Интенсификация теплообмена при кипении в тонких горизонтальных слоях жидкости на капиллярно-пористых покрытиях

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию теплообмена и критического теплового потока при испарении и кипении на микроструктурированных капиллярно-пористых покрытиях в широких диапазонах изменения высоты горизонтального слоя жидкости и давления. В работе применялись покрытия, полученные по технологии 3D–печати методом селективного лазерного плавления/спекания (SLM/SLS). Материалы покрытий, нержавеющая сталь и бронза, значительно различаются по теплопроводности. Покрытия из бронзы различаются длиной волны модуляции профиля. По итогам диссертационной работы получены следующие основные результаты: 1. В данной работе впервые представлены результаты исследования теплообмена при испарении и кипении в тонких горизонтальных слоях жидкости на микроструктурированных капиллярно-пористых покрытиях с разными геометрическими характеристиками и теплопроводностью при различных приведенных давлениях. Установлено, что во всем диапазоне исследованных давлений переход режимов теплообмена от кипения в тонких слоях жидкости к кипению в большом объеме по значениям коэффициентов теплоотдачи (КТО) и критических тепловых потоков (КТП) происходит при высоте слоя более двух капиллярных постоянных. 2. Экспериментально показано влияние геометрических характеристик микроструктурированных капиллярно-пористых покрытий на теплообмен. На покрытии с длиной волны модуляции равной капиллярной постоянной для рабочей жидкости достигались более высокие значения КТО и КТП, чем на покрытии с длиной волны модуляции, равной двум капиллярным постоянным. 3. Показано влияние теплопроводности материала капиллярно-пористых покрытий на теплообмен при испарении и кипении в тонких слоях жидкости. Установлено, что на покрытиях из бронзы происходит активация крупных пор, а на менее теплопроводном покрытии из нержавеющей стали активируются также поры и меньшего размера. Благодаря активации пор меньшего размера при большем температурном градиенте от основания до вершины покрытия на образце из нержавеющей стали наблюдалась инверсия кривой кипения, которая приводила к наибольшей интенсификации теплообмена (до 5 раз по сравнению с гладкой поверхностью). 4. Экспериментально установлено, что инверсия кривой кипения на приработанном капиллярно-пористом покрытии из нержавеющей стали начиналась при меньшей в 7 раз плотности теплового потока. При отсутствии пузырькового кипения в области очень низких приведенных давлений 10^(-5) значения КТО на покрытии из нержавеющей стали до и после приработки не отличались. 5. В области низких приведенных давлений в слоях высотой 2.5, 4 и 10 мм понижение давления приводило к увеличению интенсивности капельного уноса и уменьшению значений КТО при кипении на всех капиллярно-пористых покрытиях. В слоях 1.4 мм и 1.7 мм режим конвекции сменялся выбросом жидкости и переходом к кризису осушения поверхности. Установлено, что при очень низких приведенных давлениях из-за отсутствия пузырькового кипения на всех капиллярно-пористых покрытиях наблюдались меньшие значения КТО, чем на гладкой поверхности. 6. Показано, что на капиллярно-пористом покрытии из бронзы с длиной волны модуляции равной капиллярной постоянной в слое жидкости 10 мм достигались наибольшие значения КТП во всем диапазоне приведенных давлений (увеличение достигает до 70% по сравнению с гладкой поверхностью). Значения КТП, полученные в слоях жидкости 4 мм и 10 мм в области низких приведенных давлений на всех капиллярно-пористых покрытиях, превышали предсказания большинства расчетных моделей, прогнозирующих КТП для условий большого объема жидкости.