КАПИЛЛЯРНАЯ ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛОМАССООБМЕН ПРИ КИПЕНИИ, ИСПАРЕНИИ И КОНДЕНСАЦИИ В МИКРОКАНАЛАХ

Кузнецов В.В.

Институт Теплофизики СО РАН, г. Новосибирск, Россия

Современные компактные теплообменные устройства характеризуются развитой поверхностью теплообмена и высокой плотностью теплового потока. Фазовые переходы в таких устройствах происходят в стеснённых условиях, и интенсивность тепломассообмена в значительной степени определяется капиллярными силами. Они деформируют межфазную поверхность и могут приводить как к интенсификации, так и к деградации теплообмена. В данной работе теоретически и экспериментально рассмотрена природа кипения, испарения и конденсации в прямоугольных и кольцевых микроканалах, а также в засыпке микрошаров, созданы методы расчёта двухфазных течений и теплообмена в стеснённых условиях и пакеты программ реализующие эти методы.

Теплообмен при кипении, испарении и конденсации фреона R21 в вертикально расположенной системе прямоугольных микроканалов, имеющих зазор меньше капиллярной постоянной, исследован экспериментально в условиях наведённого всплывающими паровыми пузырями конвективного течения, а также при спутном парожидкостном течении. Обсуждены режимы течения в стеснённых условиях, в том числе полученная с использованием техники лазерного ножа гантелеобразная форма межфазной поверхности, построены карты режимов опускного и восходящего потоков. Приведены значения коэффициентов теплообмена при кипении, испарении и конденсации, как для опускного, так и восходящего парожидкостного потоков, обсуждены методы интенсификации теплообмена в стеснённых условиях. С использованием тепловизионной диагностики и многоточечных термопарных измерений проведено исследование теплообмена вблизи контактной линии жидкость-пар-стенка реализованной при испарении ривулета, стекающего по нагретой стенке. Построена теория кольцевого парожидкостного потока в прямоугольном канале с острыми и закруглёнными углами, основанная на выделении двух зон течения (течения в углу канала, ограниченного межфазным мениском, и плёночного течения на стенках канала) и сшивки решений в этих зонах с учётом условий сопряжения, разработаны методы расчёта теплообмена при испарении и конденсации. Показано, что в таких каналах капиллярные силы стягивают жидкость в углы канала, что значительно уменьшает толщину плёнки жидкости на стенке и увеличивает коэффициенты теплоотдачи. Выделены режимы теплообмена с образованием сухих пятен на стенках канала и аномально высокими значениями коэффициентов теплоотдачи в окрестности контактной линии. На основе данных по структуре течения с выделением газового ядра и жидких перемычек построена модель двухфазного течения в кольцевом щелевом канале. Разработанные методы расчёта гидродинамики и теплопереноса в микроканалах реализованы в виде программного продукта, позволяющего получать полную информацию о двухфазном потоке, включая форму межфазной поверхности, локальный тепловой поток, поле скорости и температуры, другие параметры течения и теплообмена.

Рассмотрен теплообмен при кипении фреона R318C в узком кольцевом зазоре в условиях вынужденного течения и постоянного теплового потока на внутренней обогреваемой стенке. Приведена визуализация режимов течения при кипении в узком зазоре, выделены температурные напоры, при которых кипение возникает в жидких перемычках, разделяющих паровые пузыри. Измерены локальные коэффициенты теплоотдачи и критические тепловые потоки, определены режимы течения как для недогретого, так и развитого кипения. Выделены режимы с кипением жидкости в плёнке и подавлением кипения при кольцевом режиме течения. Результаты экспериментов обобщены в критериальном виде с использованием фактора подавления кипения в стеснённых условиях. Показана возможность полного бескризисного испарения жидкости в каналах малого размера. Рассмотрен теплообмен при кипении на поверхности нагревателя, погружённого в засыпку шаров малого размера. Обсуждён механизм кипения в пристенном слое, приведены значения коэффициентов теплообмена и критических тепловых потоков.