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

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

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.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. А. Швецов

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: shvetsov.kh301@ya.ru
Россия, Новосибирск

А. Н. Павленко

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

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

А. Д. Назаров

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

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

А. В. Михайлов

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

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

В. И. Жуков

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

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

Список литературы

  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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 – трубчатый электронагреватель; 2 – медная пластина; 3, 4 – дно установки с отверстиями для термопар; 5 – капиллярно-пористое покрытие; 6 – слой жидкости; 7 –змеевик нагрева; 8 –змеевик охлаждения; 9 – корпус; 10 – патрубок для крепления системы измерения давления; 11 – горизонтальное смотровое окно из монокристалла германия с нанесенным просветляющим покрытием; 12 – боковые смотровые окна из кварцевого стекла; 13 – патрубок для крепления системы откачки давления; 14 – ИК-камера; 15 – теплоизоляция.

Скачать (317KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изображения капиллярно-пористых покрытий: (а) – из нержавеющей стали, (б) – из бронзы.

Скачать (695KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Спектр поглощения HFE-7100 в зависимости от температуры жидкости: 1 – 20°С, 2 – 40, 3 – 50.

Скачать (187KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Влияние высоты слоя HFE-7100 на значения КТП при 50 кПа: 1 – данные, полученные на капиллярно-пористом покрытии из нержавеющей стали; 2 – на покрытии из бронзы; 3 – на поверхности без покрытия; 4 – результаты расчета по формуле [19]; 5 –по [20].

Скачать (107KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости плотности теплового потока от температурного напора в слое HFE-7100 высотой 25 мм при 50 кПа: 1 – данные, полученные на капиллярно-пористом покрытии из нержавеющей стали; 2 – на покрытии из бронзы; 3 – на поверхности без покрытия.

Скачать (136KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости плотности теплового потока от температурного напора в слое HFE-7100 высотой 2.5 мм при 50 кПа: 1 – данные, полученные на капиллярно-пористом покрытии из нержавеющей стали; 2 – на покрытии из бронзы; 3 – на поверхности без покрытия.

Скачать (129KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Фрагмент процесса кипения на капиллярно-пористом покрытии из нержавеющей стали при q = 6.5 кВт/м2, Tw – Ts = 4.3 К: штриховой линией выделен участок поверхности, покрытый пузырями диаметром менее 1 мм.

Скачать (449KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Поля температуры на теплоотдающей поверхности при кипении в слое HFE-7100 высотой 2.5 мм на капиллярно-пористом покрытии из нержавеющей стали при q = 23.6 кВт/м2, Tw – Ts = 5.5 К в точке I (рис. 6): (а) – изображение поля температуры; (б) – зависимости температуры от длины среза; 1 – срез 1 в поперечном направлении (без пузырей); 2 – срез 2 в поперечном направлении (с пузырями); 3 – вершины гребней покрытий (длина волны модуляции λm= 3.5 мм).

Скачать (558KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Поля температуры на теплоотдающей поверхности при кипении в слое HFE-7100 высотой 2.5мм на капиллярно-пористом покрытии из бронзы при q = 26.6 кВт/м2, Tw – Ts = 8.7 К в точке II (рис. 6): (а) – изображение поля температуры; (б) – зависимости температуры от длины среза;1 – срез 1 в поперечном направлении (без пузырей); 2 – срез 2 в поперечном направлении (с пузырями); 3 – вершины гребней покрытий (длина волны модуляции λm = 3.5 мм).

Скачать (521KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Поля температуры на теплоотдающей поверхности без покрытий при кипении в слое HFE-7100 высотой 2.5мм при q = 22.9 кВт/м2, Tw –Ts = 22.1 К: черная стрелка – лопающийся пузырь, белые стрелки – направления разрыва оболочки пузыря.

Скачать (303KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Динамика распространения сухого пятна на капиллярно-пористом покрытии из бронзы при высоте слоя жидкости 2.5 мм, q ~ 40 кВт/м2 за промежуток времени t2 – t1 = 67 с: (а) – сухое пятно, соответствующее времени t1; (б) – времени t2; штриховые линии – вершины гребней покрытия.

Скачать (638KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Эволюция распространения границы фронта осушения по двум направлениям координат (1 – поперек каналов, 2 – вдоль) на капиллярно-пористом покрытии из бронзы при высоте слоя жидкости 2.5 мм, q ~ 40 кВт/м2.

Скачать (98KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Поля температуры на теплоотдающей поверхности в области сухого пятна на капиллярно-пористом покрытии из нержавеющей стали: (а) – изображение поля температуры; (б) – зависимости температуры от длины среза; 1 – срез 1 в области вершины гребня покрытия, 2 – срез 2 в области остаточного слоя между гребней покрытия.

Скачать (406KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Поля температуры на теплоотдающей поверхности в области сухого пятна на капиллярно-пористом покрытии из бронзы: (а) – изображение поля температуры; (б) – зависимости температуры от длины среза; 1 – срез 1 в области вершины гребня покрытия, 2 – срез 2 в области остаточного слоя между гребней покрытия.

Скачать (481KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024