Теплофизические исследования фазовых переходов при вынужденной конвекции в микротеплообменнике Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 536.248.2

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ПРИ ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ В МИКРОТЕПЛООБМЕННИКЕ

Алишер Сезгирович Шамирзаев

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)316-5731, e-mail: [email protected]

Владимир Васильевич Кузнецов

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, зав. отделом, тел. (383)330-71-21, e-mail: [email protected]

Приведены результаты экспериментального исследования теплообмена при кипении и конденсации хладона R-21 в условиях восходящего течения при малых массовых скоростях и тепловых потоках в вертикальном микротеплообменнике, образованном системой миника-налов. С использованием многоточечных измерений температуры стенки и измерений локального теплового потока проведен сравнительный анализ теплоотдачи при кипении и конденсации в идентичных условиях, и выявлены условия образования крупномасштабных структур, снижающих эффективность теплообмена при восходящей конденсации.

Ключевые слова: теплообмен, микротеплообменник, миниканал, кипение, конденсация, хладон R-21.

THERMOPHYSICAL STUDY OF PHASE CHANGE DURING FORCED CONVECTION IN MICRO HEAT EXCHANGER

Alisher S. Shamirzaev

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, Ph. D., Senior researcher, tel. (383)316-57-31, e-mail: [email protected]

Vladimir V. Kuznetsov

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 17 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., Head Laboratory of multiphase systems, tel. (383)330-71-21, e-mail: [email protected]

The results of experimental study of the heat transfer with boiling and condensing of refrigerant R-21 under the upward flow at low mass flux and heat flux in the vertical micro heat exchanger with minichannels were presented. Using multipoint wall temperature and local heat flux measurements the comparative analysis of the heat transfer with boiling and condensation was done in identified conditions and the circumstances of large-scale structures formation which reduce the heat transfer efficiency during upward condensing were obtained.

Key words: heat transfer, micro heat exchanger, minichannel, boiling, condensation, refrigerant R-21.

В связи с быстрым ростом приложений, которые требуют передачи больших тепловых потоков в ограниченном пространстве, все большее внимание

уделяется теплофизическим исследованиям, направленным на разработку микротеплообменников для систем охлаждения микропроцессорной техники, лазерных зеркал, энергетического и криогенного оборудования. Типичные размеры каналов микротеплообменных систем лежат в диапазоне от 10 микрометров до 1000 микрометров, что значительно меньше размеров обычных каналов, и в них возникает широкий спектр явлений, которые не типичны на большом масштабе и слабо изучены [1]. Одним из эффективных способов изготовления микротеплообменников с миниканалами (каналами меньше капиллярной постоянной) является вакуумная или химическая пайка формованных пластин, что позволяет достигать высокую удельную поверхность межреберного пространства и тепловую производительность при малом температурном напоре. Механизмы теплообмена при кипении и конденсации в миниканалах и микроканалах рассмотрены в [2-4]. В этих работах показана как высокая эффективность таких каналов в микротеплообменных системах, так и отсутствие достоверных методов расчета теплообмена. Целью данной работы является сравнительный анализ теплоотдачи при кипении и конденсации хладона R-21 в элементе пластинчато-ребристого микротеплообменника в условиях восходящего течения при малой массовой скорости и тепловом потоке, которые являются типичными для многих практических приложений, но слабо изучены.

Исследование теплообмена при кипении и конденсации хладона Я-21 в условиях восходящего течения проведено в диапазоне массовой скорости от 20 до

л

50 кг/м с с использованием теплообменного участка, показанного на рис. 1 (а). При проведении экспериментов был использован вертикальный микротеплообменник прямоугольного сечения размером 6.7х70х279 мм с нижней подачей фреона. Конструкция входного коллектора обеспечивала равномерное распределение жидкости и пара на входе в участок, который изготовлен химической пайкой формованной алюминиевой пластины со стенкой теплообменника толщиной 3 мм и имел плотность ребер 800 ребер на метр. Охлажденный хладон Я-21 из конденсатора подавался центробежным насосом в предварительный парогенератор, который использован для получения начального паросодержания на входе в рабочий участок. На выходе рабочего участка расположен доиспари-тель жидкости, который обеспечивал подавление пульсаций давления в линии, соединяющей рабочий участок с конденсатором.

Коэффициент теплоотдачи И вычисляется с учетом тепловой эффективности поверхности теплообмена = 1 -(лх!А0)(1 ) и термического сопротивления в стенке теплообменника следующим образом:

<2/т = АоЛоИ(Тм> - ) . (1)

Здесь 0г есть количество тепла, подведенное к стенке теплообменника, есть эффективность ребра, А1 и А0 - поверхность ребра и полная внутренняя поверхность теплообменника. Температура стенки Tw определена как средняя температура на внутренней поверхности теплообменника, определённая по из-

мерениям внешней поверхности с учетом градиента температуры стенки и TSat есть температура насыщения. Для измерения температуры внешней поверхности теплообменника на его поверхности в канавках зачеканены 12 термопар; 6 на одной стороне и 6 на другой стороне участка. В боковой стенке теплообменника просверлены три отверстия для измерения статического давления (в центре рабочего участка) и перепада давления. Десять термоэлектрических модулей Пельтье и две выравнивающие температуру медные пластины используются для нагревания или охлаждения теплообменного участка, рис. 1 (а). Внешние водные теплообменники, соединенные с модулями Пельтье термопастой КПТ-8, осуществляют снятие тепла с элементов Пельтье для поддержания постоянной разности температур между холодной и горячей сторонами элементов Пельтье. Среднеквадратичное отклонение средней температуры стенки для всех термопар не превышало 0.05 oC.

На рис. 1 (б) приведена карта режимов течения, полученная с использованием скоростной видеосъемки для формованной алюминиевой пластины, зажатой между двумя стеклянными пластинами. Высота ребра формованной пластины равна 7 мм, плотность ребер равна 315 ребер на метр, толщина ребра -0,5 мм. На карте режимов выделены следующие области: I - переходное течение с жидкими пробками; II - чередующееся переходное и кольцевое течение с волнами; III - кольцевое течение с волнами; IV - кольцевое течение без волн. Линии на этом рисунке показывают изменение приведенных скоростей жидкости и пара при изменении паросодержания для массовой скорости G=30 кг/м2с и G=50 кг/м2с.

а) б)

Рис. 1. Схемы рабочих участков:

а) микротеплообменный участок, б) карта режимов течения для давления 2 бар

На рис. 2 приведена зависимость коэффициента теплоотдачи при кипении и конденсации от среднего массового паросодержания в теплообменнике с

гладкими ребрами. Данные для кипения получены при давлении 1.8 бар в диапазоне тепловых потоков от 1380 Вт/м2 до 1860 Вт/м2. Данные для конденсации получены при давлении 1.8 бар в диапазоне тепловых потоков от 700 Вт/м2 до 3300 Вт/м2. Измеренные температурные напоры на стенке теплообменника в опытах изменялись от 0.9 оС до 3 оС. Данные рис. 2 показывают, что коэффициент теплоотдачи при кипении практически не изменяется при изменении массового паросодержания от 0.1 до 0.9, а при больших его значениях начинает уменьшаться, что показывает ухудшение теплообмена вблизи полного испарения жидкости. Из рис. 2 следует, что изменение теплового потока для кипения от 1380 Вт/м2 до 1860 Вт/м2 не оказывает заметного влияния на величину коэффициента теплоотдачи и пузырьковое кипение не является преобладающим механизмом теплообмена в рассмотренных условиях. В этих условиях, наиболее вероятным механизмом теплообмена является испарение тонкой искривленной капиллярными силами пленки жидкости, что было показано ранее в [1] для опускного парожидкостного течения в пластинчато-ребристом теплообменнике.

Рис. 2. Коэффициент теплопередачи при кипении и конденсации в зависимости

2

от приведенной скорости пара для массового расхода 50 кг/м с

Используя карту режимов течения рис. 1 (б) получим, что переход к кольцевому режиму течения наблюдается при массовой скорости, превышающей 4 м/с. Как видно на рис. 2, коэффициенты теплоотдачи при конденсации существенно меньше, чем коэффициенты теплоотдачи при кипении, полученные в тех же условиях в снарядном и эмульсионном режиме течения. Это показывает существенное отличие механизма теплообмена при испарении и конденсации в этих режимах, связанное с тем, что преимущественным механизмом теплообмена, как при испарении, так и для конденсации, является перенос тепла через

тонкую пленку жидкости, толщина которой определяется стягиванием жидкости капиллярными силами в углы канала. При конденсации наибольший поток конденсата соответствует области сверхтонкой пленки жидкости, что выравнивает поверхность жидкости. В противоположность этому, скорость испарения максимальна в области сверхтонкой пленки и вызывает ее разрыв с образованием устойчивой контактной линии смачивания жидкость-пар-стенка, в окрестности которой локальный коэффициент теплоотдачи имеет максимальное значение [1]. В области кольцевого течения коэффициенты теплоотдачи, как для конденсации, так и для испарения отличаются мало до момента начала прогрессирующего ухудшения теплообмена.

На рис. 3 приведена зависимость коэффициента теплопередачи от массового паросодержания при конденсации для массовой скорости 20, 30 и 50 кг/м2с. Как видно, коэффициент теплоотдачи при массовой скорости больше 30 кг/м2с не зависит от массовой скорости, а при меньшей скорости возникают крупномасштабные структуры в микротеплообменнике, вызванные, по-видимому, стеканием конденсата под действием силы тяжести, что уменьшает величину коэффициента теплоотдачи.

Рис. 3. Коэффициент теплопередачи при конденсации в зависимости

Л

от массового паросодержания для массовой скорости 20, 30 и 50 кг/м с

Полученные данные устанавливают механизм теплообмена при кипении и конденсации в вертикальном микротеплообменнике и определяют величину массовой скорости, при которой возникают крупномасштабные структуры, снижающие эффективность процессов теплообмена.

Работа выполнена в ИТ СО РАН за счет гранта Российского научного фонда (проект РНФ № 14-49-00010).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Kuznetsov V.V. Heat and Mass Transfer with Phase Change and Chemical Reactions in Microscale // Proc. 14 Int. Heat Transfer Conf. Washington: ASME. - 2010. - Keynote 22570.

2. Robertson, J.M., Lovergrove, P.C. Boiling Heat Transfer with Freon 11 in Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchangers // J. of Heat Transfer. - 1983. - V. 105(3). - P. 605 - 610.

3. Thome, J.R. State-of-the-Art Overview of Boiling and Two-Phase Flows in Microchannels // Heat Transfer Eng. - 2006. - V. 27, No. 9. - P. 4 - 19.

4. Kandlikar S.G. Similarities and Differences Between Flow Boiling in Microchannels and Pool Boiling // Heat Transfer Eng. - 2010. - V. 31, No. 3. - P. 159 - 167.

© А. С. Шамирзаев, В. В. Кузнецов, 2016