Теплообмен при кипении в тонком слое диэлектрической жидкости HFE-7100 на капиллярно-пористых покрытиях

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Рұқсат ақылы немесе тек жазылушылар үшін

Аннотация

В работе представлено экспериментальное исследование теплообмена при кипении на капиллярно-пористых покрытиях с различной теплопроводностью в горизонтальных слоях диэлектрической жидкости HFE-7100. Образцы покрытий из нержавеющей стали и из бронзы изготовлены с помощью аддитивной технологии 3D-печати методом селективного лазерного плавления/спекания. С помощью высокоскоростной термографической съемки исследованы механизмы интенсификации теплообмена при кипении и динамика развития кризисных явлений в тонком слое диэлектрической жидкости HFE-7100. Показано, что вследствие активации действующих центров парообразования большего диапазона размеров на капиллярно-пористом покрытии из нержавеющей стали достигается более высокая интенсификация теплообмена при кипении, чем на покрытии из бронзы. Установлено, что при развитии кризисных явлений скорость распространения границы фронта осушения вдоль каналов 2D модулированных капиллярно-пористых покрытий примерно в два раза больше, чем в поперечном направлении.

Толық мәтін

Рұқсат жабық

Авторлар туралы

Д. Швецов

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: shvetsov.kh301@ya.ru
Ресей, Новосибирск

А. Павленко

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Email: shvetsov.kh301@ya.ru
Ресей, Новосибирск

А. Назаров

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Email: shvetsov.kh301@ya.ru
Ресей, Новосибирск

А. Михайлов

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Email: shvetsov.kh301@ya.ru
Ресей, Новосибирск

В. Жуков

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН; Новосибирский государственный технический университет

Email: shvetsov.kh301@ya.ru
Ресей, Новосибирск; Новосибирск

Әдебиет тізімі

  1. Leong K.C., Ho J.Y., Wong K.K. A Critical Review of Pool and Flow Boiling Heat Transfer of Dielectric Fluids on Enhanced Surfaces // Appl. Therm. Eng. 2017. V. 112. P. 999.
  2. Zhang C., Sun X., Han Z., Li X., Dong J. Energy Saving Potential Analysis of Twophase Immersion Cooling System with Multi-mode Condenser // Appl. Therm. Eng. 2023. V. 219. 119614.
  3. Васильев Н.В., Вараксин А.Ю., Зейгарник Ю.А., Ходаков К.А., Эпельфельд А.В. Характеристики кипения воды, недогретой до температуры насыщения, на структурированных поверхностях // ТВТ. 2017. Т. 55. № 6. С. 712.
  4. Дедов А.В., Забиров А.Р., Слива А.П., Федорович С.Д., Ягов В.В. Влияние углеродистого покрытия поверхности на теплообмен при нестационарном пленочном кипении // ТВТ. 2019. T. 57. № 1. С. 72.
  5. Aksyanov R.A., Kokhanova Y.S., Kuimov E.S., Gortyshov Y.F., Popov I.A. Recommendations for Improving the Efficiency of Radio-Electronic Equipment Cooling Systems //Russ. Aeronautics. 2021. V. 64. P. 291.
  6. Chinnov E.A., Khmel S.Ya., Vladimirov V.Yu., Safonov A.I., Semionov V.V., Emelyanenko K.A., Emelyanenko A.M., Boinovich L.B. Boiling Heat Transfer Enhancement on Biphilic Surfaces // Energies. 2022. V. 15. № 19. P. 7296.
  7. Dedov A.V., Khaziev I.A., Laharev D.A., Fedoro-vich S.D. Study of Nucleate Pool Boiling Heat Transfer Enhancement on Surfaces Modified by Beam Technologies // Heat Transfer Eng. 2022. V. 43. № 7. P. 598.
  8. Kuzma-Kichta Y.A., Ivanov N.S., Lavrikov A.V., Chugunkov D.V. Intensification of Heat Transfer During Boiling and Condensation by Means of Micro- and Nanoparticle Coatings //J. Eng. Phys. Thermophys. 2023. V. 96. P. 345.
  9. Gao B., Zhao H., Peng L., Sun Z. A Review of Research Progress in Selective Laser Melting (SLM) // Micromachines. 2022. V. 14. № 1. P. 57.
  10. Alvariño P.F., Simón M.L.S., dos Santos Guzella M., Paz J.M.A., Jabardo J.M.S., Gómez L.C. Experimental Investigation of the CHF of HFE-7100 under Pool Boiling Conditions onDifferently Roughened Surfaces // Int. J. Heat Mass Transfer. 2019. V. 139. P. 269.
  11. Fan X., Gu S., Lei J., Luo G., Meng F., Wu L., Gu S. Experimental and Analytical Study on the Influence of Saturation Pressure and Surface Roughness on Pool Boiling CHF of HFE-7100 // Int. J. Chem. Eng. 2022. V. 2022. https://doi.org/10.1155/2022/4875208
  12. Zhukov V.I., Pavlenko A.N., Shvetsov D.A. The Effect of Pressure on Heat Transfer at Evaporation/Boiling in Horizontal Liquid Layers of Various Heights on a Microstructured Surface Produced by 3D Laser Printing // Int. J. Heat Mass Transfer. 2020. V. 163. 120488.
  13. Ярышев Н.А. Теоретические основы измерения нестационарной температуры. 2-е изд., перераб. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 255 c.
  14. Олейник Б.П., Сурин В.Г., Петрова О.К. Исследование теплопроводности нержавеющей и низкоуглеродистой сталей // ТВТ. 1985. Т. 23. № 3. C. 500.
  15. Станкус С.В., Савченко И.В., Багинский А.В., Верба О.И., Прокопьев А.М., Хайрулин Р.А. Коэффициент теплопроводности нержавеющей стали 12Х18Н10Т в широком интервале температур // ТВТ. 2008. Т. 46. № 5. С. 795.
  16. Бессмельцев В.П., Павленко А.Н., Жуков В.И. Разработка технологии создания структурированных капиллярно-пористых покрытий методом 3D-печати для интенсификации теплообмена при кипении // Автометрия. 2019. Т. 55. № 6. С. 25.
  17. Зубченко А.С., Колосков М.М., Каширский Ю.В. и др. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр. / Под ред. Зубченко А.С. М.: Машиностроение, 2003. 784 с.
  18. Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки. Спр. М.: Машиностроение, 2004. 336 с.
  19. Кутателадзе С.С. Гидромеханическая модель кризиса теплообмена в кипящей жидкости при свободной конвекции // ЖТФ. 1950. Т. 20. № 11. С. 1389.
  20. Yagov V.V. Is a Crisis in Pool Boiling Actually a Hydrodynamic Phenomenon? // Int. J. Heat Mass Transfer. 2014. V. 73. P. 265.
  21. Shvetsov D.A., Pavlenko A.N., Brester A.E., Zhukov V.I. Experimental Study of Heat Transfer During Boiling in a Thin Layer of Liquid on Surfaces with Structured Porous Coatings // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2119. № 1. 012082.
  22. Bodla K.K., Murthy J.Y., Garimella S.V. Direct Simulation of Thermal Transport Through Sintered Wick Microstructures // J. Heat Transfer. 2012. V. 134. 012602.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу
2. Fig. 1. Schematic diagram of the experimental setup: 1 - tubular electric heater; 2 - copper plate; 3, 4 - bottom of the setup with holes for thermocouples; 5 - capillary-porous coating; 6 - liquid layer; 7 - heating coil; 8 - cooling coil; 9 - body; 10 - pipe for attaching the pressure measurement system; 11 - horizontal viewing window made of germanium single crystal with an antireflective coating; 12 - side viewing windows made of quartz glass; 13 - pipe for attaching the pressure pumping system; 14 - IR chamber; 15 - thermal insulation.

Жүктеу (317KB)
Метадеректер
3. Fig. 2. Images of capillary-porous coatings: (a) – made of stainless steel, (b) – made of bronze.

Жүктеу (695KB)
Метадеректер
4. Fig. 3. Absorption spectrum of HFE-7100 depending on liquid temperature: 1 – 20°С, 2 – 40, 3 – 50.

Жүктеу (187KB)
Метадеректер
5. Fig. 4. Effect of the HFE-7100 layer height on the values of the CTP at 50 kPa: 1 – data obtained on a capillary-porous coating made of stainless steel; 2 – on a bronze coating; 3 – on an uncoated surface; 4 – results of calculations according to formula [19]; 5 – according to [20].

Жүктеу (107KB)
Метадеректер
6. Fig. 5. Dependences of heat flux density on temperature head in a 25 mm high HFE-7100 layer at 50 kPa: 1 – data obtained on a capillary-porous stainless steel coating; 2 – on a bronze coating; 3 – on an uncoated surface.

Жүктеу (136KB)
Метадеректер
7. Fig. 6. Dependences of heat flux density on temperature head in a 2.5 mm thick HFE-7100 layer at 50 kPa: 1 – data obtained on a capillary-porous stainless steel coating; 2 – on a bronze coating; 3 – on an uncoated surface.

Жүктеу (129KB)
Метадеректер
8. Fig. 7. Fragment of the boiling process on a capillary-porous coating made of stainless steel at q = 6.5 kW/m2, Tw – Ts = 4.3 K: the dashed line highlights the surface area covered with bubbles less than 1 mm in diameter.

Жүктеу (449KB)
Метадеректер
9. Fig. 8. Temperature fields on the heat-transfer surface during boiling in a 2.5 mm high HFE-7100 layer on a capillary-porous stainless steel coating at q = 23.6 kW/m2, Tw – Ts = 5.5 K at point I (Fig. 6): (a) – image of the temperature field; (b) – dependences of temperature on the cut length; 1 – cut 1 in the transverse direction (without bubbles); 2 – cut 2 in the transverse direction (with bubbles); 3 – tops of the coating ridges (modulation wavelength λm= 3.5 mm).

Жүктеу (558KB)
Метадеректер
10. Fig. 9. Temperature fields on the heat-transfer surface during boiling in a 2.5 mm thick HFE-7100 layer on a capillary-porous bronze coating at q = 26.6 kW/m2, Tw – Ts = 8.7 K at point II (Fig. 6): (a) – image of the temperature field; (b) – dependences of temperature on the cut length; 1 – cut 1 in the transverse direction (without bubbles); 2 – cut 2 in the transverse direction (with bubbles); 3 – tops of the coating ridges (modulation wavelength λm = 3.5 mm).

Жүктеу (521KB)
Метадеректер
11. Fig. 10. Temperature fields on the heat-transfer surface without coatings during boiling in a 2.5 mm thick layer of HFE-7100 at q = 22.9 kW/m2, Tw –Ts = 22.1 K: black arrow – bursting bubble, white arrows – directions of bubble shell rupture.

Жүктеу (303KB)
Метадеректер
12. Fig. 11. Dynamics of dry spot propagation on a capillary-porous bronze coating with a liquid layer height of 2.5 mm, q ~ 40 kW/m2 over a time interval of t2 – t1 = 67 s: (a) – dry spot corresponding to time t1; (b) – time t2; dashed lines – peaks of coating ridges.

Жүктеу (638KB)
Метадеректер
13. Fig. 12. Evolution of the propagation of the drying front boundary in two coordinate directions (1 – across the channels, 2 – along) on a capillary-porous bronze coating with a liquid layer height of 2.5 mm, q ~ 40 kW/m2.

Жүктеу (98KB)
Метадеректер
14. Fig. 13. Temperature fields on the heat-transfer surface in the region of a dry spot on a capillary-porous coating made of stainless steel: (a) – image of the temperature field; (b) – dependence of temperature on the length of the cut; 1 – cut 1 in the region of the top of the coating ridge, 2 – cut 2 in the region of the residual layer between the coating ridges.

Жүктеу (406KB)
Метадеректер
15. Fig. 14. Temperature fields on the heat-transfer surface in the region of a dry spot on a capillary-porous bronze coating: (a) – image of the temperature field; (b) – dependence of temperature on the length of the cut; 1 – cut 1 in the region of the top of the coating ridge, 2 – cut 2 in the region of the residual layer between the coating ridges.

Жүктеу (481KB)
Метадеректер

© Russian Academy of Sciences, 2024