Кризисные явления и теплообмен при кипении и испарении в стекающих пленках криогенной жидкости

• Автор: Мацех, Аркадий Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 124 с. : ил.

ГЛАВА 1. ТЕПЛООБМЕН И КРИЗИСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ КИПЕНИИ В СТЕКАЮЩИХ ПЛЕНКАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Модели критического теплового потока при кипении

1.2. Автоволновые процессы при кипении

1.3. Теплообмен при пузырьковом кипении

1.4. Динамика стекающих волновых пленок жидкости

1.5. Выводы из обзора литературы

1.6. Постановка задачи

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА В СТЕКАЮЩИХ ПЛЕНКАХ ЖИДКОГО АЗОТА

2.1. Экспериментальная установка

2.2. Рабочий участок

2.3. Методика измерений и проведения опытов

2.4. Оценка погрешностей измерений
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА К КРИЗИСА ТЕПЛООТДАЧИ Б СТЕКАЮЩИХ ПЛЕНКАХ ЖИДКОГО АЗОТА
3.1. Теплообмен при кипении в стекающих пленках
3.2. Кризис теплообмена при кипении в стекающих пленках
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ УСТОЙЧИВОСТИ И ЭВОЛЮЦИИ ЛОКАЛЬНЫХ ОЧАГОВ ПЛЕНОЧНОГО КИПЕНИЯ
4.1. Постановка задачи и описание расчетной методики
4.2. Результаты численного эксперимента
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
ОБОЗНАЧЕНИЯ
ЛИТЕРАТУРА

Актуальность работы. Пленочные течения жидкости широко используются в современных технологических процессах и теплообменных аппаратах: в системах жидкостного охлаждения электронных микрочипов, пленочных испарителях, ожижителях природного газа, в пищевой промышленности. В последние годы особенно актуальной стала проблема создания эффективных компактных пленочных систем охлаждения высокопроизводительных графических процессоров, быстродействие и срок жизни которых в существенной мере зависят от эффективности отвода рассеиваемой мощности. При достижении определенных тепловых потоков в стекающей по охлаждаемой поверхности в пленке жидкости развиваются кризисные явления. На орошаемой поверхности возникают сухие пятна, которые при определенных условиях могут приводить к полному осушению теплоотдающей поверхности. Осушение теплоотдающей поверхности теплообменного ап-парата. при водит кде аварийному разогреву-и-выходу устройства из” строягВ >
подобных ситуациях необходимо надежное предсказание величины критического теплового потока, которое .требует- вьмвления-фундаментальных’.за-”^-^'*-. кономерностей возникновения и развития кризиса в стекающих пленках жидкости. Такой детальный анализ затруднен из-за ограниченного количества экспериментальных данных в условиях пленочного течения жидкости по обогреваемой поверхности в различных гидродинамических режимах течения. Широкое использование криогенных жидкостей в современных высокоэффективных системах и аппаратах создает необходимость получения надежной информации по развитию переходных и кризисных явлений при кипении и испарении на различных тепловыделяющих поверхностях в низкотемпературных жидкостях. В то же время исследование теплообмена при
кипении и испарении криогенных жидкостей, ряд свойств которых существенно отличается от свойств высокотемпературных жидкостей, важно для углубления понимания изучаемых процессов, служит способом проверки

существующих модельных описаний теплообмена и развития переходных и кризисных явлений.
Для гравитационных течений пленок насыщенной жидкости обычно выделяют три вида кризисных явлений, приводящих к осушению теплоотдающей поверхности: разрыв интенсивно испаряющейся пленки, полное испарение жидкости на длине теплоотдающей поверхности и оттеснение жидкости от поверхности нагрева при наступлении кризиса кипения. Для практически важных приложений большой интерес представляет наступление кризиса кипения на теплоотдающей поверхности. Тем не менее, исследования особенностей кризисных явлений при кипении насыщенной жидкости в режимах как волнообразования, так и развитого волнового течения на ограниченных по длине тепловыделяющих поверхностях весьма немногочисленны.
Целью работы является: получение новых экспериментальных данных по интенсивности теплоотдачи в различных зонах тепловыделяющей

поверхности вдоль течения, критической плотности теплового потока и развитию кризиса в стекающих волновых пленках жидкости при различных длинах нагревателя и степенях орошения; проведение численного моделирования тепловой устойчивости локальных сухих пятен при кипении. Научная новизна:
• получены новые экспериментальные данные по коэффициенту теплоотдачи в различных зонах в вдоль течения пленки жидкости, показано влияние плотности теплового потока на интенсивность теплоотдачи;
• получены значения критической плотности теплового потока при различных длинах и степенях орошения нагревателя. Полученные экспериментальные данные по критическому тепловому потоку заполняют не исследованную ранее область параметра ст/(р'и2П) (в диапазоне 0.0010.2). Выявлены режимы и соответствующие определяющие параметры, при которых кризис реализуется распространением температурного возмущения вверх по потоку вследствие действия механизма продольной
и ламинарно-волновом режиме движения зависимость (1.4.3) дает удовлетворительное согласие с данными эксперимента [96]. Для достаточно протяженных поверхностей при Re < 200 основным режимом движения является режим одиночных нестационарных волн, распространяющихся по остаточному слою примерно постоянной толщины. Доля поверхности пленки, занятая гладким участком остаточного слоя, сокращается при увеличении расхода, вплоть до полного исчезновения при переходе к турбулентному течению. Течение в остаточном слое успевает устанавливаться и описывается зависимостями, полученными в работе Nusselt [94]. По данным Brauer [101] переход к турбулентному течению пленки имеет место при числе Re, равном:
Rer = 35.0- Fi1/10. (1.4.7)
Зависимость (1.4.7) подтверждается данными экспериментов Алексеенко [96]. При атмосферном давлении для воды при t = 20 °С зависимость (1.4.7) дает ReT = 400, для воды на линии насыщения Rex = 620, а для насыщенного жидкого азота ReT = 450.
Схема течения волновой пленки по наклонной плоскости и основные обозначения приведены на рис. 2.1.1. Максимальная толщина пленкй hmax реализуется на гребнях крупных волн. Рядом с передним фронтом волны поверхность пленки искажена волнами меньшей амплитуды, имеющими капиллярную природу. Минимальная толщина пленки hmin реализуется во впадине капиллярной волны рядом с передним фронтом крупной волны.
В работе [102] при помощи емкостного датчика исследовано влияние расхода жидкости (Re=56-1560) и длины пробега пленки (х=0-2,8 м) на характеристики волнового течения пленки воды по вертикальной трубе. Эксперименты показали, что по мере продвижения пленки по трубе волновая картина течение существенно изменяется. По мере удаления от входа высота волн hmax увеличивается, а толщина остаточного (непрерывного) слоя hrcs и частота волн f уменьшаются. Средняя толщина пленки have стабилизируется на расстоянии порядка нескольких сантиметров от распредели-