CC BY
32
УДК 532.62, 532.5.013
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛЕНКИ ЖИДКОСТИ, ОСАЖДЕННОЙ ИЗ ИМПУЛЬСНОГО ИМПАКТНОГО ГАЗОКАПЕЛЬНОГО ПОТОКА ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕННИКА
Александр Дмитриевич Назаров
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1; Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 1, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]
Анатолий Федорович Серов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, профессор, тел. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]
Павел Николаевич Карпов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, аспирант, тел. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]
Виктор Иванович Терехов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1 , доктор технических наук, зав. отделением; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, профессор, тел. (383)330-67-36, e-mail: [email protected]
Валерий Николаевич Мамонов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1 , кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]
В работе представлены результаты экспериментального исследования поведения локальных и осредненных значений толщины пленки жидкости, осажденной на вертикальную изотермическую поверхность (Tw = 700C) из импульсного многоструйного газокапельного потока при изменении скорости спутного воздушного потока. Измерения толщины пленки были выполнены многоканальным емкостным измерителем локальной толщины пленки жидкости. Показано, что в режиме подачи короткого импульса в зависимости от удельного расхода жидкой фазы образуется течение жидкости как в режиме сплошной пленки, так и в виде отдельных пленочных областей и капель жидкости.
Ключевые слова: импульсный газокапельный поток, пленка жидкости, испарение, параметры пленки жидкости.
EXPERIMENTAL STUDY OF A LIQUID FILM DEPOSITED FROM A PULSED IMPACT GAS DROPLET FLOW ON THE VERTICAL SURFACE OF THE HEAT EXCHANGER
Alexandr D. Nazarov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect; Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, Pirogov str. 1, D. Sc., tel. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]
Anatoly F. Serov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Акаёеш1к Lavrentiev Prospect; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, K. Marks pr., 20, Prof., tel. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]
Pavel N. Karpov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, graduate student., tel. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]
Viktor I. Terekhov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, K. Marks pr. 20, Prof., tel. (383)330-67-36, e-mail: [email protected]
Valery N. Mamonov
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, K. Marks pr. 20, Prof., tel. (383)330-64-66, e-mail: [email protected]
The paper presents the results of an experimental study of the behavior of local and averaged values of the thickness of the liquid film deposited on a vertical isothermal surface (Tw = 70 C) from a pulsed multi-jet gas-droplet flow at a changing velocity of the cocurrent air flow. Measurements of film thickness were made using a multichannel capacitive meter of local thickness of liquid film. It is shown that in the regime of short pulse depending on the specific flow rate of liquid phase the liquid flow is formed both in the mode of a continuous film, and in the form of individual film areas and liquid droplets.
Key words: pulsed gas-drip flow, liquid film, evaporation, parameters of the liquid film.
Охлаждение поверхности струями диспергированной жидкости характеризуется высокой интенсивностью теплообмена [1-5]. Этим объясняется широкое применение такого способа охлаждения в энергетике, машиностроении, металлургии, химической и пищевой промышленности и т.д. В работах [6, 7] говорится, что повышение эффективности использование спрея для охлаждения требует детального исследования физических процессов, связанных с движением многоструйного газокапельного потока от форсунок до охлаждаемой поверхности, и тщательного изучения сложного механизма взаимодействия капель жидкости поверхностью теплообменника [6, 7].
Данная работа посвящена исследованию поведения пленки жидкости, осажденной из импульсного многоструйного газокапельного потока на вертикальную низкотемпературную поверхность и находящуюся под постоянным воздействием частиц жидкости импульсного спрея и импактных струй воздуха.
На рис. 1, а представлен рабочий участок экспериментального стенда, позволяющий проводить исследования влияния параметров газокапельного потока на теплообмен с плоским теплообменником. Источник газокапельного потока и поверхность теплообменника были расположены на расстоянии 0.24 м напротив друг друга вертикально относительно горизонта. На плоской части источника расположены 16 управляемых электромагнитных жидкостных форсу-
нок в виде матрицы 4 х 4. На этой же поверхности для создания спутного воздушного потока установлены 25 газовых сопел с диаметром выходного отверстия 350 мкм. Подробно экспериментальная установка описана в [8, 9].
Измерения проводились при атмосферных условиях и температуре окружающей среды Т0 = 20 0С. Рабочими фазами импульсного газокапельного потока были дистиллированная вода и воздух. Температура воздушной и жидкостной фаз аэрозоля составляли: жидкости - (7 ^ 13) 0С; воздуха - (20 ^ 22) 0С; температура поверхности теплообменника поддерживалась постоянной и была равной ^ = 70 0С. Средняя скорость капель воды в потоке - 5 м/с; размер частиц жидкости у поверхности теплообменника составлял от 50 мкм до 150 мкм. Формируемые источником капельные области распространяются до поверхности теплообменника в постоянном спутном воздушном потоке скоростью Уа = 8 м/с.
140 мм
а) б)
Рис. 1. Экспериментальный участок исследовательской установки:
а) источник импульсного газокапельного потока и теплообменник; б) расположение зондов диэлькометрического измерителя локальной
толщины пленки жидкости
Исследование параметров пленки жидкости, осажденной из импульсного газокапельного потока проводилось многоканальным диэлькометрическим измерителем локальной толщины пленки жидкости [10]. На рис. 1, б показана схема зондов регистратора локальной толщины пленки, на рабочей поверхности теплообменника. В эксперименте было использовано три зонда, вертикально по оси сечения теплообменника. Одновременно с измерением характеристик пленки определялись величины локальных и интегральных значений тепловых потоков [11].
В эксперименте формировались продолжительность капельных областей t = 4, 10, 25, 50,100 мс и периодом Т = 200 мс (частота 5 Гц), что соответствует диапазону изменения расхода жидкостно-капельной фазы = 102 ^ 1020 г/с-м2.
Наблюдения показали, что при расходе жидкой фазы до < 255 г/с-м , как со спутным, так и без спутного воздушного потока, капельная масса осаждается
на поверхность теплообменника в виде отдельных областей пленки и капель
2 2
жидкости. В диапазоне расходов жидкости 255 г/с-м < дь < 510 г/с-м жидкост-но-капельная фаза без спутного воздушного потока осаждается на поверхность в виде однородного пленочного покрытия. Со спутным воздушным потоком однородное пленочное покрытие на поверхности теплообменника не образуется. Жидкость формируется в этом случае в виде пятен пленки с сухими участками между ними. На рис. 2 показан профиль локальной толщины пленки жидкости такого переходного режима. Осажденная пленка жидкости на поверхность теплообменника соответствует режиму импульсов капельной фазы ? = 25 мс и периодом Т = 200 мс (расход дь = 244 г/с-м2) со спутным воздушным потоком скоростью Уа = 8 м/с и без него Уа = 0 м/с.
На рис. 2 изменения локальной толщины пленки осажденной жидкости во времени получены в одной точке. По нижней кривой рисунка (Уа = 8 м/с) видно, что на поверхности теплообменника пленка жидкости, сформированная осаждением капель жидкости, остается сплошной лишь в течении 100 мс от начала взаимодействия капельной области с поверхностью. Затем наблюдается разрыв пленки с испарением на границе раздела фаз. При режиме без спутного потока, датчики регистрируют сплошную пленку жидкости, без разрывов (кривая Уа = 0 м/с).
Гощина пленки, Гидравлический импульс
О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Время, мс
Рис. 2. Профиль локальной толщины пленки при режиме формирования импульса капельной области длительности ? = 25 мс и периодом Т = 200 мс
л
(дь = 244 г/с-м ) при спутном воздушном потоке: Уа = 0 м/с и Уа = 8 м/с
л
При расходе жидкости выше 510 г/с-м , что соответствует длительности открытия клапанов ? > 50 мс, на поверхности теплообменника наблюдается устойчивое пленочное течение как без спутного воздушного потока, так и с ним. На рис. 3, а демонстрируется фотография пленочного покрытия, а на рис. 3, б профиль локальной толщины пленки жидкости, сформированной импульсным потоком жидкой фазы с параметрами длительности открытия клапанов ? = 50 мс и периодом Т = 200 мс (дь = 510 г/с-м ) без спутного воздушного потока. На поверхности пленки наблюдается неравномерность амплитудой до 10 микрометров, что говорит о безволновой пленочной структуре. На рис. 3, в показан
профиль локальной толщины пленки для того же режима импульсного спрея, но со спутным воздушным потоком скоростью Уа = 8 м/с. Из графика видно, что средняя толщина пленки под действием воздушного потока уменьшилась более чем в два раза. На поверхности наблюдается неравномерность, как и в предыдущем случае, не превышающая 10 мкм.
Время, мс
Рис. 3. Профиль локальной толщины пленки жидкости, осажденной
л
из импульсной капельной струи (расход жидкой фазы = 510 г/с-м )
На рис. 4 показаны зависимости среднего расчетного и экспериментального значений толщины пленки жидкости, осажденной на поверхность теплообменника из импульсного аэрозоля без спутного воздушного потока (Уа = 0 м/с) и со спутным воздушным потоком (Уа = 8 м/с). Экспериментальные кривые соответствует значениям средней толщины, полученным усреднением показаний
всех используемых емкостных датчиков. Расчетная кривая отображает сред-
1/2
нюю толщину пленки, посчитанную по формуле [12]: б = 0.52 (чи/£) , где V -кинематическая вязкость воды при температуре стенки ^ = 70 0С, и - скорость пленки, полученная в эксперименте по видеоданным, g - ускорение силы тяжести.
Расчетные значения средней толщины пленки значительно меньше полученных в экспериментах. Это можно объяснить тем, что формула для расчета средней толщины пленки была получена для гравитационной пленки, стекающей по вертикальной поверхности с источником орошения в верхней части пластины. Кроме того, в нашем случае, при орошении импульсным спреем капельные области осаждаются не на всю поверхность теплообменника, а на площадь, равную примерно 80 % от общей площади орошаемой поверхности.
По результатам сравнения средней толщины пленки без спутного и со спутным потоком можно сделать вывод о том, что импактная воздушная струя увеличивает скорость растекания капель жидкости при их взаимодействии с поверхностью, тем самым утончая пленку [13,14] и увеличивая площадь поверхности, покрываемую жидкой фазой. Влияние спутного потока на толщину
пленки возрастает по мере увеличения расхода капельной фазы. При расходе
о
жидкости меньше 510 г/с-м капли жидкости осаждаются в виде тонкой пленки жидкости. В этом случае влияние спутного потока на уменьшение толщины, и на увеличение площади жидкостного покрова на поверхности практически не оказывается.
Рис. 4. Средняя толщина пленки жидкости осажденной капельной фазы импульсного аэрозоля со спутным воздушным потоком и без него (эксперимент) и расчетные значения средней толщины пленки
Для определения скорости пленки были сделаны фотографии виде последовательных серий с временным интервалом 0.1 секунда между снимками. Для метрических измерений на фотографиях присутствуют метки в виде линейки со шкалой в 5 мм (рис. 3, а). Анализ данных показал, что без спутного воздушного потока, осажденная из импульсного газокапельного потока пленка, под действием гравитации стекает вниз. При спутном воздушном потоке наблюдается движение от центра к периферийной части поверхности во все стороны. И в первом и во втором случаях скорость движения пленки невелика и не превышает 0,01 м/с.
Число Рейнольдса пленки Re = Ud/v (U - скорость движения пленки, S -средняя толщина пленки, v - кинематическая вязкость воды при температуре 700C) в проведенных экспериментах изменялась в диапазоне Re = 0 ^ 20 в зависимости от условий проведения эксперимента.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ №14 - 19 -00402.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Sailor D.J., Rohli D.J., Fu Q. Effect of variable duty cycle flow pulsations on heat transfer enhancement for an impinging air jet. - Int. J. of Heat and Fluid Flow. - 1999. - 20. - P.574-580
2. Panao M.R.O., Moreira A.L.N. Intermittent spray cooling: A new technology for controlling surface temperature. - Int. J. Heat and Fluid Flow. - 2009. - 30. P. 117-130
3. Mohammadpour J., Zolfagharian M.M., Mujumdar A.S., Zargarabadi M.R., Abdulahzadeh M. Heat transfer under composite arrangement of pulsed and steady turbulent submerged multiple jets impinging on a flat surface. - Int. J. Thermal Sciences. - 2014.- 86. P. 139147
4. Исаченко В.П., Кушнырев В.И. Струйное охлаждение. - М.; Энергоатомиздат. -1984. - 216 с.
5. Kim J. Spray cooling heat transfer: The state of the art. - Int. J. Heat and Fluid Flow. -2007. - 28. P. 753-767
6. Пахомов М.А., Терехов В.И. Интенсификация турбулентного теплообмена при взаимодействии туманообразной осесимметричной импактной струи. - ПМТФ. - 2011. - Т. 52, №1. - С.119-131.
7. Пахомов М.А., Терехов В.И. Структура течения и турбулентный тепломассопере-нос в лобовой точке импактной импульсной газокапельной струи // ТВТ. - 2014. - Т. 52, № 4. - С. 588-596.
8. Назаров А. Д., Серов А. Ф., Терехов В. И. Влияние спутного газового потока в импульсном аэрозоле на процесс испарительного охлаждения // ТВТ.- 2014.- Т.52, № 4. - С. 14.
9. Назаров А.Д., Серов А.Ф., Терехов В.И. Влияние спутного газового потока в импульсном аэрозоле на теплообмен // Труды 6-ой РНКТ, РНКТ-6, Москва: НИ МЭИ (ТУ). -2014. C.5-22. - 4 с.
10. Назаров А.Д. Разработка методов и электронных средств для теплофизических исследований двухфазных потоков. - 2013. - Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Новосибирск. ИТ СО РАН - 273 с.
11. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В.Градиентные датчики теплового потока в теплотехническом эксперименте. Ст. - Петербург, Изд-во Политехнического университета, 2007, 202 с.
12. White D.A., Tallmadge J.A. Theory of Drainage of Liquids on Flat Plates // Chem. Eng. Sci. - 1965. - Vol. 20. - P. 33.
13. Назаров А.Д., Серов А.Ф., Бодров М.В. Интенсификация охлаждения импульсным газокапельным потоком. Аппаратура, параметры, результаты. - ЖТФ. - 2010. - Т.80, №5. - C.132-135.
14. Назаров А.Д., Серов А.Ф., Терехов В.И. Экспериментальое исследование неста-ционароного теплообмена в импульсном спрее. - Всероссийская конференция «XXXI Сибирский теплофизический семинар», 17-19 ноября 2014, Новосибирск, С.117.
© А. Д. Назаров, А. Ф. Серов, П. Н. Карпов, В. И. Терехов, В. Н. Мамонов, 2016
