Режимы течения и теплоотдача при кипении в микроканалах различной ориентации

УДК 536.42

И.А. Козулин, В.В. Кузнецов, A.C. Шамирзаев ИТ СО РАН, Новосибирск

РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ И ТЕПЛООТДАЧА ПРИ КИПЕНИИ В МИКРОКАНАЛАХ РАЗЛИЧНОЙ ОРИЕНТАЦИИ

Кипение движущейся жидкости в мини и микроканалах характеризуется определяющим влиянием эффектов стесненности на режим течения и теплообмена. В данной работе исследованы режимы течения и теплоотдача при кипении хладона R21 в микроканалах с различной ориентацией потока.

I.A. Kozulin, V.V. Kuznetsov, A.S. Shamirzaev Institute of Thermophysics SB RAS,

630090 Novosibirsk, pr. Akademika Lavrentjeva, 1

FLOW PATTERN AND HEAT TRANSFER AT FLOWBOILING IN MICROCHANNELS WITH DIFFERENT ORIENTATION

The confinement effects have essential influence to flow boiling in small size channel. In article the investigation of flow pattern and heat transfer at flow boiling refrigerant R21 in micro-channel with different orientation was done.

Теплоотдача при кипении движущейся жидкости в микроканалах широко исследуется в связи с высокой эффективностью охлаждения электронных компонентов [1] и перспективой использования в аппаратах энергетики. При уменьшении поперечного размера отношение поверхности теплообмена к объему микроканала увеличивается обратно пропорционально диаметру канала, что обуславливает высокую интенсивность теплообмена.

В данной работе проведено исследование влияния ориентации каналов на режимы течения и теплообмен в микроканальных системах.

Исследование режимов течения проведено в системе вода- азот. Схема экспериментальной установки для исследования вертикального и горизонтального газожидкостного течения (H2O/N2) в прямоугольном микроканале приведена на рис. 1, а. Азот поступал из баллона (1) через регулировочный вентиль и расходомер газа (2) в экспериментальный участок (5). Вода поступала из бака (4), далее через регулировочный вентиль расхода жидкости, в ротаметр (3) и далее в смеситель, расположенный внизу перед экспериментальным участком. Экспериментальный участок представлял собой прямоугольный микроканал размером 0.72x1.5 мм2, собранный из параллельных стеклянных пластин, длиной L = 50 см склеенных эпоксидным клеем. Гидравлический диаметр миниканала Dh равен 1,0 мм, и его зазор существенно меньше капиллярной постоянной воды b = 2.72 мм. На выходе из

экспериментального участка газожидкостная смесь откачивалась перистальтическим насосом (9) в бак с водой (4), при этом газ уходил в атмосферу, а насыщенная азотом вода возвращалась в экспериментальный участок.

Для регистрации режимов течения использованы: двухлучевое лазерное сканирование потока и высокоскоростная видеосъемка. При использовании метода двойного лазерного сканирования два лазера (7) располагались так, что лазерные лучи освещали одну из сторон прямоугольного канала. Для уменьшения диаметра светового пучка лазера использовалась диафрагма. Расстояние между лучами составляло 57 мм. Питание лазеров осуществлялось с помощью источника напряжения TEC-42 (8). Интенсивность прошедшего через канал света измерялась с помощью фотодиодов (6), расположенных на противоположной стороне канала. Сигналы с фотодиодов регистрировались с помощью высокоскоростной платы АЦП (Lcard L-264) с максимальной частотой опроса по всем каналам 200 kHz и обрабатывались на компьютере (10). Оцифровка сигнала осуществлялась с частотой в течение времени от одной до трех минут. С лицевой стороны канала, при помощи цифровой видеокамеры (AOS X-Pri mono) проводилась регистрация режима течения.

Схема экспериментального стенда для исследования теплообмена при кипении в микроканальном теплообменнике показана на рис. 1, б. Хладон из конденсатора насосом подаётся через фильтр на контроллер расхода Bronkhorst HI-TECH и через термостат поступает в испаритель-парогенератор для приготовления парожидкостного потока с заданным паросодержанием. Поток из парогенератора поступает в экспериментальный участок и затем в конденсатор. Расход рабочей жидкости задаётся при помощи контроллера расхода с точностью 0.022 г/с.

N2

а)

б)

Рис. 1. Схема экспериментального стенда для исследования: а) вертикального и горизонтального газожидкостного течения (Н20/^) в прямоугольном микроканале; б) теплообмена при кипении в микроканальном теплообменнике

Микроканальная пластина рабочего участка изготовлена фрезерованием из стали 12Х18Н9Т, рис. 2, а. Она имеет 10 каналов шириной 640 мкм, гидравлический диаметр 0.975 мм, толщина ребра 1.15 мм, расстояние от внешней стенки до основания ребра - 2.4 мм. В семи сечениях по длине теплообменника для измерения температуры стенки заделано 14 термопар Т типа на глубину 0.6 мм. Термопары установлены на длине 5 мм, 30 мм, 55 мм, 65 мм, 90 мм, 110 мм 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.2, б. Второй медный

блок служит для компенсации тепловых потерь. Размер блоков 130х60х25 мм , максимальная достижимая мощность 380 Вт. Эксперименты проводились как с вертикальной, так и с горизонтальной ориентацией каналов.

а) б)

Рис. 2. Схема экспериментального участка: микроканальный теплообменник

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 расстоянии 10 мм, 40 мм, 62.5 мм, 90 мм, 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 РЫ00 (АТА-2210) в диапазоне температур от 15 до 100 °С, погрешность измерения температуры не превышает 0.1 К.

По измеренным температурам стенок локальный коэффициент теплопередачи определяется как

здесь ТшГг- - температура насыщения, соответствующая данной термопаре, TЩi - внешняя температура стенки микроканальной пластины, определяемая по измеренной температуре с учетом градиента температуры в стенке, qw,i -локальный тепловой поток. Распределение давления по длине микроканала определялось линейной аппроксимацией по измеренным входным и выходным значениям. Локальный тепловой поток определялся по градиенту температуры на измерительной пластине

= К

Для исследования структуры течения в микроканале были проведены эксперименты по исследованию режимов течения двухфазного потока (Н20/Ы2) в горизонтальном и вертикальном микроканале с размерами 0.72x1.5 мм2 (гидравлический диаметр 1 мм).

На рис. 3 представлены карты режимов течения для вертикального и горизонтального микроканала. Видно, что карты режимов течения для вертикального и горизонтального канала совпадают. Это говорит о том, что ориентация микроканала не влияет на структуру двухфазного течения. В большей области течения наблюдается режим течения с удлиненными пузырями-снарядами S, который, при увеличении приведенной скорости газа переходит в переходный режим SC, когда наблюдается разрушение заднего фронта снарядов. При увеличении приведенной скорости газа наблюдается переход к кольцевому режиму с регулярными волнами AR, когда межфазная неустойчивость приводит к возникновению сужений в потоке газа, и поток характеризуется высокой степенью неравновесности. Линиями на рис. 3 показан расчет границ режимов по модифицированной модели [2].

а) б)

Рис. 3. Карта режимов течения для вертикального (а) и горизонтального (б) прямоугольного микроканала 0.72х1.5 мм (Н20/Ы2). Границы режимов течения нанесены по модифицированной модели М^Ыша & 1вЫ1,1984. Б - снарядный режим, SC - переходный режим, ЛЯ - кольцевой режим с регулярными

волнами. А^ - дисперсный

В стеснённых условиях влияние гравитационной составляющей на режимы течения мало, и изменение ориентации теплообменника с вертикальной на горизонтальную не должно оказывать существенного влияния на теплоотдачу при высоких массовых расходах. Это подтверждается экспериментальными данными при массовом расходе 137,2 кг/м2с, представленными на рис. 4.

5000 4500

"є

^ 4000

44

3500 3000

Рис. 4. Зависимость локального коэффициента теплопередачи микроканального

теплообменника от паросодержания при массовом расходе 137.2 кг/м2с. Светлые точки - вертикальное течение, темные точки - горизонтальное течение

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 08-08-00953а. грант № 11-08-01140-а.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Bar-Cohen A., Rahim E., Modeling and prediction of two-phase refrigerant flow regimes and heat transfer char-acteristics in microgap channels, in: Proceedings of the 5th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels ICNMM2007-30216.

2. Mishima K., Ishii M., Flow regime transition criteria for upward two-phase flow in vertical tubes // Int. J. Heat and Mass Transfer 1984. - V. 27, №5. - P. 723738.

0 0.2 0.4 0.6 0.8

x

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