Влияние капиллярных эффектов на пленочную конденсацию и теплообмен в пленках жидкости

• Автор: Кабов, Олег Александрович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 283 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. ТЕПЛООБМЕН, ДИНАМИКА И КРИЗИСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В
СТЕКАЮЩИХ ПЛЕНКАХ ЖИДКОСТИ (обзор работ)
1.1. Роль локального нагрева тонких слоев жидкости для моделирования процессов в испарительно-конденсационных системах
1.2. Динамика пленки жидкости стекающей под действием гравитации
1.3. Теплообмен в стекающих пленках жидкости
1.4. Термокапиллярное движение в тонких слоях жидкости
1.5. Термокапиллярный разрыв стекающих пленок жидкости
1.6. Механизм теплообмена при пленочной конденсации пара на
поверхностях сложной формы
1.7. Выводы. Постановка задачи исследований
ГЛАВА II. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПЛЕНОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ
2.1. Стенд и рабочие участки для изучения теплообмена и кризисных
явлений в стекающих пленках
2.2. Измерение температуры поверхности пленки
2.3. Визуализация пленочных течений
2.4. Методика исследования теплообмена при конденсации пара
2.5. Моделирование пленочной конденсации пара на горизонтальных
цилиндрах с поперечными ребрами и выступами
ГЛАВА III. ДИНАМИКА СТЕКАЮЩЕЙ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ НА
ПОВЕРХНОСТИ С ЛОКАЛЬНЫМ ИСТОЧНИКОМ ТЕПЛА
3.1. Карта режимов течения пленки перфтортриэтиламина на вертикальной поверхности с локальным источником тепла
3.2. Режимы движения пленки раствора спирта по вертикальной поверхности с локальным источником тепла
3.3. Течение пленки раствора спирта по слабонаклонной поверхности с
локальным источником тепла
3.4. Формирование подковообразных структур на нагревателях различного размера
3.5. Длина волны регулярных подковообразных структур
ГЛАВА IV. ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ НА ПОВЕРХНОСТИ ПЛЕНКИ
ЖИДКОСТИ СТЕКАЮЩЕЙ ПО ПЛАСТИНЕ С ЛОКАЛЬНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ТЕПЛА
4.1. Термограммы поверхности пленки.

4.2. Градиент температуры на поверхности пленки
4.3. Формирование регулярных подковообразных структур в стекающей
пленке жидкости при локальном нагреве
ГЛАВА V. ТЕПЛООБМЕН И РАЗРЫВ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ ПРИ НАГРЕВЕ
ОТ ЛОКАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА
5.1. Теплоотдача к пленкам раствора спирта свободно стекающим по поверхности с локальным источником тепла
5.2. Теплоотдача к пленкам воды и перфтортриэтиламина стекающим по вертикальной поверхности с локальным источником тепла
5.3. Разрыв пленки при нагреве от локального источника тепла
ГЛАВА VI. МЕХАНИЗМ ТЕПЛООБМЕНА И ДИНАМИКА ПЛЕНКИ ПРИ
КОНДЕНСАЦИИ ПАРА НА ПОВЕРХНОСТИ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
6.1. Физическая модель конденсации пара на горизонтальной трубе с поперечными ребрами
6.2. Капиллярное удерживание жидкости при конденсации на горизонтальных цилиндрах с поперечными ребрами и выступами
6.3. Конденсация на горизонтальных цилиндрах с прямоугольными и трапециевидными поперечными ребрами
ГЛАВА VII. ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ И ЧИСЛА РЕЙНОЛЬДСА ПЛЕНКИ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА
7.1. Влияние радиуса кривизны поверхности на теплообмен
7.2. Конденсация пара на поверхности горизонтального цилиндра с прямоугольными выступами
7.3. Влияние числа Рейнольдса пленки на теплообмен при конденсации пара
на пакете горизонтальных труб с поперечными ребрами
ВЫВОДЫ
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ЛИТЕРАТУРА,

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Испарительно-конденсационные системы. Приложением исследований, описанных в данной работе, являются испарительноконденсационные системы (ИКС), которые широко используются в различных областях техники, как на земле, так и в условиях микрогравитации, что связано с резким увеличением удельных параметров при переходе от однофазных теплоносителей к двухфазным. ИКС являются: холодильные машины, термосифоны, тепловые трубы, тепловые насосы, выпарные аппараты, тепловые электрические станции, т.е. системы, в которых при передаче энергии или производстве работы тепло от «горячего» источника подводится в процессе испарения (кипения) рабочего тела, и передается «холодному» источнику в процессе конденсации пара.
Системы термостабилизации. На принципе ИКС основаны наиболее напряженные по тепловым потокам системы термостабилизации электронного и микроэлектронного оборудования. Необходимость охлаждения электронного оборудования, по-видимому, впервые поставила перед исследователями задачу съема значительных количеств тепла от источников с малыми линейными размерами. Наиболее остро данная проблема встала в конце 70 годов в связи с появлением крупных, высокопроизводительных вычислительных систем, включающих десятки, а иногда и тысячи микроэлектронных компонентов [Melnikov et al. 1996]. Общая выделяемая мощность таких систем составляет до 100-200 кВт [Кабов и др. 1992Ь]. В качестве рабочих сред в прямых системах охлаждения используются специальные диэлектрические жидкости (FC-72, МДЗФ). В косвенных системах охлаждения рабочими жидкостями, как правило, являются фреоны. Данные жидкости обладают значительно худшей теплоотводящей способностью по сравнению с традиционными теплоносителями, которыми являются вода и аммиак. Системы охлаждения должны отвечать требованию компактности, а реализуемые процессы передачи тепла-позволять трехмерную компоновку микроэлектронных компонентов.
Остро стоит проблема охлаждения электронного оборудования на космических летательных аппаратах. Однофазная жидкостная система охлаждения на станции "Мир" занимает до 8% веса станции [Desyatov et al. 1995]. Двухфазная система терморегулирования выбрана ракетно-космической корпорацией "Энергия" для российского сегмента на международной космической станции "Альфа" [Grigorov et al. 1995]. Количество тепла, отводимое системой, составляет до 30 кВт, максимальная длина транспорта тепла равна 100 м. В качестве рабочей жидкости используется аммиак, масса которого в системе составляет 60 кг.
Использование тонких пленок жидкости. Процессы в тонких пленках жидкости широко используются в ИКС, так как обеспечивают высокую интенсивность процессов тепло-массопереноса, значительную поверхность контакта фаз при малых удельных расходах жидкости и в ряде случаев незначительные потери давления [Тананайко и Воронцов 1975, Алексеенко и др. 1992]. Пленочные течения специально создаются в различных аппаратах химической технологии, пищевой, фармацевтической промышленности, в криогенной индустрии. Гравитационно стекающие пленки, например, используются в испарителях низкого давления, применяемых для концентрирования пищевых продуктов, в аппаратах для опреснения морской воды, а также в ректификационных колоннах. Перспективными являются

В работе [Бирих 1966] выполнено теоретическое исследование совместно протекающих тепловой гравитационной и термокапиллярной конвекции в бесконечном горизонтальном слое жидкости толщиной А=2/ с постоянным градиентом температуры на горизонтальных границах (рис. 1.4.1). Установлено, что при Оа/Огь»1 имеет место чисто термокапиллярный режим течения (Скъ=(с1Т1с1хР?1 т?- модифицированное число Грасгофа). В этом случае профиль скорости определяется параметром
3(dT / dx)l2_(da
17 2 pv
(1.4.8)
а профиль температуры параметром 0„Рг. Параметр является разновидностью записи числа Марангони если его представить как отношение термокапшшярного касательного напряжение на границе раздела в соответствии с зависимостью (1.1.4) и некоторого масштаба касательного напряжения в потоке //1(р12). Из условия 0<Дггь=1 в работе [Бирих 1966] предложен критерий характерной толщины слоя, определяющий вклад тепловой гравитационной конвекции
' 12 б1/2
pgp дТ
(1.4.9)
При h«hb основной вклад вносит термокапиллярная конвекция. Для воды при Т-25°С кь=21,2 мм. Пренебрежимо малое влияние сил Архимеда на
термокапиллярную конвекцию можно ожидать при толщине горизонтального слоя порядка 270 мкм.
В работе [Кирдяшкин 1982] выполнено экспериментальное исследование профилей скорости и температуры в нагреваемом сбоку горизонтальном слое жидкости 7<хг0//г<90 для двух жестких теплоизолированных поверхностей и в условиях совместного влияния тепловых гравитационных и термокапиллярных сил (рис. 1.4.2). Длина слоя х0 составляла 810 мм и 412 мм. Бьшо установлено, что свободная поверхность воды неподвижна, т.е. ведет себя как жесткая, что связано с наличием поверхностно-активных веществ. В тонких горизонтальных слоях жидкости течение является плоскопараллельным. При достаточном удалении от боковых стенок изменение температуры на теплоизолированных горизонтальных поверхностях и по всей толщине является линейным по х (рис. 1.4.3).
В работе также выполнен теоретический анализ проблемы. Течение считалось плоскопараллельным v=u(y), v=vv=o. Вблизи боковых стенок процесс не рассматривался. В безразмерной форме постановка задачи имеет вид

= А (1.4.10)