Теплообмен и температурная неустойчивость при кипении воды в микроканальном теплообменнике

УДК 536.42

А.С. Шамирзаев, В.В. Кузнецов ИТ СО РАН, Новосибирск

ТЕПЛООБМЕН И ТЕМПЕРАТУРНАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПРИ КИПЕНИИ ВОДЫ В МИКРОКАНАЛЬНОМ ТЕПЛООБМЕННИКЕ

В работе представлены данные экспериментального исследования и температурной неустойчивости при кипении воды в микроканальном теплообменнике. Приведено сравнение экспериментальных данных по теплоотдаче с расчётом по известным моделям теплообмена при кипении в каналах малого размера.

A.S. Shamirzaev, V.V. Kuznetsov IT SB RAS, Novosibirsk, Russia

WATER FLOW BOILING HEAT TRANSFER AND TEMPERATURE INSTABILITY IN MICROCHANNEL HEAT SINK

In article the data of experimental investigation of heat transfer and temperature instability during water flow boiling in micro-channel heat sink are presented. A comparison of experimental data with known models of heat transfer during liquid flow boiling in small size channel was done.

Микроканальные парожидкостные охладители успешно используются в различных технологиях для рассеивания высоких тепловых потоков с малых поверхностей. Развитие двухфазных микроканальных технологий требует углублённого понимания гидродинамических и тепловых процессов, происходящих в условиях фазовых переходов в стеснённых условиях. Современные исследования теплоотдачи при течении двухфазных потоков в микроканалах, особенно в условиях малых массовых расходов, показывают противоречивые данные. Как отмечено в работе [1], нестабильность парожидкостного течения в микроканальных теплообменниках может оказывать существенное влияние на теплоотдачу и режимы течения.

В данной работе проведено исследование теплоотдачи и температурной неустойчивости при кипении воды в микроканальном теплообменнике. Микроканальный теплообменник изготовлен из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, имеет 10 каналов длиной 120 мм с размером 0.64х2.05 мм, расстояние между каналами 1,15 мм, расстояние от внешней стенки до основания ребра - 2.4 мм, схема экспериментального участка представлена на рис. 1. В семи сечениях по длине теплообменника для измерения температуры стенки заделано 14 термопар T типа на глубину 0.6 мм. Термопары установлены на длине 5, 30, 55, 65, 90, 110 и 115 мм от начала каналов. Для измерения входной и выходной

температуры потока во входной и выходной камере установлены 2 изолированные термопары К типа. Парогенератор на входе в экспериментальный участок задает входное паросодержание вне зависимости от величины теплового потока, подводимого к теплообменнику. Подвод тепла к теплообменнику осуществляется с одной стороны от медного блока с вмонтированными обогревательными картриджами.

Рис. 1. Схема экспериментального участка

Во входной и выходной камерах микроканальной пластины производится измерение температуры, давления и перепада давления. Для измерения теплового потока между микроканальной пластиной и нагревательным блоком установлена измерительная пластина из стали марки 12Х18Н9Т. Поверхности пластин притерты для обеспечения теплового контакта и соединены через высокотеплопроводную мастику. Определение локального теплового потока производится измерением температурного напора на измерительной пластине. Температурный напор определяется термопарами Т типа, заделанными на глубину 0.7 мм в 5 сечениях, на расстояниях 10, 40, 62.5, 90, 120 мм от края пластины. Теплопотери на экспериментальном участке откалиброваны и не превышают 0.19 Вт/К.

В процессе эксперимента происходит непрерывный опрос температур, и определяется среднеквадратичное отклонение каждой температуры по пяти измерениям. Полный цикл из 5 измерений занимает 50 сек. Режим считается установившимся, когда измеренный дрейф средней температуры стенки не превышает 0,1 К в течение пятнадцати минут. После стабилизации параметров потока поле температур в экспериментальном участке измеряется в течение 1520 минут. Термопары К и Т типов тарированы совместно по платиновому термометру сопротивления РМ00 (АТА-2210) в диапазоне температур от 15 °С

до 100 °С, погрешность измерения температуры не превышает 0.1 К.

Испаритель, установленный перед измерительной секцией, позволил получать

экспериментальные данные в широком диапазоне паросодержаний независимо

от теплового потока. Эксперименты проведены в диапазоне массовых расходов 2 2 2

от 30 до 90 кг/м с и тепловых потоков от 20 кВт/м до 160 кВт/м .

На рис. 2 показаны распределения по длине теплообменника

среднеквадратичного отклонения температуры стенки во времени и

коэффициенты теплоотдачи при кипении воды в условиях стабильного режима течения. При установившемся режиме течения температура стенки стабильна во времени, и среднеквадратичное отклонение температуры во времени близко к точности измерения температуры. Коэффициенты теплоотдачи максимальны на входе и уменьшаются по длине теплообменника. На рис. 2 (б) также представлен расчёт теплоотдачи по методике, рекомендованной в работах [2] и [3]. Экспериментальные значения близки к расчёту по обеим методикам, но расчёт не отражает влияния начального паросодержания на теплоотдачу.

Среднеквадратичное отклонение температуры стенки

G=84.7 кг/м2с, P=2.2 бар, q=155 кВт/м2

0 30 60 90 120

I_ [мм]

Расчёт [2]

Расчёт [3]

'Сторона 1 О Сторона 2

Л Эксперимент

х

а) б)

Рис. 2. Зависимость измеренной температуры стенки от времени

при кипении воды в микроканальном теплообменнике при массовом расходе

2 2 84,7 кг/м с, и тепловом потоке 155 кВт/м , начальное паросодержание на входе

в теплообменник 0,11

При уменьшении массового расхода до 34 кг/м с стабильность температуры стенки во времени значительно ухудшается. На рис. 3 показаны распределения по длине теплообменника среднеквадратичного отклонения температуры стенки во времени и коэффициенты теплоотдачи при кипении воды при массовом расходе 34 кг/м с. Среднеквадратичное отклонение

температуры стенки теплообменника минимально на входе, увеличивается по длине теплообменника и уменьшается на выходе. Это указывает на нестационарность течения внутри системы микроканалов. Минимум колебаний температуры на входе и выходе из теплообменника связан с влиянием входной и выходной камер, в которых поддерживаются стационарные условия. Как и в случае стабильного режима течения, коэффициенты теплоотдачи максимальны на входе и уменьшаются по длине теплообменника.

Среднеквадратичное отклонение температуры стенки

0=34 кг/м2с, P=1.36 бар, q=134кВт/м2

1.2

1

0.8

0.6

ь

0.4

0.2

0

о • О

°. •

О -

V п

1 і і •

30 60 90

L [мм]

120

• Сторона 1 О Сторона 2

Расчёт [2]

О Эксперимент

- Расчёт [3]

х

0

а) б)

Рис. 3. Зависимость измеренной температуры стенки от времени (а) и распределения среднеквадратичного отклонения температуры стенки (б) при

кипении воды в микроканальном теплообменнике при массовом расходе 34

2 2 кг/м с и тепловом потоке 135 кВт/м , начальное паросодержание на входе в

теплообменник 0,15

На рис. 3 (б) также представлен расчёт теплоотдачи по методике, рекомендованной в работах [2] и [3]. Экспериментальные данные не описываются расчётом по обеим методикам. Расчёт по методике из работы [2] даёт правильную зависимость от паросодержания, но значительно превышает экспериментальные данные и не учитывает влияния начального паросодержания на теплоотдачу. Расчёт по методике из работы [3] также превышает экспериментальные данные и учитывает влияние начального паросодержания на входе в теплообменник, но не показывает деградации теплоотдачи по длине теплообменника.

Как показало экспериментальное исследование, неустойчивость течения не оказывает существенного влияния на теплоотдачу при кипении воды в микроканальном теплообменнике. Высокие коэффициенты теплоотдачи на входе в теплообменник связаны с хорошим орошением поверхности

микроканалов. Деградация теплоотдачи по длине теплообменника связана с перераспределением жидкости по периметру микроканалов.

Работа выполнена при поддержке: ФЦП Роснауки госконтракт № 02.740.11.0054.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Guodong Wang, Ping Cheng, A.E. Bergles. Effects of inlet/outlet configurations on flow boiling instability in parallel microchannels // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2008. - V.51. - P. 2267-2281.

2. Kandlikar S.G. Similarities and Differences Between Flow Boiling in Microchannels and Pool Boiling // Heat Transfer Engineering. - 2010.- V.31. - Р 159-167.

3. Kuznetsov V.V. Heat and Mass Transfer with Phase Change and Chemical Reactions in Microscale // Proceedings of the International Heat Transfer Conference IHTC14, August 8-13, 2010, Washington, DC, USA, Keynote IHTC14-22570.

© А. С. Шамирзаев, В.В. Кузнецов, 2011