Теплофизические проблемы создания компактных испарителей на основе каналов малого размера

УДК 536.42

В.В. Кузнецов, О.В. Витовский, С.А. Сафонов, А.С. Шамирзаев ИТ СО РАН, Новосибирск

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ КОМПАКТНЫХ ИСПАРИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ КАНАЛОВ МАЛОГО РАЗМЕРА

Введение

Исследование гидродинамики и тепломассообмена при течении многофазных сред в мини- и микроканалах относится к важным современным задачам прикладной и фундаментальной теплофизики. Хотя теплообмен при движении парожидкостного потока в трубах кожухотрубных теплообменников широко исследовался во второй половине прошлого века, в настоящее время наблюдается большой интерес к исследованию режимов течения и теплообмена в каналах малого размера. Это связано с перспективой применения результатов фундаментальных исследований в прикладных задачах, таких как создание компактных двухфазных теплообменников и химических реакторов, систем охлаждения микропроцессоров компьютеров.

Если в качестве определяющих параметров выбрать гидравлический диаметр и общий массовый расход, то у различных типов теплообменников область этих параметров различная. Несмотря на большое число работ, описывающих теплообмен при кипении и испарении, а так же режимы двухфазного течения в трубах большого диаметра, их результаты не могут быть прямо использованы при анализе теплообмена в каналах с малым проходным сечением в связи с важностью влияния капиллярных сил.

В компактных двухфазных теплообменниках может быть достигнуто десятикратное и выше превышение теплового потока по сравнению с двухфазным потоком в обычной круглой трубе. Это обеспечивается как за счет высокой плотности поверхности теплообмена, так и увеличения коэффициента теплоотдачи в некруглых каналах малого размера.

Основным конструкционным решением, используемым в компактных теплообменниках, является расширение поверхности теплоотдачи рекуператора за счет оребрения с одной или больше сторон, и уменьшения гидравлического диаметра поверхности регенератора. Наиболее используемый тип компактных теплообменников это пластинчато-ребристые теплообменники. Необходимо отметить, что при увеличении поверхности теплообмена возникает увеличение сопротивления и затраты механической энергии на преодоление силы трения легко могут достигнуть величины, близкой к количеству энергии передаваемой в виде тепла. В большинстве тепловых систем механическая энергия стоит гораздо больше, чем эквивалентное ей количество тепла. Поэтому с механической точки зрения наиболее выгодными являются плёночный дисперсный и ячеистый режимы течения, поскольку в них газовая фаза является односвязной, что обеспечивает меньшие потери давления.

Для компактного испарителя эффективность теплообмена определяется распределением жидкости в канале. Использование некруглых каналов в компактных теплообменниках дает принципиальную возможность влиять на распределение жидкости по каналу за счёт влияния капиллярных сил и напряжения трения. Напряжение трения которое не оказывает сильного влияния на теплообмен в кожухотрубных теплообменниках может давать сильный эффект в некруглых каналах компактных теплообменников. Так при течении жидкости в канале некруглой формы с острыми углами под воздействием сил гравитации сил поверхностного натяжения и напряжения трения образуются две зоны: пленочное течение и течение жидкости в мениске с постоянным радиусом кривизны в угле канала.

Существуют ещё целый ряд факторов влияющих на теплоотдачу в компактных теплообменниках из-за перераспределения плёнки жидкости по поверхности теплообмена, а именно влияние формы и размеров канала, перфорации и т.д. Новые модификации компактных теплообменников создаются до сих пор, и влияние этих параметров широко исследуется в настоящий момент.

В настоящей работе приводятся и анализируются экспериментальные данные по коэффициентам теплоотдачи при кипении хладона21 в

Л

прямоугольном канале 1.6 х 6.3мм для массового расхода О = 200 кг/м с в широком диапазоне тепловых потоков и паросодержания. Проводится сравнение полученных данных с моделью теплообмена Клименко 1990 и приводится пример численного расчёта распределения коэффициентов теплообмена и плёнки жидкости по периметру канала.

Теплообмен при кипении хладонов в прямоугольных миниканалах

Экспериментальная установка состоит из следующих основных частей: насос; теплообменник, для сохранения жидкости переохлаждённой при входе в испаритель; датчики измерения расхода; парогенератор; экспериментальный участок; доиспаритель, для устранения пульсаций давления; конденсатор. Рабочая жидкость хладон 21 из конденсатора насосом подаётся на датчик измерения расхода, после чего поступает в испаритель, для приготовления двухфазного потока с желаемым паросодержанием. Двухфазный поток из испарителя, через экспериментальный участок поступает в доиспаритель и полностью испаряется. После чего пар поступает в конденсатор и полностью конденсируется. Экспериментальный участок представленный на рис 1а выполнен из нержавеющей трубы с толщиной стенки 0.1 мм длинной 350 мм. На каждом конце трубы расположен фланец с токоподводом, отборником давления и термопарой. Обогреваемая длина канала 290 мм. Прямоугольная рабочая секция канала выполнена прессованием и имеет длину 250 мм. Характерный размер шероховатости полученной в канале составлял 5-10 мкм. Внутренний поперечный размер канала равен 1.6 х 6.3 мм. На входе и выходе из канала реализован плавный переход от круглого сечения к прямоугольному сечению. Обогрев канала производился переменным электрическим током. По длине канала на

внешней стороне в 4-х сечениях наклеены термопары. Термопары размещены в центре короткой стороны, в углу канала и по длинной стороне канала. Все термопары имели индивидуальную калибровку. Точность измерения температуры составляла 0.1К. Канал и фланцы тепло и электроизолированы.

а

б

Рис. 1. Экспериментальный участок - (а). Сравнение экспериментальных данных по коэффициентам теплоотдачи при 0~200 кг/м с с расчетом по

корреляции Клименко 1990 -

На рис. 1б представлены экспериментальные данные по локальным коэффициентам теплоотдачи, усреднённым по периметру канала, для восходящего кипения в зависимости от массового паросодержания.

В проведенных опытах варьировались: тепловой поток при

фиксированном начальном паросодержании от 1 до 40 кВт/м , или начальное

л

паросодержание при постоянном тепловом потоке q = 6 кВт/м . При изменении локального массового паросодержания от нуля до единицы коэффициент теплообмена при кипении непрерывно возрастает даже при постоянном тепловом потоке. Это показывает существенную роль конвективного испарения даже при малых массовых паросодержаниях. На рис.1б так же приведен расчет по модели теплообмена Клименко 1990,

ат. = 0.087 ИеЗ! 1>» / А* У КТ К-

в случае, когда теплоотдача определяется конвективным испарением и

™ 7£„іИп 0.6 т^О.54 -г» -0.33 т^О.12 п /7

ашп=7-6х10 Ре* КР КЛ Лж/Ь

когда определяющим механизмом теплоотдачи является кипение. При расчете теплоотдачи используется максимальное значение. На рис. 1б для данных полученных при входном паросодержании 0 (темные ромбы) основным механизмом теплоотдачи является кипение, во всех остальных случаях, согласно модели Клименко, теплообмен должен определяться конвективным испарением.

н

т

а

12-

10'

2 3

/ ММ

12

10

Рис. 2. Расчёт распределения толщины пленки и коэффициентов теплоотдачи по периметру прямоугольного миниканала

0

1

2

3

4

8

8

6

6

4

4

2

2

0

0

0

1

4

Экспериментальные точки лежат выше, чем дает расчет для всех серий опытов. Расслоение данных при различных тепловых потоках существенно превышает точность эксперимента. Это показывает существование режимов, в которых существует совместное влияние конвекции и кипения на коэффициенты теплоотдачи, что не учитывается в системе уравнений (1 - 2). При х > 0.6 расслоение данных при разных тепловых потоках не наблюдается, и кипение практически полностью подавляется.

На рис. 2 представлены расчётные данные по распределению коэффициентов теплоотдачи по периметру прямоугольного миниканала для нисходящего течения при числе Рейнольдса жидкости Яе = 100 и тепловом

Л

потоке 1 кВт/м . Слева представлено распределение плёнки по периметру канала. Капиллярные силы стягивают жидкость в углы канала, и рядом с углом реализуется область очень тонких плёнок с высокими коэффициентами теплообмена. Одним из факторов могущих сильно влиять на теплоотдачу является характеристика поверхности. Предположено, что сухое пятно образуется в момент, когда толщина пленки становится равна высоте шероховатости.

В миниканалах коэффициенты теплообмена определяются течением плёнки неравномерной толщины. Для различных форм миниканалов реализуются различные формы поверхности жидкости из-за взаимодействия капиллярных сил и сил межфазного трения. В пластинчатых теплообменниках, используемых в качестве испарителей, форма каналов близкая к прямоугольной и характеристика поверхности оказывают существенное влияние на теплоотдачу.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. V.V. Klimenko,1990, A generalized correlation for two-phase forced flow heat transfer - second assessment, Int. J. of Heat and Mass Transfer,vol.33 pp. 2073-2088.

© В.В. Кузнецов, О.В. Витовский, С.А. Сафонов, А.С. Шамирзаев, 2006