Исследование теплопередачи от кипящего хладагента до плоской модифицированной поверхности

Внедрение: 2020 г.

Повышение эффективности, надежности и энергоемкости теплообменников – актуальная задача в различных отраслях промышленности. Одним из способов повышения эффективности теплопередачи и критического теплового потока является изменение поверхности теплопередачи. В исследовании авторов [1] модификация поверхности проводилась с помощью 3D‑печати. В данной работе представлены результаты исследования теплообмена на модифицированных и немодифицированных поверхностях при кипении в условиях свободной конвекции. Рабочая жидкость – фреон R21. Эксперименты проводились на двух рабочих участках из латуни ЛС59. Тепло выделялось на одном конце цилиндрической секции и передавалось жидкости с противоположного конца горизонтальной ориентации. По длине цилиндра были установлены термометры, которые измеряют распределение температуры вдоль цилиндра от источника тепла до поверхности теплообмена. По термометрам определялась температура теплопередающей поверхности и плотность теплового потока через эту поверхность.

Эксперименты проводились на установке, принципиальная схема которой представлена на рисунке.1.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки: 1 – рабочий сосуд; 2 – окна; 3 – блок рабочего участка; 4 – заправочная емкость; 5 – теплообменник; 6 – термостат; 7 – источник постоянного тока; 8 – АЦП LTR114.

Установка представляет собой герметичный цилиндрический сосуд (1). Емкость снабжена стеклянными окнами (2) для наблюдения и фото-видеозаписи процессов на теплопередающей поверхности рабочего участка (3). Для заполнения емкости фреоном и откачивания фреона из емкости используется заправочная емкость (4) с системой перелива и каналов вакуумной откачки. 

Давление в емкости поддерживается на заданном уровне с помощью теплообменника (5), в котором циркулирует хладагент, температура которого задается термостатом (6). Рабочий участок обогревается источником постоянного тока (7). Для измерения температуры в рабочем объеме и распределения температуры по рабочему участку используются кремниевые диоды с высокой временной стабильностью, приемлемой линейностью калибровки в диапазоне температур 0‑150 °С и большей чувствительностью, чем у платиновых термометров и термопар. Датчики температуры были индивидуально откалиброваны с использованием термостата Thermo Haake DC30 с точностью измерения температуры 0,1 °C и точностью поддержания температуры ±0,02 °C. Калибровка проводилась в диапазоне температур 20‑110 °C. Падение напряжения на термометрах измеряется 24‑битным 16‑канальным АЦП LTR114 (8).

Рабочий участок выполнен в виде герметичного цилиндрического блока из нержавеющей стали (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема рабочего участка: 1 – крышка секции; 2 – теплообменная поверхность; 3 – нагревательный элемент; 4 – термометры.

На одном участке поверхность теплопередачи полировалась; на другом участке на поверхность нагрева с помощью 3D‑принтера было нанесено покрытие из сферических медных гранул диаметром 50 мкм толщиной 0,5 мм. Фотографии теплообменных поверхностей, использованных в первой и второй серии экспериментов, представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Теплопередающая поверхность: теплопередающая поверхность в первой серии опытов (слева); модифицированная поверхность теплообмена во второй серии экспериментов (справа).

Полученная зависимость коэффициента теплоотдачи (α) от плотности теплового потока (q) для горизонтально ориентированных поверхностей показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Зависимость коэффициента теплопередачи (α) от плотности теплового потока (q) для горизонтальных поверхностей. P=0,18 – 0,21 МПа. 1 – модифицированная теплообменная поверхность; 2 – немодифицированная теплообменная поверхность.

Разработана технология модификации теплопередающей поверхности с помощью пористого покрытия, нанесенного на 3D‑принтере. Покрытие толщиной 0,5 мм выполнено из гранул меди диаметром 50 мкм. В отличие от гладкой поверхности без покрытия на модифицированной теплоотдающей поверхности наблюдался выраженный гистерезис коэффициента теплоотдачи при разных направлениях изменения тепловой нагрузки. В диапазоне малых и средних значений плотности теплового потока в условиях активированных очагов испарения скорость теплоотдачи при кипении на модифицированной теплообменной поверхности была до 4 раз выше интенсивности теплообмена на гладкой теплообменной поверхности.

Работа выполнена в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН по гранту Российского научного фонда № 19‑19‑00180.

Источник:
A.N. Pavlenko, V.E. Zhukov, E.Yu. Slesareva. Pool boiling of refrigerant on a flat modified surface // Bulgarian Chemical Communications. – 2020. – Volume 52, Special Issue F. – P. 54‑56. DOI: 10.34049/bcc.52.F.0009

Разработчик: Павленко А.Н., Жуков В.Е., Слесарева Е.Ю. (Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск)