Экспериментальное исследование теплообмена при кипении на структурированных поверхностях

Проект основан на следующих основных составляющих: во-первых экспериментальное обоснование применения отработанных методов интенсификации двухфазного теплообмена на моделях реальных теплообменных устройств при модификации как внешней, так и внутренней поверхности теплообменных каналов, а во-вторых экспериментальной проверке возможности интенсификации теплообмена и КТП при кипении на поверхностях с различной теплопроводностью и поверхностях со столбчатой структурой неровностей, обеспечивающих по литературным данным значительное увеличение коэффициентов теплоотдачи и КТП. Будут изготовлены модели теплообменников, использующих фреоны и диэлектрические рабочие жидкости (теплообменники, применяемые в тепловых насосах и органическом цикле Ренкина, устройства охлаждения электроники; как плоские, так и трубчатые поверхности теплообмена) на которых и будет проведены систематизированные экспериментальные исследования теплообмена при фазовых переходах. Параметры потоков теплоносителя будут соответствовать испарительным режимам и режимам с развитым кипением (диапазон приведенного давления по отношению к критическому (0,2–0,7), относительная энтальпия на входе от -0,25 до 0,5, массовая скорость 500-5000 кг/м2с). Задачей исследований является получение экспериментальных данных о теплообмене и КТП, экспериментальное обоснование интенсификации теплообмена и КТП, построение методов расчета теплообменных устройств с модифицированной теплообменной поверхностью. Второе направление исследований связано с экспериментальным обоснованием возможности интенсификации теплообмена на поверхностях с модулированной теплопроводностью. Подобная модификации поверхностей предложена в работе [Mahamudur Rahman, Jordan Pollack & Matthew McCarthy, Increasing Boiling Heat Transfer using Low Conductivity Materials, Scientific Reports, 2015] и осталось практически незамеченным аудиторией (на настоящий момент вышло насколько статей других авторов из Китая, повторяющих и развивающих эти исследования) на фоне многообразия высокотехнологичных методов модификации (фемтосекундное лазерное излучение, аддитивные технологии, плазменное воздействие, фотолитография и пр.). Результаты по интенсификации, полученные в этой работе, соответствуют лучшим мировым достижениям (увеличение коэффициента теплоотдачи до 4 раз, КТП до 2 раз), и получены простой модификацией поверхности: в медном образце сделаны регулярные углубления в виде канавок (глубиной 0,3 мм и шириной 0,4 мм, и шагом 1-3,7 мм), заполненных эпоксидной смолой. Теплопроводность смолы и меди соответственно 1 и 400 Вт/мК, что по мнению авторов, обеспечивало распределение температуры поверхности таким образом, что кипение преимущественно происходило по центру медных полос, над которыми и поднимался пар, тогда как приток жидкости к поверхности происходил над канавкой с эпоксидной смолой. Такая "регуляризация" процесса кипения, разделение путей отвода пара от поверхности и притока жидкости обеспечивала колоссальную интенсификацию теплообмена и КТП. В настоящем проекте предлагается развить данный метод интенсификации с использованием сочетания на медной поверхности регулярных зон с нержавеющей сталью. Биметаллические поверхности будут изготовлены как простыми средствами механической обработки, так и с применением аддитивных технологий. Поверхности будут использоваться на имеющемся экспериментальном стенде (диаметр образцов 30 мм, толщина 2-3 мм, будет создано до 10 поверхностей с разным шагом, шириной и глубиной низко теплопроводных вставок). Стенд позволяет выполнять исследования теплообмена при кипении в большом объеме. Задачами исследований являются: - получение кривых кипения и КТП биметаллических образцах, сопоставление данных с немодифицированными поверхностями, экспериментальное обоснование интенсификации теплообмена и КТП в зависимости от параметров вставок. Исследования впервые будут выполнены на биметалических образцах, что позволит исключить возможное влияние разной смачиваемости зон из смолы и металла. В качестве рабочих жидкостей впервые будут использованы фреоны и диэлектрическая жидкость Novec 7100 и также впервые данные будут получены в широком диапазоне приведенных давлений (0,03 – 0,3). - выполнение численного моделирования распределения температуры по поверхности и сечению биметаллических образцов на основе решения задачи теплопроводности. Полученное распределение температуры, при условии соответствия граничных условий экспериментально определенным значениям, позволит установить причины возможной интенсификации теплообмена и КТП. Значительным преимуществом биметаллических поверхностей является возможность их применения для водного теплоносителя (интенсификация теплообмена и КТП не прекратится при "зарастании" поверхности отложениями, в отличие от других методов модификации), а значит возможно применение данного метода в традиционной энергетике, что, особенно с развитием аддитивных технологий, открывает серьезные возможности энерго и ресурсосбережения. Еще одним направлением, расширяющим ранее выполненные исследования, является отработка технологий создания металлических поверхностей с регулярной столбчатой структурой. Целью является определение наилучших геометрических и морфологических параметров структурированной поверхности обеспечивающие максимальную интенсивность теплоотдачи при кипении жидкости в большом объеме. Результаты этих исследований будут использоваться для проектирования и создания прототипов контурных термосифонов с оптимизированными конструкциями, обеспечивающие максимальный отвод тепловой мощности для различных устройств силовой и микроэлектроники. Рабочие участки столбчатого типа, а также испарительные секции будут изготовлены с применением аддитивного производства (3Д печать) и электроэрозионного метода. Задачами направления является: -получение кривых кипения и КТП на структурированных поверхностях столбчатого типа в условиях кипения в большом объеме, сопоставление с данными, полученными на гладких поверхностях; - отработка технологии изготовления контурных термосифонов с развитой внутренней микро-структурированной поверхностью в испарителе с использованием 3Д печати и электроэрозионного метода; -определение теплопередающих характеристик контурных термосифонов в широком диапазоне режимных параметров; - анализ применимости аддитивных технологий и других передовых технологий позволяющие повысить эффективность двухфазных теплопередающих устройств, таких как контурные термосифоны.