Методические особенности изучения процессов кипения в свободном объеме нанофлюида изопропанол/Al2O3 Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

■а о

У статті представлені результати дослідження методичних особливостей при вивченні процесів кипіння у вільному об’ємі нанофлюїда ізопропанол/АІ2Оз. Запропонована конструкція установки для аналізу таких характеристик нано-флюїдів, як їх стабільність та концентрація наночастинок при різних параметрах. Проведено дослідження впливу концентрації нанофлюїда на його стабільність і гідродинамічний радіус наночасток

Ключові слова: кипіння, коефіцієнт тепловіддачі, нанофлюїд, стабільність, гідродинамічний радіус, концентрація

□----------------------------------□

В статье представлены результаты исследования методических особенностей при изучении процессов кипения в свободном объеме нанофлюида изопропанол/А12О3. Предложена конструкция установки для анализа таких характеристик нанофлюидов как их стабильность и концентрация наночастиц при различных параметрах. Проведено исследование влияния концентрации нанофлюида на его стабильность и гидродинамический радиус наночастиц Ключевые слова: кипение, коэффициент теплоотдачи, нанофлюид, стабильность, гидродинамический радиус, концентрация

■а о

УДК 535.36+536.24+544.77

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ КИПЕНИЯ В СВОБОДНОМ ОБЪЕМЕ НАНОФЛЮИДА ИЗОПРОПАНОЛ/AL^

В. П. Железный

Доктор технических наук, профессор* Е-mail: [email protected] Ю. В. Семенюк Кандидат технических наук, доцент* Е-mail: [email protected] В. Я Гоцульский Кандидат физико-математических наук, доцент Кафедра общей и химической физики Одесский национальный университет им. И. И. Мечникова ул. Пастера, 27, г. Одесса, Украина, 65023 E-mail: [email protected]

А. Г. Никулин Аспирант, младший научный сотрудник* Е-mail: [email protected] Н. А. Шимчук Аспирант, младший научный сотрудник* Е-mail: [email protected] Н. Н. Лукьянов Аспирант* Е-mail: [email protected] *Кафедра теплофизики и прикладной экологии Одесская национальная академия пищевых технологий ул. Канатная, 112, г. Одесса, Украина, 65039

1. Введение

Различное энергетическое оборудование, такое как: сверхкритические котлы, теплообменные аппараты и ядерные реакторы, холодильное оборудование, тепловые насосы и тепловые трубы, нуждаются в интенсификации протекающих в них теплообменных процессов. Повышение энергетической эффективности при тепловом регулировании перечисленных выше устройств возможно тремя способами.

Во-первых, простым увеличением площади теплопередающей поверхности. Однако такой подход приведет к увеличению материалоемкости, стоимости оборудовании, а, следовательно, и уменьшению конкурентоспособности производимого оборудования.

Во-вторых, модификацией теплообменных поверхностей аппаратов (микроструктурированные поверхности, микроканалы, микроканальные тепло-

обменники, микроструи, нанесение на поверхности теплообменных аппаратов гидрофобных покрытий и т. д.). Однако в работах [1, 2] отмечается, что обычное увеличение площади поверхности теплообмена и микроканальные технологии не всегда являются альтернативным решением, например, для теплового регулирования нового поколения полупроводников и оптоэлектронных устройств. Стоит также учитывать увеличение стоимости теплообменного оборудования использующего указанные технологии, а также возможность засорения профиля микроканалов и структурированных поверхностей, увеличения гидродинамического сопротивления теплообменников.

Третье направление интенсификации теплообмена в аппаратах связано с модификацией уже применяемых теплоносителей или рабочих тел для различного рода оборудования. В рамках этого направления предлагается использовать нанофлюиды (суспензии

I 39

© В. П. Железный, Ю. В. Семенюк, В. Я Гоцульский, А. Г. Никулин, Н. А. Шимчук, Н. Н. Лукьянов, 2014

твердых частиц нано размеров (до 100 нм) в базовой жидкости). Как показывают выполненные различными авторами исследования, даже незначительные примеси наночастиц различных металлов, их окислов, углеродные нанотрубки, фуллерены и т. п. способствуют значительному увеличению коэффициента теплоотдачи при различных процессах теплообмена.

2. Анализ литературных данных и постановка проблемы

Как уже было отмечено выше, нанофлюиды обладают большим потенциалом для улучшения теплопередачи и энергетической эффективности в системах теплового регулирования [3, 4].

Выполненный анализ опубликованных на сегодняшний день работ показывает, что были обнаружены следующие ключевые особенности теплопередачи в нанофлюидах:

- большая теплопроводность нанофлюидов по сравнению с базовой жидкостью [5];

- увеличение, а иногда и ухудшение теплопередачи при однофазном потоке [6, 7];

- увеличение, а в некоторых случаях, и ухудшение теплопередачи при пузырьковом кипении в свободном объеме [8, 9];

- более высокая критическая плотность теплового потока при кипении в свободном объеме [10];

- наночастицы могут оседать на теплопередающих поверхностях и образовывать слой, который морфологически зависит от материала наночастицы [11].

Таким образом, можно констатировать, что исследование процессов теплообмена в нанофлюидах находится на ранней стадии. Разнообразие получаемых эффектов обусловлено комплексным влиянием многих факторов: взаимодействие наночастиц с теплопередающими поверхностями, физические свойства, размер и концентрация, материала наночастиц, метод получения нанофлюида (одноступенчатый, двухступенчатый), применение поверхностно активных веществ (ПАВ) и т. д. При этом, как неоднократно отмечалось рядом авторов, например [12], стабильность исследуемых нанофлюидов является решающим фактором в наблюдаемых эффектах изменения коэффициентов теплоотдачи. То есть задачи устойчивости нанофлюидов становятся ключевой проблемой в физической интерпретации полученных результатов при изучении теплофизических свойств и процессов теплообмена. Несмотря на то, что ряд авторов, например [12], уделяют этому ключевому вопросу значительное внимание, проблема изучения устойчивости нанофлюидов (коллоидных гетерогенных систем на основе технических жидкостей) до сих пор остается не решенной.

В качестве примера авторы предлагаемой статьи рассматривают результаты исследования нанофлюидов на основе изопропилового спирта.

3. Влияние наночастиц на процесс кипения нанофлюидов

На кафедре теплофизики и прикладной экологии Одесской национальной академии пищевых тех-

нологий была создана экспериментальная установка для изучения процесса пузырькового кипения чистых жидкостей, растворов хладагент/масло и нанофлюидов. Установка реализует метод циркуляции вещества в замкнутом контуре. В качестве рабочего участка (поверхностью нагрева) используется тонкостенный (толщина стенки 0,1 мм) капилляр из нержавеющей стали диаметром 2 мм и длиной 730 мм, описание установки, методика эксперимента и результаты тестовых экспериментов подробно представлены в работе [13].

На данном экспериментальном стенде проведены исследования влияния наночастиц AI2O3 на интенсивность кипения изопропанола. Выбор объекта исследования обусловлен тем, что изопропанол образует стабильные во времени растворы с наночастицами Al2O3 в широком интервале концентраций. При проведении исследований использовался выпускаемый промышленностью нанофлюид (CAS 70-21-29). По информации производителя размер наночастиц Al2O3 составлял не более 50 нм. Образцы для проведения исследований были получены путем разбавления этого нанофлюида чистым изопропиловым спиртом (CAS 67-63-0). Полученные данные о кривых кипения на двух изотермах 60 и 75 °С для чистого изопропанола и нанофлюидов с массовой концентрацией наночастиц AI2O3 0,05 и 0,1 % приведена на рис. 1 и 2.

4000

3500

3000

И

~ 2500

- □ Изопропанол, t=6 О Изопропанол, t=7 ■ наноИзопропанол • наноИзопропанол 0°С |Х=0.05

°С , t=60 °С

, t=75 °С

5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

Вт/м2

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплоотдачи а от плотности теплового потока q

Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи а от плотности теплового потока q

Анализ приведенных кривых кипения показывает, что наличие наночастиц в жидкости может привести к повышению коэффициента теплоотдачи при кипении на (10-26) %. Однако этот эффект наблюдается

только при невысоких плотностях теплового потока и уменьшается с повышением температуры и концентрации наночастиц. При высоких плотностях теплового потока присутствие наночастиц в базовой жидкости приводит к снижению интенсивности теплообмена. Такое поведение кривых кипения, с одной стороны, подтверждается противоречивыми результатами исследований других авторов [14], а с другой - требует своего пояснения.

Существует несколько факторов, которые оказывают сильное влияние на интенсивность процессов теплообмена при кипении нанофлюидов в свободном объеме. К их числу можно отнести изменение устойчивости нанофлюидов при увеличении температуры, а также изменение гидродинамического радиуса наночастиц при различных концентрациях нанофлюида.

При исследовании влияния наночастиц А1203 на коэффициент теплоотдачи при кипении, было обнаружено их оседание на поверхности нагревателя. Для исследования процесса оседания наночастиц в процессе кипения нанофлюида на поверхности нагревателя была изготовлена специальная установка. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 3.

В образец нанофлюида погружался плоский нагреватель 1, который был изготовлен из листовой нержавеющей стали. Толщина нагревателя составляла

0,1 мм. С помощью подводящих проводов 2 и клемм 3 нагреватель прикрепляется к медным электрическим проводам большого диаметра (3 мм) 11. Место соединения между колбой 15, конденсатором 10 и переходником 14 герметизировалось силиконом. Воздух из внутреннего объема измерительной ячейки откачивался через вентиль 8 вакуумным насосом 7. От источника питания 6 на нагреватель подавалась нагрузка, мощность которой регулировалась в процессе выполнения исследований. Температура кипящего образца измерялась с помощью ртутного лабораторного термометра 5, чувствительная часть которого закреплена на внешней поверхности колбы. Для уменьшения теплообмена с окружающей средой колба и термометр были изолированы слоем теплоизоляции 13. Температура кипения образца нанофлюида регулировалась установлением определенного расхода охлаждающей жидкости, прокачиваемой через конденсатор 10.

Были исследованы образцы нанофлюида с концентрацией наночастиц 0,05, 0,1 и 0,5 масс. %. Нанофлюиды готовились по описанной выше технологии. На нагреватель подавалось нагрузка 52 Вт. Внутри колбы поддерживалась температура кипения 55 °С.

В результате эксперимента получены образцы нагревателя, на которых наблюдалось оседание наночастиц. С помощью опрического микроскопа были получены фотографии мест оседания наночастиц (рис. 4). Из приведенных фотографий следует, что наиболее интенсивно наночастицы оседают в местах центров парообразования, что согласуется с гипотезой предложенной в работе [11]. Авторы этой статьи пришли к заключению, что причиной оседания наночастиц на поверхности теплопередающей поверхности является испаряющийся микрослой нанофлюида в основании парового пузырька. Из приведенных фотографий на рис. 4, а, б следует, что оседание наночастиц имеет различный характер на верхней и нижней частях нагревателя. Не отрицая полученные в статье [11] выводы

о механизме оседания наночастиц на поверхности нагревателя, следует заметить, что оседание наночастиц, видимо, связано с разрушением структуры мицелл в гетерогенных нанофлюидах в местах формирования пузырьков пара.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки для исследования процесса осаждения наночастиц на поверхность нагревателя: 1 — исследуемый образец (нагреватель); 2 — электрические провода; 3 — клеммы;

4 — место герметизации силиконом; 5 — лабораторный ртутный термометр; 6 — источник питания; 7 — вакуумный насос; 8 — вентиль; 9 — выход охлаждающей жидкости; 10 — конденсатор; 11 — токоподводящие провода;

12 — вентиль для регулировки расхода охлаждающей жидкости; 13 — теплоизоляция; 14 — переходник с колбы на конденсатор; 15 — колба; 16 — нанофлюид

б

Рис. 4. Фотографии поверхности нагревателей после процесса кипения нанофлюида (х=0.05 %): а — верхняя часть нагревателя; б — нижняя часть нагревателя

Е

Исходя из полученных результатов, можно прийти к заключению, что при разработке методики проведения исследований теплообмена при кипении нанофлюидов необходимо включать этапы контроля исследуемого образца нанофлюида и поверхности нагревателя до и после проведения экспериментов. Так, например, в работе [15] было показано, что даже разбавление стабильных (коммерческих) нанофлюидов с большой концентрацией наночастиц может приводить к существенному изменению размера частиц от заявленных производителем. А в работе [9] было показано, что размер частиц Аи после проведения эксперимента (кипение нанофлюида Я141Ь/Аи в свободном обема) увеличился с 3 до 110 нм.

С учетом изложенного, целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование гидродинамического радиуса наночастиц в нанофлюидах изо-пропанол/А1203 при помощи установки реализующей принцип динамического светорассеяния DLS.

Кроме того, в предлагаемой работе были исследованы временная и температурная зависимости устойчивости нанофлюида изопропанол/А1203 на установке реализующей принцип турбидиметра. Полученные данные позволили получить градуировочную зависимость концентрации наночастиц от количества пропускаемого через оптическую ячейку, заполненную нанофлюидом света.

4. Исследование характеристик нанофлюидов

Теплофизические свойства нанофлюидов и их стабильность в значительной мере определяют перспективу практического использования нанотехнологий в энергетике. Эти характеристики нанофлюидов в значительной мере зависят от величины гидродинамического радиуса наночастиц и их концентрации в базовой жидкости.

В предлагаемой работе методами динамического рассеяния света (лазерной корреляционной спектроскопии) [16, 17] авторами были определены характерные размеры оптических неоднородностей в нанофлюидах изопропанол/А1203. Измерения проводились на оригинальной установке методом гомоди-нирования [18].

Характерные размеры определялись по корреляционной функции интенсивности рассеянного света в гауссовом приближении

G(2)(т) = (!(0)1(т)) = А + Bexp(-2Dq2т) =

8nn2 sin2

т

(1)

где D =

kT

6nnr

- коэффициент диффузии Смолуховско-

4пп . 0 го-Эйнштена, q =---sin—

К 2

волновой вектор рассея-

ния, 0 - угол рассеяния, Х0 - длина волны падающего излучения, п - показатель преломления раствора.

Величина характерного размера частиц определялась как гидродинамический радиус [17]

КТтг

3п^2

(2)

здесь п -коэффициент динамической вязкости,

1

Dq2

время корреляции полученное из (1),

- постоянная Больцмана и температура раствора соответственно.

Необходимо отметить, что по формуле (2) гидродинамический радиус наночастиц определяется из условия, что они имеют сферическую форму и перемещаются в базовой жидкости без взаимодействия друг с другом. Проведенные исследования показывают, что реальный радиус наночастиц меньше гидродинамического (рис. 5).

90 85 80 75 й 70 65 60 55 50 О

О

О

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.

х, масс.%

Рис. 5. Зависимость гидродинамического радиуса от массовой доли наночастиц

Экспериментальная установка для исследования стабильности нанофлюидов представлена на рис. 6. В качестве источника света был использован лазер 1 (длина волны 650 нм). Луч лазера, проходя через оптическую ячейку 2 (стеклянное цилиндрическое кольцо, уплотняемое по торцам плоскопараллельными стеклами с длинной отеческого пути l), содержащую исследуемый нанофлюид, попадает на фотодиод 3. Для исключения попадания на фотодиод рассеянного света фотодиод 3 был помещен в трубку 4, покрытую изнутри материалом с высоким коэффициентом поглощения. С целью получения параллельного пучка света диаметром 2 мм были использованы оптические щели 5. Питания лазера и фотодиода осуществлялось стабилизированными источниками питания 6. Показания фотодиода (в вольтах) регистрировались муль-тиметорм 7 (RIGOL DM3064). Для поддержания необходимой температуры оптическую ячейку помещают в термостат 8, в качестве которого служит массивный цилиндрический медный блок, через который покачивается теплоноситель из вспомогательного термостата.

Методика определения стабильности нанофлюидов включала несколько этапов. Вначале измерялся максимальный сигнал, получаемый от фотодиода -Umax (V), без установки образца 2. После чего устанавливался образец 2 и измерялся сигнал - Unano (V). С учетом возможных изменений характеристик ла-

г =

2

3

зера величиною характеризующей стабильность нанофлюида предлагается использовать отношение -

ига1ю~ипапо/итах.

Рис. 6. Схема экспериментальной установки для определения стабильности нанофлюидов: 1 — лазер;

2 — оптическая ячейка; 3 — фотодиод; 4 — трубка;

5 — оптические щели; 6 — стабилизированные источники питания; 7 — мультиметр

Для исключения влияния на измеряемые величины параметров источника света при определении концентрационной зависимости нанофлюидов величина и^ю, рассчитывалась как и^ю^папо/иьаве где величина иьазе определялась при прохождении света через оптическую ячейку содержащую чистую базовую жидкость (изопропанол). Результаты проведеных исследований стабильности нанофлюидов представлены на рис. 7 и 8.

0.8

о Об

0.4

0.2

> о<оо ООО ООО

ОИзопропатш/А1203 (0.05 ыасс.%)

20

40 60

Время, час

80

Рис. 7. Характеристика стабильности нанофлюида изопропанол/А1203 во времени (длина оптического пути ячейки I = 100 мм)

0.9

0.8

О

2 0.7

3

0.6

0.5

0.4

Q О

£ 11 --4 1

в І. с [ | 1 3

К 1 % f

4— ■ — !> г ¥ *

20

30

40

60

70

50 t. °С

О Изопропанол АО.036 ыасс.% А120; ^ 0.091 масс.0 :. АЬО^

□ 0.433 ыасс.% AI2O3 X 1.050 масс.% А1-0, + 4.212 ыасс.% А1г03

Рис. 8. Характеристики стабильности нанофлюида изопропанол/А1203 в зависимости от температуры (длина оптического пути ячейки I = 4,5 мм)

Как следует из информации, приведенной на рис. 7, нанофлюид изопропанол/А1203 остается стабильным в течении всего времени проведения исследований. Кроме того, проведенные исследования влияния температуры (до 70 °С) на величину iTratio (рис. 8) также свидетельствуют о стабильности рассматриваемых образцов нанофлюидов изопропанол/А1203, имеющих концентрацию до 4,2 масс. %. Этот вывод подтверждают приведенные на рис. 9 фотографии образцов, которые находились длительное время в термостате при температуре 75 °С.

100

б

Рис. 9. Образцы нанофлюида изопропанол/А1203 (х = 4,2 масс. %): а — сразу после приготовления;

б — после воздействия t = 75 °С в течение 100 часов

Исходя из полученных результатов, можно сделать по крайней мере два вывода. Во-первых, увеличение температур нанофлюидов, при которых проводились исследования коэффициента теплоотдачи, не могут рассматриваться причиной потери устойчивости нанофлюидов в процессе кипения.

Во вторых, исследования величины гидродинамического радиуса наночастиц и изучение характеристик стабильности наофлюидов - ига1;ю=ипапо/иьазе позволяет получить градуировочную зависимость массовой доли наночастиц от иггйю (рис. 10 и 11).

Рис. 10. Зависимость массовой доли наночастиц А1203 в изопропаноле от величины ига^о (длин оптического пути ячейки I = 10 мм)

а

Е

тельному изменению коэффициентов теплоотдачи, что свидетельствует о большем прикладном потенциале применения нанотехнологий в теплообменном оборудовании.

Однако для корректной интерпретации полученных результатов о влиянии наночастиц на свойства гетерогенных коллоидных систем и процессы теплообмена при их кипении необходим корректный учет изменения таких характеристик нанофлюида, как: концентрация и стабильность нанофлюидов, размер гидродинамического радиуса наночастиц.

Полученные в данной работе данные свидетельствуют об изменении гидродинамического радиуса частиц А1203 от 53 до 86 нм при повышении массовой доли наночастиц в изопропаноле от 0,036 до 4,2 масс. %.

Проведенные эксперименты по определению стабильности нанофлюида показывают, что система остается стабильной во всем интервале времени проведения эксперимента (100 часов), температур (20-70 °С) и массовых долей наночастиц (0,036-4,2 масс. %).

Одной из возможных причин нарушения стабильности нанофлюидов при кипении может являться разрушение гетерогенных мицелл на поверхности нагревателя. Поэтому при изучении процессов кипения нанофлюидов в свободном объеме и корректной интерпретации полученных данных необходимо учитывать изменение стабильности и концентрации объектов исследования, а так же изменение свойств теплопередающей поверхности при оседании на ней материала наночастиц.

Литература

1. Duncan, A. B. Review of Microscale Heat Transfer [Text] /A. B. Duncan, G. P. Peterson // Appl Mech Rev. - 1994 - Vol. 47(9). -P. 397-428.

2. Majumdar, A. Microscale energy transport in solids. In “Microscale Energy Transport” [Text] / C. L. Tien, A. Majumdar, F. Gern-

er, eds. - Taylor & Francis. - Washington, DC, USA, 1998. - 94 p.

3. Naphon, P. Experimental investigation of titanium nanofluids on the heat pipe thermal efficiency [Text] / P. Naphon, P. Assadamon-gkol, T. Bororak // Int Commun Heat Mass Transfer. - 2008. - Vol. 35. - P. 1316-1319.

4. Huminic, G. Heat transfer characteristics of a two-phase closed thermosyphons using nanolfuids [Text] / G. Huminic, A. Humin-ic // Exp Thermal Fluid Sci. - 2011. - Vol. 35. - P. 550-557.

5. Nikitin, D. Surface tension, viscosity, and thermal conductivity of nanolubricants and vapor pressure of refrigerant/nanolubricant mixtures [Text] / D. Nikitin, V. Zhelezny, V. Grusko, D. Ivchenko // Estern-European Journal of Enterprise Technologies. - 2012. -Vol. 5, № 5 (59). - P. 12-17.

6. Pak, B. Hydrodynamic and heat transfer study ofdispersed fluidswith submicron metallic oxideparticles [Text]/ B. Pak, Y. Cho // Exp Heat Transf. - 1998. - Vol. 11(2). - P. 151-170.

7. Wen, D. Formulation of nanofluids for natural convective heat transfer applications [Text] / D. Wen, Y. Ding // Int J of Heat and Fluid Flow. - 2005. - Vol. 26(8). - P. 55-64.

8. Trisaksri, V. Nucleate pool boiling heat transfer of TiO2-R141b nanofluids [Text] / V. Trisaksri, S. Wongwises // Int J Heat Mass Transf. - 2009. - Vol. 52. - P. 1582-1588.

9. Yang, C. Y. Effect of nano-particles for pool boiling heat transfer of refrigerant R141b on horizontal tubes [Text] / C. Y. Yang, D.W. Liu // Int J Microscale Nanoscale Thermal Fluid Transport Phenomena. - 2010. - Vol. 1 (3). - P. 233-243.

10. You, S. M. Effect of nanoparticles on critical heat flux of water in pool-boiling heat transfer [Text] / S. M. You, J. H. Kim, K. H. Kim // Appl Phys Lett. -2003. - Vol. 83. - P. 3374-3376.

11. Kwark, S. M. Pool boiling characteristics of low concentration nanofluids [Text] / S. M. Kwark, R. Kumar, G. Moreno // Int J Heat Mass Transf. - 2010. - Vol. 53. - P. 972-981.

12. Choi, C. Preparation and heat transfer properties of nanoparticle-in-transformer oil dispersions as advanced energy-efficient coolants [Text] / C. Choi, H. S. Yoo, J. M. Oh // Current Appl Phys. - 2008. - Vol. 8. - P. 710-712.

13. Никулин, А. Г. Экспериментальная установка для исследования процессов кипения чистых жидкостей и растворов в свободном объеме [Текст] / А. Г. Никулин, Ю. В. Семенюк, Н. Н. Лукьянов // Холодильная техника и технология. - 2013. -T. 4 (144). - С. 12-18.

''V

\

''-„О

&

0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1

£/гайо

Рис. 11. Зависимость массовой доли наночастиц А1203 в изопропаноле от величины ига^о (длина оптического пути ячейки I = 4,5 мм)

Наличие таких градуировочных зависимостей значительно облегчит процедуру анализа получаемых экспериментальных данных при исследовании теплофизических свойств нанофлюидов, а также интерпретацию полученных данных при исследовании процессов теплообмена.

5. Выводы

Представленные результаты исследования процессов кипения нанофлюидов показывают, что примеси наночастиц в базовой жидкости приводят к значи-

3

14. Kedzierski, M. A. Effect of CuO nanolubricant on R134a pool boiling heat transfer [Text] / M. A. Kedzierski, M. Gong // Int J Refrig. - 2009. - Vol. 32. - P. 791-799.

15. Utomo, Adi T. Experimental and theoretical studies of thermal conductivity, viscosity and heat transfer coefficient of titania and alumina nanofluids [Text] / T. Utomo Adi, H. Poth, Phillip T. Robbins, Andrzej W. Pacek // Int J Heat Mass Transf. - 2012. -Vol. 55. - P. 7772-7781.

16. Ахманов, С. А. Введение в статистическую радиофизику и оптику [Текст] / С. А. Ахманов, Ю. Е. Дьяков, А. С. Чиркин. - М.: Наука, 1981. - 640 с.

17. Cummins, H. Z. Photon correlation and light beating spectroscopy [Text] / H. Z. Cummins, E. R. Pike. - England: Great Malvern, Royal Radar Establishment, 1974. - 583 p.

18. Заремба, В. Г. Визначення моментів старших кореляційних функцій електромагнітних полів при одноточковій реєстрації [Текст] / В. Г. Заремба, Г. І. Салістра, В. Я. Гоцульський, В. Е. Чечко // УФЖ. - 1995. - Т. 40(6). - С. 638-639.

------------------------□ □----------------------------

Приводяться експериментальні дані по коефіцієнтам тепловіддачі в зоні випаровування закритих двофазних термосифонів з внутрішніми діаметрами 5 мм и 9 мм, довжиною 700 мм. В якості теплоносіїв використовувалися вода і етанол. Отримана емпірична залежність інтенсивності тепловіддачі в зоні випаровування термосифона від густини теплового потоку при зміненні кута нахилу. Показано вплив типу теплоносія, а також геометричних и режимних параметрів на теплопередаючі характеристики термосифонів

Ключеві слова: термосифон, зона випаровування,зо-на конденсації, тепловий потік, теплоносій, коефіцієнт тепловіддачі, кут нахилу, ступінь заповнення

□-----------------------------------------------□

Приводятся экспериментальные данные по коэффициентам теплоотдачи в зоне испарения закрытых двухфазных термосифонов с внутренними диаметрами 5 мм и 9 мм, длиной 700 мм. В качестве теплоносителей использовались вода и этанол. Получена эмпирическая зависимость интенсивности теплоотдачи в зоне испарения термосифона от плотности теплового потока при изменении угла наклона. Показано влияние типа теплоносителя, а также геометрических и режимных параметров на теплопередающие характеристики термосифонов

Ключевые слова: термосифон, зона испарения, зона конденсации, тепловой поток, теплоноситель, коэффициент теплоотдачи, угол наклона, степень заполнения ------------------------□ □----------------------------

УДК 621.565.83

ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕПЛООТДАЧИ В ЗОНЕ ИСПАРЕНИЯ ДВУХФАЗНЫХ ТЕРМОСИФОНОВ

В. Ю. Кравец

Кандидат технических наук, доцент* E-mail: [email protected]

В. И. Коньшин

Кандидат технических наук, доцент* E-mail: [email protected] Н. С. Ванеева*

Кафедра атомных электрических станций и инженерной теплофизики Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» пр. Победы, 37, г. Киев, Украина, 03056 E-mail: [email protected]

1. Введение

Системы охлаждения на основе испарительно-конденсационного цикла нашли широкое применение в различных устройствах теплообменного оборудования. Основным преимуществом их является обеспечение высокой интенсивности теплоотдачи в областях подвода и отвода тепловой энергии. Этого добиваются путем изменения агрегатного состояния вещества (теплоносителя), находящегося внутри замкнутого объема. В зоне подвода теплоты это процесс генерации паровой фазы (кипение), а в зоне отвода теплоты - обратный процесс (конденсация). Существенным также является возврат конденсата в зону подвода теплоты, что возможно осуществить различными способами (силы гравитации, капиллярные силы, механический перенос и др.).

Одними из эффективных элементов систем ох ла ж-дения, использующих принцип испарительно-кон-

денсационного цикла, в настоящее время являются замкнутые двухфазные термосифоны различных конструкций [1-3]. Возврат конденсата в них в основном обеспечивается за счет сил гравитации, поэтому основное применение они нашли при работе в вертикальном положении или под некоторым углом к горизонту. Преимущества их по сравнению с другими видами элементов систем охлаждения заключаются в высоких теплопередающих способностях и в простоте изготовления. Однако на теплопередающие характеристики термосифонов влияет большое количество факторов. Это, прежде всего, количество заправленного теплоносителя и его теплофизические свойства, общая длина, внутренний диаметр, длины зон нагрева (испарения) и конденсации и условия охлаждения зоны конденсации. Также в термосифонах без вставок (ординарные термосифоны) процесс транспорта теплоты сопровождается периодическими выбросами теплоносителя

!§