Помощь студентам в учебе
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО РЕАГИРОВАНИЯ, ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА И ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ НА МОДИФИЦИРОВАННЫХ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЯХ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРОЦЕССОВ ЗАЖИГАНИЯ, ДИСПЕРГИРОВАНИЯ, ИСПАРЕНИЯ НА ТЕКСТУРИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ 24
1.1 Влияние текстуры поверхностей нагрева на характеристики зажигания и
горения капель жидких топлив 24
1.2 Условия и характеристики микровзрывного диспергирования 27
1.3 Сдвиг кризиса кипения второго рода в область более высоких температур30
1.4 Системы охлаждения на базе двухфазных термосифонов 32
Выводы по главе 1 36
ГЛАВА 2. ЗАЖИГАНИЕ КАПЕЛЬ КОМПОЗИЦИОННЫХ ТОПЛИВ НА ТЕКСТУРИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ 39
2.1 Экспериментальные установки и методы исследования 39
2.1.1 Методика формирования текстур на поверхности стали 39
2.1.2 Методы и оборудование для исследования конфигурации текстур
поверхностей стали 43
2.1.3 Экспериментальные стенд для исследования процессов зажигания
и горение капель композиционных топлив на текстурированных поверхностях 44
2.1.4 Методики определения характеристик процессов зажигания и
горения капель топлив 46
2.1.5 Композиционное топливо 48
2.2 Результаты и обсуждение 51
2.2.1 Анализ геометрических характеристик микроканалов и трехмерных
параметров шероховатости 51
2.2.2 Анализ характеристик процессов зажигания и горения топлив 58
Выводы по главе 2 70
ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО РАСПЫЛЕНИЯ (ПАФФИНГА И МИКРОВЗРЫВА) ЭМУЛЬСИЙ НА ОСНОВЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ТЕРМОДИНАМИКИ СМАЧИВАНИЯ И ТЕОРИИ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ ВЕЩЕСТВ 73
3.1 Экспериментальная установка и методы исследования 74
3.1.1 Компонентный состав жидких смесей 74
3.1.2 Аналитические исследования 75
3.1.3 Экспериментальная установка для создания условий
высокотемпературного нагрева жидких веществ 78
3.2 Результаты и обсуждение 80
Выводы по главе 3 91
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ТЕКСТУРЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ТЕМПЕРАТУРУ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КРИЗИСА ТЕПЛООБМЕНА
ВТОРОГО РОДА 93
4.1 Методы исследования и используемое экспериментальное оборудование 93
4.2 Результаты и обсуждение 97
Выводы по главе 4 116
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ТЕКСТУРЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕПЛООБМЕНА НА
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОСИФОНА 119
5.1 Экспериментальная установка и методика исследования 119
5.1.1 Экспериментальная установка 119
5.1.2 Область варьирования факторов 124
5.1.3 Оценка погрешностей измерений 124
5.2 Результаты экспериментальных исследований 126
5.2.1 Изменение текстуры приповерхностного слоя металлических
поверхностей 126
5.2.2 Особенности процессов теплопереноса в термосифоне 131
5.3 Результаты экспериментальных исследований 143
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 147
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 152
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРОЦЕССОВ ЗАЖИГАНИЯ, ДИСПЕРГИРОВАНИЯ, ИСПАРЕНИЯ НА ТЕКСТУРИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ 24
1.1 Влияние текстуры поверхностей нагрева на характеристики зажигания и
горения капель жидких топлив 24
1.2 Условия и характеристики микровзрывного диспергирования 27
1.3 Сдвиг кризиса кипения второго рода в область более высоких температур30
1.4 Системы охлаждения на базе двухфазных термосифонов 32
Выводы по главе 1 36
ГЛАВА 2. ЗАЖИГАНИЕ КАПЕЛЬ КОМПОЗИЦИОННЫХ ТОПЛИВ НА ТЕКСТУРИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ 39
2.1 Экспериментальные установки и методы исследования 39
2.1.1 Методика формирования текстур на поверхности стали 39
2.1.2 Методы и оборудование для исследования конфигурации текстур
поверхностей стали 43
2.1.3 Экспериментальные стенд для исследования процессов зажигания
и горение капель композиционных топлив на текстурированных поверхностях 44
2.1.4 Методики определения характеристик процессов зажигания и
горения капель топлив 46
2.1.5 Композиционное топливо 48
2.2 Результаты и обсуждение 51
2.2.1 Анализ геометрических характеристик микроканалов и трехмерных
параметров шероховатости 51
2.2.2 Анализ характеристик процессов зажигания и горения топлив 58
Выводы по главе 2 70
ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО РАСПЫЛЕНИЯ (ПАФФИНГА И МИКРОВЗРЫВА) ЭМУЛЬСИЙ НА ОСНОВЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ТЕРМОДИНАМИКИ СМАЧИВАНИЯ И ТЕОРИИ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ ВЕЩЕСТВ 73
3.1 Экспериментальная установка и методы исследования 74
3.1.1 Компонентный состав жидких смесей 74
3.1.2 Аналитические исследования 75
3.1.3 Экспериментальная установка для создания условий
высокотемпературного нагрева жидких веществ 78
3.2 Результаты и обсуждение 80
Выводы по главе 3 91
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ТЕКСТУРЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ТЕМПЕРАТУРУ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КРИЗИСА ТЕПЛООБМЕНА
ВТОРОГО РОДА 93
4.1 Методы исследования и используемое экспериментальное оборудование 93
4.2 Результаты и обсуждение 97
Выводы по главе 4 116
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ТЕКСТУРЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТЕПЛООБМЕНА НА
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОСИФОНА 119
5.1 Экспериментальная установка и методика исследования 119
5.1.1 Экспериментальная установка 119
5.1.2 Область варьирования факторов 124
5.1.3 Оценка погрешностей измерений 124
5.2 Результаты экспериментальных исследований 126
5.2.1 Изменение текстуры приповерхностного слоя металлических
поверхностей 126
5.2.2 Особенности процессов теплопереноса в термосифоне 131
5.3 Результаты экспериментальных исследований 143
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 147
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 152
Актуальность и степень разработанности темы исследования. Главными проблемами энергетического комплекса любой страны является переход к альтернативным возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) и снижение антропогенного воздействия процессов сжигания ископаемых видов топлива [1]. Несмотря на колоссальные вложения в развитие отрасли и технологий возобновляемых источников энергии [2], ни одной стране в мире не удалось обеспечить замещением ВИЭ даже половины потребляемой тепловой и электрической энергии только населением (без учета промышленных предприятий). Поэтому в настоящее время наиболее перспективным решением проблем замещения традиционных ископаемых твердых видов топлива и снижения антропогенного воздействия продуктов горения от них является использование новых видов топлив (композиционных), представляющих собой смесь твердых натуральных топлив (угля или торфа), воды (в виде стоков) и различных энергетических добавок в виде отработанных жидких, горючих веществ (например, отходов производства и переработки нефти) [3]. Такие перспективные виды топлив известны под названием водоугольных (ВУТ) [4] и органоводоугольных (ОВУТ) [5]. Исследования процессов зажигания и горения ВУТ и ОВУТ направлены в основном на разработку технологий приготовления, транспорта, хранения [6-8], установление условий и характеристик зажигания и горения [9,10], а также на анализ антропогенных выбросов продуктов их горения [11]. В настоящее время для перспективных видов композиционных топлив (также и традиционных) не изучено влияние характеристик поверхностей нагрева, в частности шероховатости и конфигурации текстуры, на характеристики зажигания и горения, шлакования, теплообмена на уровне, позволяющем сформулировать практические рекомендации по текстуре поверхностей теплообмена, обеспечивающей возможность интенсификации процессов теплообмена.
Один из самых дешевых и практичных способов производства тепловой и электрической энергии во всем мире - это сжигание топлива. Топочные устройства рассчитываются под определенный технический и элементный состав проектного и резервного топлив. Переход на непроектное топливо, например, в случае снижения общего расхода угля путем вовлечения в топливно¬энергетический баланс новых видов топлив (ВУТ и ОВУТ) пока маловероятен по ряду причин. Одна из основных - загрязнения поверхностей нагрева в топке котла, которые приводят к снижению интенсивности теплообмена и, соответственно, к резкому увеличению общего расхода топлива на тепловой электрической станции.
Проблема золообразования и шлакования поверхностей нагрева возникает в том числе из-за выхода из строя обдувочных устройств или смены режима работы по каким-либо причинам. Полностью предотвратить процесс шлакования поверхностей нагрева можно только сжигая уголь с образованием тугоплавкой золы. В остальных случаях котельные агрегаты несколько раз в год останавливают для проведения внутритопочных очистных мероприятий. Зола после кристаллизации так же предоставляет угрозу для поверхностей нагрева, расположенных после топки (пароперегреватели, водяные экономайзеры, воздухоподогреватели). Такая зола может уменьшать размеры зазоров между трубками. Все это может привести к падению давления, снижению интенсивности теплоотдачи от омывающихся дымовыми газами труб и к дальнейшему аварийному останову котельного агрегата.
Снизить шлакование и коррозию поверхностей нагрева частично можно путем использования минеральных и серных добавок, смешанных с топливом до или вовремя сжигания. При этом в топке происходит высвобождение кислотных элементов (оксиды серы при горении гипса), которые вступают в химическую реакцию с хлоридами щелочных металлов, снижая тем самым загрязнение поверхностей нагрева. Использование измельченных отходов гипсокартона может снизить возможность шлакования топочных экранов при сжигании биотоплива (древесная кора, солома, сухая трава). Однако все эти добавки требуют
дополнительных капиталовложений. Высокие содержания в каплях других микроэлементов топлива, образующих золу (Cl, Si, P и S), может интенсифицировать процесс шлакования. Добавки, используемые для снижения шлакования топочных экранов, действуют в результате химической адсорбции; физической адсорбции; добавление инертных элементов для повышения температуры плавления золы; измельчение и разбавление добавок, приводящее к снижению спекаемости золы. В то же время анализ ранее выполненных исследований [12-22] позволяет выдвинуть гипотезу, что перспективным является способ модификации поверхностей металлов и сплавов путем лазерной обработки с целью достижения эффективного взаимодействия с окружающей средой (каплями жидкостей и расплавов). Но характеристики (гидрофильность/гидрофобность, олеофильность/олеофобность, свободная
поверхностная энергия) поверхностей нагрева до настоящего времени не изучены в полном объеме, что ограничивает их применение в технике и технологиях.
При зажигании и горении капель топлив, широко используемых на практике (бензин, керосин, спирт, отработанное масло), реализуется достаточно хорошо изученный процесс фазового перехода в режимах испарения или кипения горючей жидкости. Зажигание и горение композитных многокомпонентных топлив при определенных условиях происходит в условиях диспергирования капель (вторичного измельчения капель). Последнее известно под терминами паффинг и микровзрыв [23-25]. Суть этих процессов состоит во вторичном дроблении капель жидких топлив, способствующем увеличению в несколько раз площади поверхности испарения горючих компонентов и размеров области их выгорания, что значительно интенсифицирует процессы зажигания и горения, а также увеличивает полноту выгорания топлива. Анализ публикаций [23-37], посвященных диспергированию жидких и композитных топлив, показал, что интенсивность этого процесса зависит от большого числа факторов, таких как способ подвода теплоты (кондуктивный, конвективный, радиационный); температура среды; концентрации компонентов в составе композитных топлив (суспензий, эмульсий, растворов); свойства компонентов и их соотношение в смеси (твердые частицы, горючая жидкость, вода, поверхностно-активные вещества); размеры капель и условия их формирования, определяющие как структуру капли (горючая жидкость является оболочкой, вода ядром, и наоборот), так и расположение капли в пространстве («сидячая» на поверхности, «висящая» на подвеске, летящая в потоке газа). В реальных условиях на характеристики диспергирования многокомпонентных топлив оказывает влияние совокупность перечисленных выше факторов. Поэтому при изменении условий зажигания и горения таких топлив, отдельные факторы из выше перечисленных при их совокупном влиянии на процесс диспергирования, могут оказывать как положительный эффект, так и ослаблять его влияние [38]. Известные эксперименты [39-41] позволили установить механизм диспергирования - разрушение паровых пузырей в ядре капли. Но пока не определены причины, особенности и масштабы протекания этого эффекта при зажигании и горении композитных топлив. Также стоит отметить, что компонентная база исследованных топлив [42] достаточно ограничена и представлена в основном углями (каменные, бурые), горючими жидкостями (керосин, мазут, различные виды масел) и одной не горючей жидкостью (водой), которые являются самостоятельными технологическими энергоресурсами, широко используемыми на практике. Не разработаны основные положения теории, применимые на практике для прогнозирования гарантированного протекания диспергирования капель, в том числе топливных композиций.
Разработка новых технологий и технических решений, приводящих к повышению энергоэффективности и ресурсосбережения систем охлаждения энергонасыщенного оборудования невозможна без создания новых конструкционных материалов с целевыми функциональными свойствами [43]. К перспективным системам охлаждения, например, устройств связи пятого поколения 5G, с поверхности которых отводятся тепловые потоки высокой плотности (до 1000 Вт/см2), относятся системы, базирующиеся на капельном орошении [44]. Такое охлаждение позволяет повысить интенсивность и равномерность теплоотвода, значительно снизить расход теплоносителя. Но полученные к настоящему времени результаты показывают, что использование традиционных подходов (применение элементов систем охлаждения, изготовленных из стали, меди, алюминия и их сплавов, обработанных шлифовкой или полировкой) не позволяют решить задачу интенсивного охлаждения поверхностей, нагретых до высоких температур. Лазерные методы обработки теплопередающих поверхностей - один из наиболее эффективных способов интенсификации процессов испарения и кипения. В связи с развитием в последние десятилетие лазерной техники стали доступны финансово возможные технологии создания целевых, функциональных поверхностных свойств металлов. Использование на практике модифицированных лазерным излучением теплопередающих поверхностей систем охлаждения может решить ряд проблем, связанных с растущим глобальным спросом на электронную технику нового поколения, в частности, при интенсификации отвода тепловых потоков высокой плотности от элементов энергонасыщенного оборудования путем смещения кризиса теплообмена второго рода в область более высоких температур
...
Один из самых дешевых и практичных способов производства тепловой и электрической энергии во всем мире - это сжигание топлива. Топочные устройства рассчитываются под определенный технический и элементный состав проектного и резервного топлив. Переход на непроектное топливо, например, в случае снижения общего расхода угля путем вовлечения в топливно¬энергетический баланс новых видов топлив (ВУТ и ОВУТ) пока маловероятен по ряду причин. Одна из основных - загрязнения поверхностей нагрева в топке котла, которые приводят к снижению интенсивности теплообмена и, соответственно, к резкому увеличению общего расхода топлива на тепловой электрической станции.
Проблема золообразования и шлакования поверхностей нагрева возникает в том числе из-за выхода из строя обдувочных устройств или смены режима работы по каким-либо причинам. Полностью предотвратить процесс шлакования поверхностей нагрева можно только сжигая уголь с образованием тугоплавкой золы. В остальных случаях котельные агрегаты несколько раз в год останавливают для проведения внутритопочных очистных мероприятий. Зола после кристаллизации так же предоставляет угрозу для поверхностей нагрева, расположенных после топки (пароперегреватели, водяные экономайзеры, воздухоподогреватели). Такая зола может уменьшать размеры зазоров между трубками. Все это может привести к падению давления, снижению интенсивности теплоотдачи от омывающихся дымовыми газами труб и к дальнейшему аварийному останову котельного агрегата.
Снизить шлакование и коррозию поверхностей нагрева частично можно путем использования минеральных и серных добавок, смешанных с топливом до или вовремя сжигания. При этом в топке происходит высвобождение кислотных элементов (оксиды серы при горении гипса), которые вступают в химическую реакцию с хлоридами щелочных металлов, снижая тем самым загрязнение поверхностей нагрева. Использование измельченных отходов гипсокартона может снизить возможность шлакования топочных экранов при сжигании биотоплива (древесная кора, солома, сухая трава). Однако все эти добавки требуют
дополнительных капиталовложений. Высокие содержания в каплях других микроэлементов топлива, образующих золу (Cl, Si, P и S), может интенсифицировать процесс шлакования. Добавки, используемые для снижения шлакования топочных экранов, действуют в результате химической адсорбции; физической адсорбции; добавление инертных элементов для повышения температуры плавления золы; измельчение и разбавление добавок, приводящее к снижению спекаемости золы. В то же время анализ ранее выполненных исследований [12-22] позволяет выдвинуть гипотезу, что перспективным является способ модификации поверхностей металлов и сплавов путем лазерной обработки с целью достижения эффективного взаимодействия с окружающей средой (каплями жидкостей и расплавов). Но характеристики (гидрофильность/гидрофобность, олеофильность/олеофобность, свободная
поверхностная энергия) поверхностей нагрева до настоящего времени не изучены в полном объеме, что ограничивает их применение в технике и технологиях.
При зажигании и горении капель топлив, широко используемых на практике (бензин, керосин, спирт, отработанное масло), реализуется достаточно хорошо изученный процесс фазового перехода в режимах испарения или кипения горючей жидкости. Зажигание и горение композитных многокомпонентных топлив при определенных условиях происходит в условиях диспергирования капель (вторичного измельчения капель). Последнее известно под терминами паффинг и микровзрыв [23-25]. Суть этих процессов состоит во вторичном дроблении капель жидких топлив, способствующем увеличению в несколько раз площади поверхности испарения горючих компонентов и размеров области их выгорания, что значительно интенсифицирует процессы зажигания и горения, а также увеличивает полноту выгорания топлива. Анализ публикаций [23-37], посвященных диспергированию жидких и композитных топлив, показал, что интенсивность этого процесса зависит от большого числа факторов, таких как способ подвода теплоты (кондуктивный, конвективный, радиационный); температура среды; концентрации компонентов в составе композитных топлив (суспензий, эмульсий, растворов); свойства компонентов и их соотношение в смеси (твердые частицы, горючая жидкость, вода, поверхностно-активные вещества); размеры капель и условия их формирования, определяющие как структуру капли (горючая жидкость является оболочкой, вода ядром, и наоборот), так и расположение капли в пространстве («сидячая» на поверхности, «висящая» на подвеске, летящая в потоке газа). В реальных условиях на характеристики диспергирования многокомпонентных топлив оказывает влияние совокупность перечисленных выше факторов. Поэтому при изменении условий зажигания и горения таких топлив, отдельные факторы из выше перечисленных при их совокупном влиянии на процесс диспергирования, могут оказывать как положительный эффект, так и ослаблять его влияние [38]. Известные эксперименты [39-41] позволили установить механизм диспергирования - разрушение паровых пузырей в ядре капли. Но пока не определены причины, особенности и масштабы протекания этого эффекта при зажигании и горении композитных топлив. Также стоит отметить, что компонентная база исследованных топлив [42] достаточно ограничена и представлена в основном углями (каменные, бурые), горючими жидкостями (керосин, мазут, различные виды масел) и одной не горючей жидкостью (водой), которые являются самостоятельными технологическими энергоресурсами, широко используемыми на практике. Не разработаны основные положения теории, применимые на практике для прогнозирования гарантированного протекания диспергирования капель, в том числе топливных композиций.
Разработка новых технологий и технических решений, приводящих к повышению энергоэффективности и ресурсосбережения систем охлаждения энергонасыщенного оборудования невозможна без создания новых конструкционных материалов с целевыми функциональными свойствами [43]. К перспективным системам охлаждения, например, устройств связи пятого поколения 5G, с поверхности которых отводятся тепловые потоки высокой плотности (до 1000 Вт/см2), относятся системы, базирующиеся на капельном орошении [44]. Такое охлаждение позволяет повысить интенсивность и равномерность теплоотвода, значительно снизить расход теплоносителя. Но полученные к настоящему времени результаты показывают, что использование традиционных подходов (применение элементов систем охлаждения, изготовленных из стали, меди, алюминия и их сплавов, обработанных шлифовкой или полировкой) не позволяют решить задачу интенсивного охлаждения поверхностей, нагретых до высоких температур. Лазерные методы обработки теплопередающих поверхностей - один из наиболее эффективных способов интенсификации процессов испарения и кипения. В связи с развитием в последние десятилетие лазерной техники стали доступны финансово возможные технологии создания целевых, функциональных поверхностных свойств металлов. Использование на практике модифицированных лазерным излучением теплопередающих поверхностей систем охлаждения может решить ряд проблем, связанных с растущим глобальным спросом на электронную технику нового поколения, в частности, при интенсификации отвода тепловых потоков высокой плотности от элементов энергонасыщенного оборудования путем смещения кризиса теплообмена второго рода в область более высоких температур
...
1. Разработан графоаналитический способ прогнозирования формирования текстур, лазерным методом обработки поверхностей металлов в виде упорядоченных микроканалов с заданными геометрическими характеристиками и контролируемой шероховатостью в широких диапазонах изменения её 3D- параметров. Графоаналитический способ базируется на использовании в расчетах экспериментально установленного диаметра абляционного кратера, обладает достаточно хорошей точностью (отклонения от заданных геометрических размеров элементов текстур в виде микроканалов не превышают 10%).
2. Экспериментально установлено, что на поверхностях стали марки X16CrNi25-20 конфигурация текстуры в виде микроканалов, сформированных лазерным излучением наносекундной длительности, позволяет значительно увеличить стойкость поверхностей к адгезии продуктов горения жидких и композиционных топлив.
3. Экспериментально установлено, что за счет формирования конфигураций текстур в виде параллельных микроканалов лазерными методами обработки поверхностей металлов можно уменьшить время задержки зажигания капель топлив объемом 10 мкл (масла до 25%, эмульсии до 28%, суспензии до 55%) в условиях, соответствующих пуску энергогенерирующего оборудования. Последнее обусловлено лучшим растеканием капель топлива по модифицированным лазерным излучением поверхностям нагрева и наибольшим приростом площади поверхности, обусловленным развитой шероховатостью.
4. Также установлено, что использование на практике поверхностей нагрева с текстурой в виде микроканалов в условиях, соответствующих пуску энергогенерирующего оборудования, способствует интенсификации физико-химических процессов, происходящих при горении капель композиционных топлив (эмульсии и суспензии), а также масла. Последнее характеризуется увеличением максимального размера области выгорания капель свыше 50%, а в случае горения композиционных топлив увеличением числа инициаций паффинга, что в итоге сокращает время выгорания капель топлив.
5. В условиях, соответствующих номинальному режиму работы энергогенерирующего оборудования, использование поверхностей нагрева с текстурой в виде микроканалов, позволяет до 40% уменьшить время задержки зажигания капель композиционных жидких топлив (например, ОВУТ), а также широко использующихся на практике жидких топлив.
6. Из используемых текстур в экспериментах, воспроизводящих номинальный режим работы энергогенерирующего оборудования, наименьшее время выгорания капель топлив масла, эмульсии и суспензии зарегистрировано на поверхностях с текстурой в виде микроканалов шириной 65 мкм с расстоянием между осями микроканалов равным 195 мкм. Полученный результат объясняется более развитой поверхностью за счет выбранной конфигурации текстуры. Так уменьшение времен выгорания на такой поверхности по сравнению с полированной поверхностью в случае горения капель топлив масла составляет более 40%, в случае эмульсии 40%, а в случае суспензии 34%.
7. Для интенсификации процесса выгорания капель топлив в условиях, соответствующих номинальному режиму работы энергогенерирующего оборудования, предпочтительно использовать на практике поверхности нагрева с более развитой текстурой. Из используемых конфигураций текстур, сформированных лазерным способом обработки, наилучшие результаты по оценке характеристик зажигания (Td) и горения (T|,lim, N, Dmax) капель топлив, в том числе и композитных топлив, в условиях, воспроизводящих пуск и номинальный режим работы энергогенерирующего оборудования, продемонстрировала текстура 2AB. Последняя характеризуется параллельными микроканалами шириной около 65 мкм с расстоянием между осями микроканалов равным 195 мкм, развитой текстурой на необработанной части поверхности лазерным излучением, сформированной закристаллизовавшимся расплавом.
8. Экспериментально установлено, что главным фактором, влияющим на инициацию диспергирования (паффинга или микровзрыва) в условиях высокотемпературного нагрева многокомпонентных капель является взаимная растворимость/нерастворимость компонентов. Паффинг реализуется при смешении нерастворимых (или плохо растворимых) жидких компонентов, характеризующихся значительным отличием полярной и дисперсной составляющих поверхностного натяжения. Микровзрыв реализуется только при при смешении взаимно нерастворимых компонентов, причем один компонент должен характеризоваться отношением ap/aD >1 (должен быть полярным), а второй отношением
10. Экспериментально показана возможность применимости
графоаналитической методики [164], разработанной для прогнозирования текстур на поверхностях керамики, базирующейся на знании геометрической формы и размеров элемента текстуры (абляционного кратера), для создания заданных микротекстур на поверхностях алюминия и нержавеющей стали в виде абляционных кратеров, микроканавок, микростолбиков и “цветной капусты”.
11. Экспериментально установлено, что отсутствует явная связь температуры
Лейденфроста со следующими характеристиками текстуры: средней
шероховатостью, высотой между впадинами и вершинами, а также приростом площади поверхности за счет шероховатости. Также установлено, что температура Лейденфроста смещается в область более высоких температур при уменьшении островершинности выступов и росте их плотности на единице площади поверхности.
12. Экспериментально доказано, что лазерный способ обработки поверхностей металлов (алюминия и нержавеющей стали), используемых в качестве конструкционных материалов, например, при изготовлении поверхностей нагрева энергогенерирующих и теплопередающих устройств, является наиболее перспективным по сравнению с механической обработкой абразивными материалами, широко используемыми в настоящее время в машиностроении. Последнее обусловлено тем, что лазерная обработка поверхности металлов позволяет за счет формируемой текстуры и создания экстремальных свойств смачивания (супергидрофильности) в достаточно широких диапазонах значений управлять характеристиками кризиса кипения второго рода, а именно, температурой Лейденфроста более чем 110°С на поверхности алюминия и более чем на 45°С на поверхности нержавеющей стали. Зарегистрированные смещения температур Лейденфроста характерны для исследования кризиса кипения в атмосферных условиях с использованием дистиллированной деаэрированной воды в качестве теплоносителя на сформированных лазерным излучением текстурах в условиях энергии в импульсе до 0,6 мДж. Для смещения температуры Лейденфроста в область более высоких температур необходимо создавать развитую, многоуровневую шероховатость, характеризующуюся большим значением параметра Spd (характеризует число выступов на единицу площади поверхности) и параметром Sku (эксцесс) значением менее 3. Различия в величине сдвига температуры Лейденфроста на разных металлах (алюминий, нержавеющая сталь) обусловлены, главным образом, формируемой текстурой и шероховатостью. По причине того, что после лазерного способа обработки поверхности алюминия и нержавеющей стали характеризуются подобными свойствами смачивания
(супергидрофильностью / гидрофильностью). По результатам анализа параметров шероховатости на поверхностях алюминия сформирована более развитая шероховатость по сравнению с поверхностями стали. По этим причинам смещение температуры Лейденфроста на поверхностях алюминия превышает аналогичную характеристику на поверхностях нержавеющей стали.
13. Полученные результаты могут быть использованы при решении актуальных проблем теплофизики, направленных на повышение энергоэффективности систем охлаждения энергонасыщенного оборудования путем создания конструкционных материалов (металлов и их сплавов) с целевыми функциональными свойствами модификацией поверхностей лазерным излучением наносекундной длительности. Примерами энергонасыщенного оборудования являются устройства связи пятого поколения 5G, системы охлаждения атомных реакторов, микропроцессоры суперкомпьютеров и устройства обеспечения теплового режима авиа- и космических аппаратов.
14. Результаты экспериментов обосновывают возможность охлаждения теплонагруженных элементов конструкции ЯЭУ в аварийных режимах автономными (не связанными с источниками электроснабжения) системами охлаждения на базе термосифонов с внутренними текстурированными поверхностями нижней и верхней крышек. В диапазоне тепловых потоков q=0,7- 15 кВт/м2 при заполнении испарителя на 15% и в условиях близких к критическим условиям работы термосифонов (е=5%) испаритель ТС не будет осушен
2. Экспериментально установлено, что на поверхностях стали марки X16CrNi25-20 конфигурация текстуры в виде микроканалов, сформированных лазерным излучением наносекундной длительности, позволяет значительно увеличить стойкость поверхностей к адгезии продуктов горения жидких и композиционных топлив.
3. Экспериментально установлено, что за счет формирования конфигураций текстур в виде параллельных микроканалов лазерными методами обработки поверхностей металлов можно уменьшить время задержки зажигания капель топлив объемом 10 мкл (масла до 25%, эмульсии до 28%, суспензии до 55%) в условиях, соответствующих пуску энергогенерирующего оборудования. Последнее обусловлено лучшим растеканием капель топлива по модифицированным лазерным излучением поверхностям нагрева и наибольшим приростом площади поверхности, обусловленным развитой шероховатостью.
4. Также установлено, что использование на практике поверхностей нагрева с текстурой в виде микроканалов в условиях, соответствующих пуску энергогенерирующего оборудования, способствует интенсификации физико-химических процессов, происходящих при горении капель композиционных топлив (эмульсии и суспензии), а также масла. Последнее характеризуется увеличением максимального размера области выгорания капель свыше 50%, а в случае горения композиционных топлив увеличением числа инициаций паффинга, что в итоге сокращает время выгорания капель топлив.
5. В условиях, соответствующих номинальному режиму работы энергогенерирующего оборудования, использование поверхностей нагрева с текстурой в виде микроканалов, позволяет до 40% уменьшить время задержки зажигания капель композиционных жидких топлив (например, ОВУТ), а также широко использующихся на практике жидких топлив.
6. Из используемых текстур в экспериментах, воспроизводящих номинальный режим работы энергогенерирующего оборудования, наименьшее время выгорания капель топлив масла, эмульсии и суспензии зарегистрировано на поверхностях с текстурой в виде микроканалов шириной 65 мкм с расстоянием между осями микроканалов равным 195 мкм. Полученный результат объясняется более развитой поверхностью за счет выбранной конфигурации текстуры. Так уменьшение времен выгорания на такой поверхности по сравнению с полированной поверхностью в случае горения капель топлив масла составляет более 40%, в случае эмульсии 40%, а в случае суспензии 34%.
7. Для интенсификации процесса выгорания капель топлив в условиях, соответствующих номинальному режиму работы энергогенерирующего оборудования, предпочтительно использовать на практике поверхности нагрева с более развитой текстурой. Из используемых конфигураций текстур, сформированных лазерным способом обработки, наилучшие результаты по оценке характеристик зажигания (Td) и горения (T|,lim, N, Dmax) капель топлив, в том числе и композитных топлив, в условиях, воспроизводящих пуск и номинальный режим работы энергогенерирующего оборудования, продемонстрировала текстура 2AB. Последняя характеризуется параллельными микроканалами шириной около 65 мкм с расстоянием между осями микроканалов равным 195 мкм, развитой текстурой на необработанной части поверхности лазерным излучением, сформированной закристаллизовавшимся расплавом.
8. Экспериментально установлено, что главным фактором, влияющим на инициацию диспергирования (паффинга или микровзрыва) в условиях высокотемпературного нагрева многокомпонентных капель является взаимная растворимость/нерастворимость компонентов. Паффинг реализуется при смешении нерастворимых (или плохо растворимых) жидких компонентов, характеризующихся значительным отличием полярной и дисперсной составляющих поверхностного натяжения. Микровзрыв реализуется только при при смешении взаимно нерастворимых компонентов, причем один компонент должен характеризоваться отношением ap/aD >1 (должен быть полярным), а второй отношением
10. Экспериментально показана возможность применимости
графоаналитической методики [164], разработанной для прогнозирования текстур на поверхностях керамики, базирующейся на знании геометрической формы и размеров элемента текстуры (абляционного кратера), для создания заданных микротекстур на поверхностях алюминия и нержавеющей стали в виде абляционных кратеров, микроканавок, микростолбиков и “цветной капусты”.
11. Экспериментально установлено, что отсутствует явная связь температуры
Лейденфроста со следующими характеристиками текстуры: средней
шероховатостью, высотой между впадинами и вершинами, а также приростом площади поверхности за счет шероховатости. Также установлено, что температура Лейденфроста смещается в область более высоких температур при уменьшении островершинности выступов и росте их плотности на единице площади поверхности.
12. Экспериментально доказано, что лазерный способ обработки поверхностей металлов (алюминия и нержавеющей стали), используемых в качестве конструкционных материалов, например, при изготовлении поверхностей нагрева энергогенерирующих и теплопередающих устройств, является наиболее перспективным по сравнению с механической обработкой абразивными материалами, широко используемыми в настоящее время в машиностроении. Последнее обусловлено тем, что лазерная обработка поверхности металлов позволяет за счет формируемой текстуры и создания экстремальных свойств смачивания (супергидрофильности) в достаточно широких диапазонах значений управлять характеристиками кризиса кипения второго рода, а именно, температурой Лейденфроста более чем 110°С на поверхности алюминия и более чем на 45°С на поверхности нержавеющей стали. Зарегистрированные смещения температур Лейденфроста характерны для исследования кризиса кипения в атмосферных условиях с использованием дистиллированной деаэрированной воды в качестве теплоносителя на сформированных лазерным излучением текстурах в условиях энергии в импульсе до 0,6 мДж. Для смещения температуры Лейденфроста в область более высоких температур необходимо создавать развитую, многоуровневую шероховатость, характеризующуюся большим значением параметра Spd (характеризует число выступов на единицу площади поверхности) и параметром Sku (эксцесс) значением менее 3. Различия в величине сдвига температуры Лейденфроста на разных металлах (алюминий, нержавеющая сталь) обусловлены, главным образом, формируемой текстурой и шероховатостью. По причине того, что после лазерного способа обработки поверхности алюминия и нержавеющей стали характеризуются подобными свойствами смачивания
(супергидрофильностью / гидрофильностью). По результатам анализа параметров шероховатости на поверхностях алюминия сформирована более развитая шероховатость по сравнению с поверхностями стали. По этим причинам смещение температуры Лейденфроста на поверхностях алюминия превышает аналогичную характеристику на поверхностях нержавеющей стали.
13. Полученные результаты могут быть использованы при решении актуальных проблем теплофизики, направленных на повышение энергоэффективности систем охлаждения энергонасыщенного оборудования путем создания конструкционных материалов (металлов и их сплавов) с целевыми функциональными свойствами модификацией поверхностей лазерным излучением наносекундной длительности. Примерами энергонасыщенного оборудования являются устройства связи пятого поколения 5G, системы охлаждения атомных реакторов, микропроцессоры суперкомпьютеров и устройства обеспечения теплового режима авиа- и космических аппаратов.
14. Результаты экспериментов обосновывают возможность охлаждения теплонагруженных элементов конструкции ЯЭУ в аварийных режимах автономными (не связанными с источниками электроснабжения) системами охлаждения на базе термосифонов с внутренними текстурированными поверхностями нижней и верхней крышек. В диапазоне тепловых потоков q=0,7- 15 кВт/м2 при заполнении испарителя на 15% и в условиях близких к критическим условиям работы термосифонов (е=5%) испаритель ТС не будет осушен
