ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ КИПЕНИЯ ЭМУЛЬСИЙ С НИЗКОКИПЯЩЕЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗОЙ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 3
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 7
Заключение 51
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 52
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 7
Заключение 51
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 52
Актуальность темы исследования. Эмульсии представляют собой смесь из двух взаимно нерастворимых жидкостей, в которых капельки дисперсной фазы распределены в непрерывной дисперсионной среде. Рассматриваются эмульсии, у которых капельки дисперсной фазы имеют температуру кипения ниже температуры кипения дисперсионной среды. Механизм кипения эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой отличается от кипения однородных жидкостей и является достаточно сложным как для экспериментальных, так и теоретических исследований.
Кипение жидкостей как эффективный способ отвода тепла, широко используется в различных энергетических устройствах и теплообменных аппаратах. Для интенсификации теплоотдачи и повышения критических тепловых потоков применяются традиционные методы интенсификации теплообмена, такие как: увеличение площади теплоотдающей поверхности, использование нано- и микрошероховатых поверхностей для увеличения интенсивности образования и отрыва пузырьков пара, кипение в условиях вынужденного течения жидкости, турбулизация и закрутка потока и др. Интенсифицировать теплообмен при кипении можно и путем введения в теплоноситель различных добавок в виде твердых, жидких и газообразных веществ (наночастиц, поверхностно-активных веществ, высокомолекулярных соединений и др.).
Принципиально иной подход решения задачи интенсификации теплоотдачи к жидкому теплоносителю связан с введением в него нерастворимой низкокипящей жидкости и образованием из полученной смеси эмульсии, причем внутренней, дисперсной фазой эмульсии, является вводимая добавка. Режим конвективного теплообмена у таких эмульсий мало отличается от аналогичного режима дисперсионной среды. При пузырьковом кипении проявляется ряд особенностей: высокие перегревы капелек дисперсной фазы, широкие, по сравнению с однокомпонентными жидкостями, интервалы пузырькового кипения, высокие значения коэффициента теплоотдачи от нагревателя к эмульсии при температурах ниже температуры кипения дисперсионной среды. На характер теплообмена при кипении эмульсии оказывает влияние концентрация и размер капелек дисперсной фазы.
С развитием новых технологий, в различных областях техники наблюдается миниатюризация теплообменных устройств с малыми каналами (мини и микро размеров) для подвода или отвода теплоты. Использование эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой в качестве теплоносителя в таких устройствах может оказаться эффективным способом охлаждения теплонапряженных элементов.
Степень разработанности проблемы исследования
На сегодняшний день достаточно хорошо изучен предельный случай взрывного вскипания жидкости, возникающий при температурах близких к температурам предельного перегрева [1-4]. Недостаточно изучен механизм 3
взрывного вскипания жидкости при ее малых перегревах, когда лавинообразно активируются готовые центры кипения. Выявления механизмов активации центров гетерогенной природы остается важной задачей физики кипения.
Теплообмен при кипении эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой исследован в ряде работ [5-10]. В этих работах отмечаются особенности кипения эмульсий на различных поверхностях нагрева. В работах [11-12] численно моделируется процесс пузырькового кипения эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой. Недостаток модели состоит в том, что ее трудно реализовать, так как она требует больших вычислительных затрат и содержит много упрощающих допущений. При построении модели пузырькового кипения эмульсий основной проблемой является выявление закономерностей зародышеобразования как на теплоотдающей поверхности, так и тепловом пограничном слое. Для этого необходима визуализация процесса пузырькового кипения с применением скоростной видеосъемки, что в эмульсиях затруднено из-за их непрозрачности.
Для выявления механизма взрывного вскипания капелек эмульсии на низкотемпературных центрах кипения и практического применения этого способа интенсификации теплообмена, необходимо подобрать жидкости пригодные в качестве добавок, определить интервалы концентраций и температур, в которых проявляется эффект интенсификации теплоотдачи. Также актуально получить в эксперименте характеристики теплообмена и структуры режимов двухфазного потока при кипении в условиях вынужденного течения эмульсий в миниканале. Решению этих взаимосвязанных задач посвящена настоящая работа...
Кипение жидкостей как эффективный способ отвода тепла, широко используется в различных энергетических устройствах и теплообменных аппаратах. Для интенсификации теплоотдачи и повышения критических тепловых потоков применяются традиционные методы интенсификации теплообмена, такие как: увеличение площади теплоотдающей поверхности, использование нано- и микрошероховатых поверхностей для увеличения интенсивности образования и отрыва пузырьков пара, кипение в условиях вынужденного течения жидкости, турбулизация и закрутка потока и др. Интенсифицировать теплообмен при кипении можно и путем введения в теплоноситель различных добавок в виде твердых, жидких и газообразных веществ (наночастиц, поверхностно-активных веществ, высокомолекулярных соединений и др.).
Принципиально иной подход решения задачи интенсификации теплоотдачи к жидкому теплоносителю связан с введением в него нерастворимой низкокипящей жидкости и образованием из полученной смеси эмульсии, причем внутренней, дисперсной фазой эмульсии, является вводимая добавка. Режим конвективного теплообмена у таких эмульсий мало отличается от аналогичного режима дисперсионной среды. При пузырьковом кипении проявляется ряд особенностей: высокие перегревы капелек дисперсной фазы, широкие, по сравнению с однокомпонентными жидкостями, интервалы пузырькового кипения, высокие значения коэффициента теплоотдачи от нагревателя к эмульсии при температурах ниже температуры кипения дисперсионной среды. На характер теплообмена при кипении эмульсии оказывает влияние концентрация и размер капелек дисперсной фазы.
С развитием новых технологий, в различных областях техники наблюдается миниатюризация теплообменных устройств с малыми каналами (мини и микро размеров) для подвода или отвода теплоты. Использование эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой в качестве теплоносителя в таких устройствах может оказаться эффективным способом охлаждения теплонапряженных элементов.
Степень разработанности проблемы исследования
На сегодняшний день достаточно хорошо изучен предельный случай взрывного вскипания жидкости, возникающий при температурах близких к температурам предельного перегрева [1-4]. Недостаточно изучен механизм 3
взрывного вскипания жидкости при ее малых перегревах, когда лавинообразно активируются готовые центры кипения. Выявления механизмов активации центров гетерогенной природы остается важной задачей физики кипения.
Теплообмен при кипении эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой исследован в ряде работ [5-10]. В этих работах отмечаются особенности кипения эмульсий на различных поверхностях нагрева. В работах [11-12] численно моделируется процесс пузырькового кипения эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой. Недостаток модели состоит в том, что ее трудно реализовать, так как она требует больших вычислительных затрат и содержит много упрощающих допущений. При построении модели пузырькового кипения эмульсий основной проблемой является выявление закономерностей зародышеобразования как на теплоотдающей поверхности, так и тепловом пограничном слое. Для этого необходима визуализация процесса пузырькового кипения с применением скоростной видеосъемки, что в эмульсиях затруднено из-за их непрозрачности.
Для выявления механизма взрывного вскипания капелек эмульсии на низкотемпературных центрах кипения и практического применения этого способа интенсификации теплообмена, необходимо подобрать жидкости пригодные в качестве добавок, определить интервалы концентраций и температур, в которых проявляется эффект интенсификации теплоотдачи. Также актуально получить в эксперименте характеристики теплообмена и структуры режимов двухфазного потока при кипении в условиях вынужденного течения эмульсий в миниканале. Решению этих взаимосвязанных задач посвящена настоящая работа...
В заключении приведены основные результаты работы, которые заключаются в следующем:
1. Экспериментально исследовано явления взрывного вскипания перегретых капелек эмульсии. Установлено, что взрывное вскипание капелек эмульсии может происходить не только при температурах близких к температуре предельного перегрева, но и при существенно более низких температурах, когда активируются низкотемпературные центры кипения. Центры кипения можно разделить на две группы - центры, активирующиеся в объеме капелек, и центры, активирующиеся на их поверхности. Определяющим фактором активации низкотемпературных центров кипения является импульс давления, возникающий при вскипании перегретой капельки эмульсии.
2. Показано, что цепная активация низкотемпературных центров кипения инициируется случайной активацией одного из них. Взрывное вскипание перегретой капельки эмульсии на низкотемпературном центре кипения способствует активации нескольких соседних центров кипения, что в свою очередь приводит к дальнейшей активации других центров кипения. Предложен механизм цепного зародышеобразования в перегретых капельках эмульсии.
3. Проведены комплексные исследования теплообмена при кипении на проволочных нагревателях и в трубе с внутренним диаметром 16 мм нового класса теплоносителей - эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой. Опыты поставлены с эмульсиями, у которых в пузырьковом кипении участвуют только капельки дисперсной фазы (вода/масло ВМ-1С, вода/ПЭС-5, вода/ПМС-20, н-пентан/глицерин, этиловый спирт/масло ВМ-1С и др.) и с эмульсиями, у которых в кипении участвует дисперсная фаза совместно с дисперсионной средой (н-пентан/вода, фреон-113/вода, диэтиловый эфир/вода, фреон-11/вода).
4. У всех исследованных эмульсий обнаружена задержка начала кипения по сравнению с началом кипения чистой диспергированной жидкости. Величина задержки начала кипения зависит от концентрации и размера капелек дисперсной фазы.
Обнаружено существенное расширение температурного интервала режима пузырькового кипения эмульсий. Если при кипении воды разница между температурой начала кипения и температурой кризиса пузырькового кипения составляет не более 30 0С, то при кипении
эмульсий такая разность температур значительно больше и может превышать 150 0С.
Определены режимы теплообмена, при которых коэффициент теплоотдачи к эмульсии в 1,2 - 4 раза превышает значения, полученные для чистой дисперсионной среды.
Установлено, что критическая плотность теплового потока при кипении эмульсии зависит от концентрации и размера капелек дисперсной фазы эмульсии.
Показано, что путем введения в эмульсию поверхностно-активных веществ и адсорбентов можно управлять числом центров кипения, а следовательно и интенсивностью теплоотдачи.
5. Впервые с применением скоростной видеосъемки визуализирован процесс пузырькового кипения эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой. Выявлены механизмы вскипания перегретых капелек дисперсной фазы, как на поверхности нагрева, так и в тепловом пограничном слое.
6. Предложена модель пузырькового кипения эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой. Получены формулы для определения коэффициента теплоотдачи от нагреваемой поверхности к кипящей эмульсии. Выполнен анализ влияния дисперсионного состава эмульсии на плотность теплового потока. Отмечено хорошее согласие результатов расчета с экспериментальными данными, что свидетельствует в пользу предложенной модели пузырькового кипения эмульсии, которая качественно правильно отражает процессы протекающие вблизи нагреваемой поверхности.
7. Экспериментально исследован теплообмен при кипении в вынужденном потоке ряда эмульсий в миниканале диаметром 1.1 мм. С применением скоростной видеосъемки визуализированы структуры течения двухфазного потока при кипении воды и эмульсий в миниканале. Установлено, что температурные интервалы пузырькового и снарядного режимов кипения эмульсий н-пентан/вода и фреон-11/вода, при которых наблюдается рост коэффициент теплоотдачи, у исследованных эмульсий шире, чем в чистой воде. Наличие дополнительной паровой фазы в миниканале, состоящей из пара низкокипящей жидкости, способствует появлению нестабильности двухфазного потока и кризиса кипения при более низких тепловых потоках, чем в чистой воде.
В широком диапазоне тепловых нагрузок исследован теплообмен при кипении только капелек дисперсной фазы эмульсии вода/силиконовое масло ПМС-20 и н-пентан/глицерин в миниканале. Показано, что при кипении капелек дисперсной фазы формируются только пузырьковый и снарядный режимы течения двухфазного потока, без перехода к нестабильному кольцевому режиму. Установлено, что при кипении эмульсии н-пентан/глицерин двухфазный поток при температурах выше температуры предельного перегрева н-пентана остается стабильным.
Результаты исследований теплообмена при кипении эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой могут являться основой для создания теплообменного оборудования с эмульсией в качестве рабочей жидкости.
1. Экспериментально исследовано явления взрывного вскипания перегретых капелек эмульсии. Установлено, что взрывное вскипание капелек эмульсии может происходить не только при температурах близких к температуре предельного перегрева, но и при существенно более низких температурах, когда активируются низкотемпературные центры кипения. Центры кипения можно разделить на две группы - центры, активирующиеся в объеме капелек, и центры, активирующиеся на их поверхности. Определяющим фактором активации низкотемпературных центров кипения является импульс давления, возникающий при вскипании перегретой капельки эмульсии.
2. Показано, что цепная активация низкотемпературных центров кипения инициируется случайной активацией одного из них. Взрывное вскипание перегретой капельки эмульсии на низкотемпературном центре кипения способствует активации нескольких соседних центров кипения, что в свою очередь приводит к дальнейшей активации других центров кипения. Предложен механизм цепного зародышеобразования в перегретых капельках эмульсии.
3. Проведены комплексные исследования теплообмена при кипении на проволочных нагревателях и в трубе с внутренним диаметром 16 мм нового класса теплоносителей - эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой. Опыты поставлены с эмульсиями, у которых в пузырьковом кипении участвуют только капельки дисперсной фазы (вода/масло ВМ-1С, вода/ПЭС-5, вода/ПМС-20, н-пентан/глицерин, этиловый спирт/масло ВМ-1С и др.) и с эмульсиями, у которых в кипении участвует дисперсная фаза совместно с дисперсионной средой (н-пентан/вода, фреон-113/вода, диэтиловый эфир/вода, фреон-11/вода).
4. У всех исследованных эмульсий обнаружена задержка начала кипения по сравнению с началом кипения чистой диспергированной жидкости. Величина задержки начала кипения зависит от концентрации и размера капелек дисперсной фазы.
Обнаружено существенное расширение температурного интервала режима пузырькового кипения эмульсий. Если при кипении воды разница между температурой начала кипения и температурой кризиса пузырькового кипения составляет не более 30 0С, то при кипении
эмульсий такая разность температур значительно больше и может превышать 150 0С.
Определены режимы теплообмена, при которых коэффициент теплоотдачи к эмульсии в 1,2 - 4 раза превышает значения, полученные для чистой дисперсионной среды.
Установлено, что критическая плотность теплового потока при кипении эмульсии зависит от концентрации и размера капелек дисперсной фазы эмульсии.
Показано, что путем введения в эмульсию поверхностно-активных веществ и адсорбентов можно управлять числом центров кипения, а следовательно и интенсивностью теплоотдачи.
5. Впервые с применением скоростной видеосъемки визуализирован процесс пузырькового кипения эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой. Выявлены механизмы вскипания перегретых капелек дисперсной фазы, как на поверхности нагрева, так и в тепловом пограничном слое.
6. Предложена модель пузырькового кипения эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой. Получены формулы для определения коэффициента теплоотдачи от нагреваемой поверхности к кипящей эмульсии. Выполнен анализ влияния дисперсионного состава эмульсии на плотность теплового потока. Отмечено хорошее согласие результатов расчета с экспериментальными данными, что свидетельствует в пользу предложенной модели пузырькового кипения эмульсии, которая качественно правильно отражает процессы протекающие вблизи нагреваемой поверхности.
7. Экспериментально исследован теплообмен при кипении в вынужденном потоке ряда эмульсий в миниканале диаметром 1.1 мм. С применением скоростной видеосъемки визуализированы структуры течения двухфазного потока при кипении воды и эмульсий в миниканале. Установлено, что температурные интервалы пузырькового и снарядного режимов кипения эмульсий н-пентан/вода и фреон-11/вода, при которых наблюдается рост коэффициент теплоотдачи, у исследованных эмульсий шире, чем в чистой воде. Наличие дополнительной паровой фазы в миниканале, состоящей из пара низкокипящей жидкости, способствует появлению нестабильности двухфазного потока и кризиса кипения при более низких тепловых потоках, чем в чистой воде.
В широком диапазоне тепловых нагрузок исследован теплообмен при кипении только капелек дисперсной фазы эмульсии вода/силиконовое масло ПМС-20 и н-пентан/глицерин в миниканале. Показано, что при кипении капелек дисперсной фазы формируются только пузырьковый и снарядный режимы течения двухфазного потока, без перехода к нестабильному кольцевому режиму. Установлено, что при кипении эмульсии н-пентан/глицерин двухфазный поток при температурах выше температуры предельного перегрева н-пентана остается стабильным.
Результаты исследований теплообмена при кипении эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой могут являться основой для создания теплообменного оборудования с эмульсией в качестве рабочей жидкости.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ КИПЕНИЯ ЭМУЛЬСИЙ С НИЗКОКИПЯЩЕЙ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗОЙ
