Интенсификация процессов теплообмена при кипении жидкостей на капиллярно-пористых структурах



Ключевые слова: тепловой поток, поверхность, гладкая труба, потенциальный центр парообразования, коэффициент теплоотдачи, покрытие.

Процессы теплообмена при кипении являются довольно интенсивными и широко применяются в различных энергетических установках и теплообменных аппаратах (испарителях, парогенераторах), которые используются в энергетике, химической промышленности, холодильной технике, электронике и т. д.

Одним из способов сокращения потерь от внешней необратимости тепловых процессов в тепломассообменных аппаратах является снижение температурных напоров между средами. В тоже время низкие температурные напоры приводят к снижению плотности передаваемого теплового потока, а, следовательно — к увеличению габаритно-весовых параметров аппаратов.

Например, в ряде отраслей техники режимы работы испарителей характеризуются чрезвычайно низкими температурными напорами и соответственно очень малыми плотностями теплового потока.

В испарителях, работающих в составе холодильных машин, повышение температурного напора связано с ухудшением энергетических показателей холодильной установки в целом. Например, в установках каскадного типа снижение перепада температур с 5–7 до 2–3С приводит к уменьшению энергозатрат при той же поверхности теплообмена на 10–15 % [1].

Однако при таких низких температурных напорах тепловой поток к хладагенту передается в условиях неразвитого кипения, поэтому коэффициент теплоотдачи маленький. Это приводит как было сказано ранее к очень большим габаритам теплообменных аппаратов и к неудовлетворительным их весовым характеристикам. Обычно масса кожухотрубных фреоновых испарителей обычно составляет 30–40 % массы металла всей холодильной машины. Стремление уменьшить габариты испарителей, снизить расход металла (особенно дорогостоящих цветных металлов) на их изготовление заставило искать возможности интенсификации теплообмена при кипении и способы достижения устойчивого развитого кипения при весьма малых температурных напорах.

Исследования многих авторов показали, что эффективным и надежным способом интенсификации теплообмена при кипении является нанесение на парогенерирующие поверхности различных типов пористых покрытий. Данный подход позволяет организовать подвод жидкости к поверхности теплообмена рациональным образом, а также обеспечить равномерное распределение температур, благодаря чему в несколько раз повышается интенсивность теплоотдачи при парообразовании.

При этом увеличиваются коэффициенты теплоотдачи при пузырьковом кипении в 5–10 раз и критические плотности теплового потока в 2–4 раза по сравнению с гладкими поверхностями, стабилизируется теплообмен при давлениях ниже атмосферного.

В настоящее время применяются различные методы нанесения пористых покрытий на теплоотдающие поверхности, например, метод порошковой металлургии. При таком подходе, путем спекания металлических порошков из сферических частиц можно получить изделия с заданной пористостью, необходимыми механическими и теплофизическими свойствами.

Наиболее широкое применение нашли:

1) покрытия с неупорядоченными структурами — слои спеченных металлических порошков (покрытия типа High Flux), покрытия, получаемые методами электродугового и плазменного напыления и т. д.

2) покрытия с упорядоченными структурами: двумерные мелкомасштабные оребрения, образованные накаткой или проточкой с последующим отгибом вершин ребер для образования пор резервуарного типа с суженными выходными отверстиями (покрытия типа Thermoexel-E, Т — образные оребрения типа покрытия Gewa–T).

Способ нанесения, а также форма и размеры структуры покрытия влияют на закономерности и интенсивность процесса кипения.

Покрытие High Flux состояло из 46 медных частиц размером менее 44 мкм, остальные  от 44 до 74 мкм. Такая поверхность содержит большое количество потенциальных центров парообразования, образованных сетью каналов, которые случайным образом пронизывают пористый слой.

Thermoexcel-E представляет собой группу винтовых каналов с малым шагом, изготовленных путем токарной обработки, непосредственно под верхним слоем поверхности. На поверхности выполнены отверстия треугольной формы для выхода пара. Потенциальными центрами парообразования служат углубления диаметром  0,1 мм. Толщина покрытия   0,19 мм.

Структура Gewa-T состоит из ряда спиральных каналов, образованных низкими ребрами (шаг 1,35 мм). Для повышения интенсивности кипения вершины ребер частично сплющены и имеют Т-образное поперечное сечение. Зазор между ребрами (0,18 мм) существенно превышал размеры пор на других развитых поверхностях, что должно способствовать более легкому заполнению каналов жидкостью.

Рассмотрим результаты опытов по кипению фреона-113 на данных пористых покрытиях.

Рис. 1. Результаты опытов кипения фреона-113 на различных интенсифицированных поверхностях. (Температура насыщения Т_н = 321К): 1 — гладкая труба; 2 — напыленное покрытие; 3 — Thermoexel–E; 4 — Gewa–T; 5 — High Flux; 6 — спеченное покрытие

При кипении фреона-113 в режиме развитого кипения наилучшие результаты были достигнуты на поверхности High Flux. При низких плотностях теплового потока (q  4 кВт/м²) коэффициенты теплоотдачи  на этой поверхности были почти в 10 раз выше, чем на гладкой трубе. При увеличении q до 100 кВт/м² это превышение уменьшалось до трехкратного. Thermoexcel-E при низких тепловых потоках характеризуется аналогичным увеличением коэффициента , но с ростом q это увеличение убывает быстрее.

Поверхность Gewa-T при низких тепловых потоках обеспечивает увеличение теплоотдачи всего в 2,5 раза (очевидно, в этих условиях крупные каналы придают ей качества оребренной трубы, а не поверхности с большим количеством потенциальных центров парообразования). Однако в отличие от других рассмотренных поверхностей с увеличением теплового потока эффективность данной структуры даже возрастает, и при 100 кВт/м² коэффициент  в 3 раза выше, чем на гладкой поверхности. При высоких значениях q относительно большие, по сравнению с другими поверхностями, расстояния между каналами играют положительную роль, отделяя струи паровых пузырей. В результате соседние струи не сливаются так легко и не экранируют поверхность, как это имеет место на других типах поверхностей.

Каждая из развитых поверхностей требует меньшего перегрева по сравнению с гладкой трубой. Наименьшие тепловой поток и перегрев в точке закипания имеет поверхность High Flux. Поверхность Gewa-T требует наибольших перегревов, поскольку фреон-113 легко заполняет большие каналы, а для активизации меньших пор требуются относительно большие перегревы. High Flux показала наиболее быструю, лавинообразную активацию центров парообразования. Это доказывает приоритет в использовании капиллярно-пористых поверхностей по сравнению со структурированными (Gewa-T, Thermoexcel-E), особенно при небольших и умеренных тепловых потоках.

На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

1) Для разработки отвечающих современным требованиям энергетических машин и другой аппаратуры, а также для уменьшения их габаритов, снижения расхода металла на их изготовление необходимо изучать условия работы теплоотдающей поверхности, а также искать новые, либо более эффективные возможности интенсификации теплообмена при кипении.

2) Одно из решений проблемы увеличения плотности теплового потока при низких температурных напорах лежит в плоскости изменения поверхностных условий теплообмена — развития теплоотдающей поверхности оребрением или нанесением различного рода пористых покрытий.

3) Нанесение на поверхность нагрева капиллярно-пористого покрытия позволяет во многих случаях значительно снизить перегревы и тепловые потоки начала кипения в большом объеме, стабилизировать процесс кипения и увеличить тем самым интенсивность теплоотдачи.

4) Наиболее перспективными являются пористые покрытия, получаемые спеканием металлических частиц. В таких структурах за счет дополнительных теплоперетоков по высокотеплопроводному каркасу покрытия существенно увеличивается подводимый к центру парообразования тепловой поток, что приводит к значительной (до 10 раз) интенсификации теплоотдачи. К достоинствам этих покрытий также следует отнести высокие механические свойства, технологичность, позволяющая стабильно воспроизводить характеристики пористой структуры, что немаловажно для практического применения.

Литература:

1. Ковалев С. А., Соловьев С. Л. Модель теплообмена при кипении жидкости на пористой поверхности. // ТВТ. — 1984. — T.22, № 6. — С.1166–1171.