхности трубок наносили направленным плазменным напылением порошок бронзы трех фракционных составов, содержащий 9 % алюминия и 2 % марганца.

На рисунках 2 и 3 представлены снимки испытательных участков с покрытием, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Hitachi S‑3400N и 2D, а также трехмерные профили покрытия, записанные с помощью оптического профилометра BRUKER Contour GT‑K1. 

Рисунок 2. СЭМ-изображения трубок с покрытием.

Температуру теплоотдающей поверхности медной трубки измеряли с помощью трех предварительно откалиброванных заводских термопар типа L. Холодные спаи термопар находились в объеме жидкого азота, вдали от тепловыделяющей поверхности. Температуру насыщения жидкости контролировали платиновым термометром сопротивления серии Hel-700. Экспериментальные данные были получены с датчиков температуры на частоте 10 Гц с использованием модуля АЦП LTR114 и программного пакета LGraph2. Максимальное расхождение показаний всех термопар в ходе экспериментов не превышало 0,2 К, что свидетельствует о равномерности нагрева рабочего участка. Для каждого образца было проведено несколько серий экспериментов как с увеличением, так и с уменьшением тепловой нагрузки. 

Рисунок 3. 2D/3D профили поверхности трубок с покрытием.

Рисунок 4. Процесс кипячения на трубках диаметром 16 мм при различных тепловых потоках.

На рисунках 3 и 4 представлены данные о плотности активных центров зародышеобразования пузырьков в зависимости от мощности теплообмена, а также кадры высокоскоростной видеозаписи кипения на рабочих участках большого диаметра. Полученные авторами результаты плотности центров зародышеобразования качественно совпадают с аналогичными данными для трубчатых нагревателей малого диаметра. 

 Анализ авторами результатов экспериментов показал, что: 

• максимальное увеличение критического теплового потока в 1,8 раза по сравнению с таковым для гладких нагревателей наблюдается для покрытий с наибольшей пористостью;
• наибольшая степень увеличения теплоотдачи (более 3,5 раза) получена для покрытий с большой шириной канала при малых тепловых потоках;
• при толщине остаточного слоя покрытия 700 мкм наблюдается существенное ухудшение коэффициента теплоотдачи по сравнению с гладким нагревателем;
• плотность активных центров зародышеобразования на трёхмерных капиллярно-пористых покрытиях остается практически постоянной при росте мощности тепловыделения, а при тепловых потоках выше 1–2 Вт/см² становится ниже значений для гладких участков. 

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проект № 18‑38‑00726 мол_а) и Федеральной программой фундаментальных исследований государственных академий наук на 2013‑2020 годы.

Источник:

Kuznetsov, Denis & Pavlenko, Aleksandr & Radyuk, A. & Komlev, D. & Kalita, Vasilii. (2020). Features of Heat Transfer during Pool Boiling of Nitrogen on Surfaces with Capillary-Porous Coatings of Various Thicknesses. Journal of Engineering Thermophysics. 29. 375-387. 10.1134/S1810232820030017.

Разработчик: Кузнецов Д.В., Павленко А.Н. (ИТ СО РАН, г. Новосибирск), Радюк А.А. , Комлев Д.И., Калита В.И. (ИМЕТ РАН, г. Москва)