Помощь студентам в учебе
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА И ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ НА ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЯХ ВСЛЕДСТВИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ МЕТАЛЛА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ КАПЕЛЬ НА ТЕПЛОНАГРУЖЕННАЯ ПОВЕРХНОСТЯХ И ШЛАКОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ 13
1.1 Современное состояние теории процесса испарения капель,
расположенных на теплонагруженных поверхностях 13
1.2 Анализ современного состояния теории и практики в области решения проблемы интенсификации теплообмена в энергогенерирующем оборудовании за счет снижения негативных последствий золошлаковых
отложений 17
Выводы по главе 1 22
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В УСЛОВИЯХ ИСПАРЕНИЯ КАПЛИ, РАСПОЛОЖЕННОЙ НА ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ С ЗАДАННЫМИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ И
ПРИПОВЕРХНОСТНЫМИ СВОЙСТВАМИ 26
2.1 Материалы, оборудование и методы исследования 27
2.1.1 Создание поверхностей с заданными геометрическими параметрами
и приповерхностными свойствами 27
2.1.2 Анализ геометрических параметров поверхностей 31
2.1.3 Экспериментальная установка по исследованию процесса
испарения капли теплоносителя 32
2.1.4 Методы и методики определения свойств смачивания 34
2.1.5 Методы и методики определения характеристик процесса
испарения капли 35
2.2 Характеристики процесса испарения капель воды, расположенной на
теплопередающей поверхности 39
2.2.1 Исследование геометрических параметров и свойств смачивания
поверхностей 39
2.2.2 Исследование характеристик испарения 46
2.2.2.1 Анализ изменения геометрических характеристик и скорости
испарения капель 46
2.2.2.2 Анализ охлаждения приповерхностного слоя 52
2.2.2.3 Анализ процесса нуклеации 58
2.2.2.4 Скорости конвективных потоков в испаряющейся капле 62
Выводы по главе 2 69
ГЛАВА 3. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В
ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩЕМ ОБОРУДОВАНИИ 71
3.1 Экспериментальные исследования 71
3.1.1 Экспериментальная установка и методы исследования 72
3.1.1.1 Приготовление модельного состава золы 72
3.1.1.2 Оборудование и методика обработки поверхностей стали 73
3.1.1.3 Методы и методики исследования поверхностей стали и шлака .... 75
3.1.1.4 Экспериментальная установка 75
3.1.2 Результаты и обсуждение 80
3.1.2.1 Анализ микротекстуры и элементного состава модифицированных
лазерным излучением поверхностей стали 80
3.1.2.2 Процессы, протекающие при нагреве золы, расположенной на
поверхности стали 88
3.1.2.3 Анализ микротекстуры и элементного состава поверхностей стали
после их шлакования 94
3.2 Натурные испытания 110
3.2.1 Оборудование и методика обработки поверхностей стали 110
3.2.2 Котельная и топливо 112
3.2.3 Методика оценки склонности угля к загрязнению продуктами
горения поверхностей нагрева в топке котла 114
3.2.4 Методы и методики исследования поверхностей стали 116
3.2.5 Результаты и обсуждение 117
3.2.5.1 Анализ склонности угля к загрязнению продуктами горения
поверхностей нагрева в топке котла 117
3.2.5.2 Анализ характеристик поверхностей стали 119
3.2.5.3 Анализ элементного состава поверхностей стали после проведения
натурных испытаний и очистки воздухом 128
Выводы по главе 3 133
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 136
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 139
Приложение А Акт внедрения результатов диссертационной работы 151
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ КАПЕЛЬ НА ТЕПЛОНАГРУЖЕННАЯ ПОВЕРХНОСТЯХ И ШЛАКОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ 13
1.1 Современное состояние теории процесса испарения капель,
расположенных на теплонагруженных поверхностях 13
1.2 Анализ современного состояния теории и практики в области решения проблемы интенсификации теплообмена в энергогенерирующем оборудовании за счет снижения негативных последствий золошлаковых
отложений 17
Выводы по главе 1 22
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В УСЛОВИЯХ ИСПАРЕНИЯ КАПЛИ, РАСПОЛОЖЕННОЙ НА ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ С ЗАДАННЫМИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ И
ПРИПОВЕРХНОСТНЫМИ СВОЙСТВАМИ 26
2.1 Материалы, оборудование и методы исследования 27
2.1.1 Создание поверхностей с заданными геометрическими параметрами
и приповерхностными свойствами 27
2.1.2 Анализ геометрических параметров поверхностей 31
2.1.3 Экспериментальная установка по исследованию процесса
испарения капли теплоносителя 32
2.1.4 Методы и методики определения свойств смачивания 34
2.1.5 Методы и методики определения характеристик процесса
испарения капли 35
2.2 Характеристики процесса испарения капель воды, расположенной на
теплопередающей поверхности 39
2.2.1 Исследование геометрических параметров и свойств смачивания
поверхностей 39
2.2.2 Исследование характеристик испарения 46
2.2.2.1 Анализ изменения геометрических характеристик и скорости
испарения капель 46
2.2.2.2 Анализ охлаждения приповерхностного слоя 52
2.2.2.3 Анализ процесса нуклеации 58
2.2.2.4 Скорости конвективных потоков в испаряющейся капле 62
Выводы по главе 2 69
ГЛАВА 3. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В
ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩЕМ ОБОРУДОВАНИИ 71
3.1 Экспериментальные исследования 71
3.1.1 Экспериментальная установка и методы исследования 72
3.1.1.1 Приготовление модельного состава золы 72
3.1.1.2 Оборудование и методика обработки поверхностей стали 73
3.1.1.3 Методы и методики исследования поверхностей стали и шлака .... 75
3.1.1.4 Экспериментальная установка 75
3.1.2 Результаты и обсуждение 80
3.1.2.1 Анализ микротекстуры и элементного состава модифицированных
лазерным излучением поверхностей стали 80
3.1.2.2 Процессы, протекающие при нагреве золы, расположенной на
поверхности стали 88
3.1.2.3 Анализ микротекстуры и элементного состава поверхностей стали
после их шлакования 94
3.2 Натурные испытания 110
3.2.1 Оборудование и методика обработки поверхностей стали 110
3.2.2 Котельная и топливо 112
3.2.3 Методика оценки склонности угля к загрязнению продуктами
горения поверхностей нагрева в топке котла 114
3.2.4 Методы и методики исследования поверхностей стали 116
3.2.5 Результаты и обсуждение 117
3.2.5.1 Анализ склонности угля к загрязнению продуктами горения
поверхностей нагрева в топке котла 117
3.2.5.2 Анализ характеристик поверхностей стали 119
3.2.5.3 Анализ элементного состава поверхностей стали после проведения
натурных испытаний и очистки воздухом 128
Выводы по главе 3 133
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 136
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 139
Приложение А Акт внедрения результатов диссертационной работы 151
Актуальность темы исследования. Разработка систем охлаждения нового поколения для отвода тепловых потоков высокой плотности, а также разработка эффективных систем энергогенерирующего оборудования невозможна без развития фундаментальных знаний в области создания принципиально новых теплопередающих поверхностей, характеризующихся уникальными
функциональными свойствами. Современные наукоемкие лазерные технологии относится к прорывным технологиям в области микротекстурирования поверхностей металлов, в том числе широко используемых в теплоэнергетике алюминиевых сплавов и жаростойких, жаропрочных сталей. Уже достигнутые к настоящему времени результаты показывают, что для решения актуальных задач в области теплотехники и теплофизики лазерные технологии находятся вне конкуренции, поскольку позволяют получить результаты, которые с использованием других технологий либо трудно реализуемы, либо вовсе недостижимы. Актуальность проблемы разработки систем охлаждения нового поколения для отвода тепловых потоков высокой плотности заключается в том, что реализация и развитие достаточно многих перспективных технологий в микроэлектронике, авиационной, космической и нефтехимической промышленности, а также судостроении и промышленной теплоэнергетике сдерживается отсутствием эффективных, надежных и автономных систем, обеспечивающих регламентный температурный режим работы оборудования. В диссертационной работе эта проблема решается путем разработки нового подхода к интенсификации испарения капель, основанного на изменении геометрических параметров и приповерхностных свойств теплопередающих поверхностей вследствие воздействия лазерного излучения.
Сжигание энергетического топлива в топках котлов на тепловых электрических станциях и водяных котельных является наиболее широко распространенным в мире промышленным способом генерации тепловой и электрической энергии. Типичными проблемами сжигания твердых топлив является отложение продуктов горения и шлакование поверхностей нагрева. Последнее существенно ухудшает теплообмен и снижает эффективность энергогенерирующего оборудования. В мировой практике существуют разные методы борьбы с этими проблемами, но наиболее широко известные способы, как правило, сводятся к изменению состава топлива путем добавления реагентов, которые снижают теплоту сгорания топлива. Поэтому проблема шлакования поверхностей нагрева остается актуальной по настоящее время. В диссертационной работе предложен принципиально новый подход к решению вышеобозначенных проблем, основанный на модификации теплопередающих поверхностей энергогенерирующего оборудования лазерным излучением. Суть нового подхода заключается в формировании приповерхностного слоя, обеспечивающего снижение прочности адгезионного контакта золошлаковых отложений с теплопередающей поверхностью нагрева энергогенерирующего оборудования.
Цель диссертационной работы - разработка нового подхода к интенсификации испарения капель в системах охлаждения капельным орошением и снижению прочности адгезионного контакта золошлаковых отложений с теплопередающей поверхностью нагрева энергогенерирующего оборудования за счет модификации интенсивными потоками энергии (лазерным излучением) геометрических параметров и приповерхностных свойств теплопередающих поверхностей.
Для достижения поставленной цели решались задачи:
1. Разработка методик экспериментальных исследований процессов теплообмена в условиях испарения капли, расположенной на теплопередающей поверхности с заданными геометрическими параметрами и приповерхностными свойствами; формирование заданных геометрических параметров (текстуры), бифильных и экстремальных свойств смачивания теплопередающих поверхностей; оценка охлаждения приповерхностного слоя на заданной толщине за счет испарения капли теплоносителя.
2. Определение характеристик теплообмена и испарения капли теплоносителя, расположенной на нагретой теплопередающей поверхности, модифицированной лазерным излучением.
3. Определение характеристик приповерхностного слоя (размеров элементов текстуры, их свойств смачивания) теплопередающей поверхности, обеспечивающих интенсификацию теплообмена и испарения капли теплоносителя.
4. Разработка методик проведения экспериментальных исследований и натурных испытаний на действующем объекте теплоэнергетики по определению характеристик формирования золошлаковых отложений; оценка сопротивления модифицированных лазерным излучением теплопередающих поверхностей к золошлаковым отложениям.
5. Определение параметров шероховатости (текстуры) и приповерхностных свойств поверхностей теплообмена, обеспечивающих снижение прочности адгезионного контакта золошлаковых отложений с поверхностью.
6. Анализ процессов, протекающих при формировании шлака на теплопередающей поверхности.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 1.3.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника» в части: пункта 5 - «Экспериментальные и
теоретические исследования однофазной, свободной и вынужденной конвекции в широком диапазоне свойств теплоносителей, режимных и геометрических параметров теплопередающих поверхностей»; пункта 6 - «Экспериментальные исследования, физическое и численное моделирование процессов переноса массы, импульса и энергии в многофазных системах и при фазовых превращениях»; пункта 9 - «Разработка научных основ и создание методов интенсификации процессов тепло- и массообмена и тепловой защиты».
Научная новизна. Разработан подход к интенсификации процесса охлаждения теплонагруженных поверхностей путем формирования заданной конфигурации микротекстуры, бифильных и экстремальных свойств смачивания. Разработанный подход также позволяет управлять геометрическими характеристиками капель в процессе их интенсивного испарения на теплонагруженной поверхности. Определены скорости испарения и особенности режимов испарения капель на теплопередающих поверхностях, характеризующихся бифильными свойствами смачивания. Проведена оценка охлаждения приповерхностного слоя на заданной толщине за счет испарения капли теплоносителя. Установлены условия реализации «сухих пятен» и роста скорости испарения капли на завершающей стадии.
Предложен принципиально новый подход к интенсификации теплообмена в энергогенерирующем оборудовании, основанный на формировании специального вида текстуры и заданных приповерхностных свойств теплопередающих поверхностей, обеспечивающих снижение прочности адгезионного контакта золошлаковых отложений с поверхностью. Проведен анализ процессов, протекающих при формировании шлака на модифицированных теплопередающих поверхностях. Определены характеристики растекания шлака.
Теоретическая и практическая значимость. Результаты диссертационного исследования являются основой для решения актуальных проблем теплотехники - интенсификации процессов теплообмена и испарения капель теплоносителя в системах охлаждения энергонасыщенного оборудования; интенсификации теплообмена в энергогенерирующем оборудовании за счет снижения негативных последствий формирования золошлаковых отложений. Полученные результаты способствуют развитию фундаментальных знаний о процессах теплообмена и испарения капель теплоносителя, расположенных на теплопередающих поверхностях.
Полученные новые знания о теплообмене при испарении капель, о процессах, протекающих при формировании шлака, на теплопередающих поверхностях, модифицированных интенсивными потоками энергии, являются научной основой для прикладных технологий, направленных на создание перспективных систем охлаждения капельным орошением и повышение срока службы котельного оборудования, профилактики шлакования.
Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе в Исследовательской школе физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета в следующих дисциплинах: «Термодинамика и теплофизика», «Моделирование современных экспериментов в физике высоких энергий», «Взаимодействие излучения с веществом», а также при выполнении НИРС и магистерских диссертаций студентами, обучающимися по направлению 03.04.02 «Физика», образовательная программа «Физика конденсированного состояния», акт внедрения результатов диссертационной работы приведен в Приложении А.
Связь работы с научными программами и грантами. Диссертационное исследование выполнено в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030», Приоритет-2030-НИП/ЭБ-114-375-2023 и проекта РНФ № 23-73-30004 «Лазерные стратегии в инновационном материаловедении: от авиации и теплоэнергетики до медицины и машиностроения».
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. В условиях, характерных началу формирования паровой фазы теплоносителя, для интенсификации процесса испарения капель воды, расположенных на теплопередающих поверхностях из алюминиевого сплава АМг-2, наиболее предпочтительна комбинация гидрофильных (90 = 87,8°) и супергидрофильных (90 = 0°) свойств смачивания. Для контроля режимов испарения и увеличения скоростей конвективных потоков в капле предпочтительнее на практике использовать бифильные теплопередающие поверхности с комбинацией экстремальных свойств смачиваемости.
2. На завершающей стадии процесса испарения капли длина линии трехфазного контакта является доминирующим фактором, влияющим на рост скорости испарения и количества теплоты, отводимой от теплонагруженной поверхности.
3. Формирование интенсивными потоками энергии (лазерным излучением) заданных геометрических параметров текстур «Анизотропная» (развитая многомодальная шероховатость) и «Микроканалы» (с шириной микроканалов 90 мкм, расстоянием между осями микроканалов 180 мкм) на теплопередающих поверхностях теплогенерирующего оборудования, является перспективным подходом для снижения интенсивности шлакования и интенсификации теплообмена. В результате формирования развитой многомодальной шероховатости на теплопередающих поверхностях создаются условия смещения температур образования шлака в область более высоких значений (выше на 60-75 °С по сравнению с немодифицированной сталью 20Х23Н18). Текстура «Анизотропная» способствует уменьшению размера фронта растекания шлака, а текстура «Микроканалы» (с шириной микроканалов 90 мкм, расстоянием между осями микроканалов 180 мкм) уменьшает толщину расплава шлака за счет увеличения его фронта растекания.
4. При модификации теплопередающих поверхностей лазерным излучением, за счет формирования оксидного слоя и текстуры «Микроканалы» (с шириной микроканалов 90 мкм, расстоянием между осями микроканалов 180 мкм) снижается прочность адгезионного контакта продуктов горения органического топлива с поверхностью, что позволяет более эффективно проводить очистку теплопередающих поверхностей от золошлаковых отложений.
Степень достоверности. Достоверность полученных в экспериментальных исследованиях результатов обусловлена применением современных средств измерений, методов анализа и обработки опытных данных, а также в ряде примеров хорошим согласованием экспериментальных и теоретических результатов. Оценка достоверности полученных экспериментальных данных проводилась по результатам расчетов погрешностей измерений регистрируемых физических величин.
Личный вклад автора состоит в формулировании цели и задач диссертации. Разработке методик экспериментальных исследований и выборе методов измерений. Проведении экспериментов и обработке их результатов, оценке систематических и случайных погрешностей. Анализе результатов экспериментальных исследований и натурных испытаний. В формулировке выводов и основных защищаемых положений диссертационной работы. Апробации результатов на всероссийских и международных конференциях, подготовка публикаций в журналы, индексируемые в базах Scopus и Web of Science.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на научных мероприятиях:
1. IX Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий», Томск, Россия, 2020 г.;
2. X Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий», Томск, Россия, 2021 г.;
3. Международная молодежная научная конференция
«Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования», Томск, Россия, 2022 г.;
4. Научно-практическая конференция работающей молодежи Группы «Интер РАО», Москва, Россия, 2022 г.;
5. XVI Российская конференция (с международным участием) по теплофизическим свойствам веществ (РКТС-16), Махачкала, Россия, 2023 г.;
6. XXIV Школа-семинар молодых ученых и специалистов имени академика РАН А.И. Леонтьева, посвященная 100-летию академика В.Е. Алемасова «Проблемы газодинамики и тепломассобмена в энергетических установках», Казань, Россия, 2023 г.;
7. VIII Всероссийская научная конференция с элементами школы молодых ученых «Теплофизика и физическая гидродинамика», Махачкала, Россия, 2023 г.;
8. III Всероссийская с международным участием молодежная конференция «Бутаковские чтения», Томск, Россия, 2023 г.;
9. XVII Минский международный форум по тепломассообмену, Минск, Белоруссия, 2024 г.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в девяти публикациях, три из них статьи, опубликованные в высокорейтинговых рецензируемых научных журналах, индексируемых в базах данных «Web of Science» и «Scopus», входящих в первый квартиль.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи исследований, представлена научная новизна работы и ее практическая и теоретическая значимость, обоснована достоверность полученных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту, и сведения об их апробации.
В первой главе обобщены известные знания о процессе испарения капель, расположенных на теплопередающих поверхностях, характеризующихся контрастной смачиваемостью. Также выполнен анализ современного состояния теории и практики в области решения проблемы интенсификации теплообмена в энергогенерирующем оборудовании за счет снижения негативных последствий золошлаковых отложений.
Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований процесса испарения капель воды, расположенных на теплопередающих поверхностях из алюминиевого сплава АМг-2, с заданными геометрическими параметрами и приповерхностными свойствами.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований и натурных испытаний по оценке стойкости теплопередающих поверхностей нагрева, модифицированных лазерным излучением, к осаждению продуктов горения твердого топлива и шлакованию.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы.
функциональными свойствами. Современные наукоемкие лазерные технологии относится к прорывным технологиям в области микротекстурирования поверхностей металлов, в том числе широко используемых в теплоэнергетике алюминиевых сплавов и жаростойких, жаропрочных сталей. Уже достигнутые к настоящему времени результаты показывают, что для решения актуальных задач в области теплотехники и теплофизики лазерные технологии находятся вне конкуренции, поскольку позволяют получить результаты, которые с использованием других технологий либо трудно реализуемы, либо вовсе недостижимы. Актуальность проблемы разработки систем охлаждения нового поколения для отвода тепловых потоков высокой плотности заключается в том, что реализация и развитие достаточно многих перспективных технологий в микроэлектронике, авиационной, космической и нефтехимической промышленности, а также судостроении и промышленной теплоэнергетике сдерживается отсутствием эффективных, надежных и автономных систем, обеспечивающих регламентный температурный режим работы оборудования. В диссертационной работе эта проблема решается путем разработки нового подхода к интенсификации испарения капель, основанного на изменении геометрических параметров и приповерхностных свойств теплопередающих поверхностей вследствие воздействия лазерного излучения.
Сжигание энергетического топлива в топках котлов на тепловых электрических станциях и водяных котельных является наиболее широко распространенным в мире промышленным способом генерации тепловой и электрической энергии. Типичными проблемами сжигания твердых топлив является отложение продуктов горения и шлакование поверхностей нагрева. Последнее существенно ухудшает теплообмен и снижает эффективность энергогенерирующего оборудования. В мировой практике существуют разные методы борьбы с этими проблемами, но наиболее широко известные способы, как правило, сводятся к изменению состава топлива путем добавления реагентов, которые снижают теплоту сгорания топлива. Поэтому проблема шлакования поверхностей нагрева остается актуальной по настоящее время. В диссертационной работе предложен принципиально новый подход к решению вышеобозначенных проблем, основанный на модификации теплопередающих поверхностей энергогенерирующего оборудования лазерным излучением. Суть нового подхода заключается в формировании приповерхностного слоя, обеспечивающего снижение прочности адгезионного контакта золошлаковых отложений с теплопередающей поверхностью нагрева энергогенерирующего оборудования.
Цель диссертационной работы - разработка нового подхода к интенсификации испарения капель в системах охлаждения капельным орошением и снижению прочности адгезионного контакта золошлаковых отложений с теплопередающей поверхностью нагрева энергогенерирующего оборудования за счет модификации интенсивными потоками энергии (лазерным излучением) геометрических параметров и приповерхностных свойств теплопередающих поверхностей.
Для достижения поставленной цели решались задачи:
1. Разработка методик экспериментальных исследований процессов теплообмена в условиях испарения капли, расположенной на теплопередающей поверхности с заданными геометрическими параметрами и приповерхностными свойствами; формирование заданных геометрических параметров (текстуры), бифильных и экстремальных свойств смачивания теплопередающих поверхностей; оценка охлаждения приповерхностного слоя на заданной толщине за счет испарения капли теплоносителя.
2. Определение характеристик теплообмена и испарения капли теплоносителя, расположенной на нагретой теплопередающей поверхности, модифицированной лазерным излучением.
3. Определение характеристик приповерхностного слоя (размеров элементов текстуры, их свойств смачивания) теплопередающей поверхности, обеспечивающих интенсификацию теплообмена и испарения капли теплоносителя.
4. Разработка методик проведения экспериментальных исследований и натурных испытаний на действующем объекте теплоэнергетики по определению характеристик формирования золошлаковых отложений; оценка сопротивления модифицированных лазерным излучением теплопередающих поверхностей к золошлаковым отложениям.
5. Определение параметров шероховатости (текстуры) и приповерхностных свойств поверхностей теплообмена, обеспечивающих снижение прочности адгезионного контакта золошлаковых отложений с поверхностью.
6. Анализ процессов, протекающих при формировании шлака на теплопередающей поверхности.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 1.3.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника» в части: пункта 5 - «Экспериментальные и
теоретические исследования однофазной, свободной и вынужденной конвекции в широком диапазоне свойств теплоносителей, режимных и геометрических параметров теплопередающих поверхностей»; пункта 6 - «Экспериментальные исследования, физическое и численное моделирование процессов переноса массы, импульса и энергии в многофазных системах и при фазовых превращениях»; пункта 9 - «Разработка научных основ и создание методов интенсификации процессов тепло- и массообмена и тепловой защиты».
Научная новизна. Разработан подход к интенсификации процесса охлаждения теплонагруженных поверхностей путем формирования заданной конфигурации микротекстуры, бифильных и экстремальных свойств смачивания. Разработанный подход также позволяет управлять геометрическими характеристиками капель в процессе их интенсивного испарения на теплонагруженной поверхности. Определены скорости испарения и особенности режимов испарения капель на теплопередающих поверхностях, характеризующихся бифильными свойствами смачивания. Проведена оценка охлаждения приповерхностного слоя на заданной толщине за счет испарения капли теплоносителя. Установлены условия реализации «сухих пятен» и роста скорости испарения капли на завершающей стадии.
Предложен принципиально новый подход к интенсификации теплообмена в энергогенерирующем оборудовании, основанный на формировании специального вида текстуры и заданных приповерхностных свойств теплопередающих поверхностей, обеспечивающих снижение прочности адгезионного контакта золошлаковых отложений с поверхностью. Проведен анализ процессов, протекающих при формировании шлака на модифицированных теплопередающих поверхностях. Определены характеристики растекания шлака.
Теоретическая и практическая значимость. Результаты диссертационного исследования являются основой для решения актуальных проблем теплотехники - интенсификации процессов теплообмена и испарения капель теплоносителя в системах охлаждения энергонасыщенного оборудования; интенсификации теплообмена в энергогенерирующем оборудовании за счет снижения негативных последствий формирования золошлаковых отложений. Полученные результаты способствуют развитию фундаментальных знаний о процессах теплообмена и испарения капель теплоносителя, расположенных на теплопередающих поверхностях.
Полученные новые знания о теплообмене при испарении капель, о процессах, протекающих при формировании шлака, на теплопередающих поверхностях, модифицированных интенсивными потоками энергии, являются научной основой для прикладных технологий, направленных на создание перспективных систем охлаждения капельным орошением и повышение срока службы котельного оборудования, профилактики шлакования.
Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе в Исследовательской школе физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета в следующих дисциплинах: «Термодинамика и теплофизика», «Моделирование современных экспериментов в физике высоких энергий», «Взаимодействие излучения с веществом», а также при выполнении НИРС и магистерских диссертаций студентами, обучающимися по направлению 03.04.02 «Физика», образовательная программа «Физика конденсированного состояния», акт внедрения результатов диссертационной работы приведен в Приложении А.
Связь работы с научными программами и грантами. Диссертационное исследование выполнено в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030», Приоритет-2030-НИП/ЭБ-114-375-2023 и проекта РНФ № 23-73-30004 «Лазерные стратегии в инновационном материаловедении: от авиации и теплоэнергетики до медицины и машиностроения».
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. В условиях, характерных началу формирования паровой фазы теплоносителя, для интенсификации процесса испарения капель воды, расположенных на теплопередающих поверхностях из алюминиевого сплава АМг-2, наиболее предпочтительна комбинация гидрофильных (90 = 87,8°) и супергидрофильных (90 = 0°) свойств смачивания. Для контроля режимов испарения и увеличения скоростей конвективных потоков в капле предпочтительнее на практике использовать бифильные теплопередающие поверхности с комбинацией экстремальных свойств смачиваемости.
2. На завершающей стадии процесса испарения капли длина линии трехфазного контакта является доминирующим фактором, влияющим на рост скорости испарения и количества теплоты, отводимой от теплонагруженной поверхности.
3. Формирование интенсивными потоками энергии (лазерным излучением) заданных геометрических параметров текстур «Анизотропная» (развитая многомодальная шероховатость) и «Микроканалы» (с шириной микроканалов 90 мкм, расстоянием между осями микроканалов 180 мкм) на теплопередающих поверхностях теплогенерирующего оборудования, является перспективным подходом для снижения интенсивности шлакования и интенсификации теплообмена. В результате формирования развитой многомодальной шероховатости на теплопередающих поверхностях создаются условия смещения температур образования шлака в область более высоких значений (выше на 60-75 °С по сравнению с немодифицированной сталью 20Х23Н18). Текстура «Анизотропная» способствует уменьшению размера фронта растекания шлака, а текстура «Микроканалы» (с шириной микроканалов 90 мкм, расстоянием между осями микроканалов 180 мкм) уменьшает толщину расплава шлака за счет увеличения его фронта растекания.
4. При модификации теплопередающих поверхностей лазерным излучением, за счет формирования оксидного слоя и текстуры «Микроканалы» (с шириной микроканалов 90 мкм, расстоянием между осями микроканалов 180 мкм) снижается прочность адгезионного контакта продуктов горения органического топлива с поверхностью, что позволяет более эффективно проводить очистку теплопередающих поверхностей от золошлаковых отложений.
Степень достоверности. Достоверность полученных в экспериментальных исследованиях результатов обусловлена применением современных средств измерений, методов анализа и обработки опытных данных, а также в ряде примеров хорошим согласованием экспериментальных и теоретических результатов. Оценка достоверности полученных экспериментальных данных проводилась по результатам расчетов погрешностей измерений регистрируемых физических величин.
Личный вклад автора состоит в формулировании цели и задач диссертации. Разработке методик экспериментальных исследований и выборе методов измерений. Проведении экспериментов и обработке их результатов, оценке систематических и случайных погрешностей. Анализе результатов экспериментальных исследований и натурных испытаний. В формулировке выводов и основных защищаемых положений диссертационной работы. Апробации результатов на всероссийских и международных конференциях, подготовка публикаций в журналы, индексируемые в базах Scopus и Web of Science.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на научных мероприятиях:
1. IX Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий», Томск, Россия, 2020 г.;
2. X Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий», Томск, Россия, 2021 г.;
3. Международная молодежная научная конференция
«Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования», Томск, Россия, 2022 г.;
4. Научно-практическая конференция работающей молодежи Группы «Интер РАО», Москва, Россия, 2022 г.;
5. XVI Российская конференция (с международным участием) по теплофизическим свойствам веществ (РКТС-16), Махачкала, Россия, 2023 г.;
6. XXIV Школа-семинар молодых ученых и специалистов имени академика РАН А.И. Леонтьева, посвященная 100-летию академика В.Е. Алемасова «Проблемы газодинамики и тепломассобмена в энергетических установках», Казань, Россия, 2023 г.;
7. VIII Всероссийская научная конференция с элементами школы молодых ученых «Теплофизика и физическая гидродинамика», Махачкала, Россия, 2023 г.;
8. III Всероссийская с международным участием молодежная конференция «Бутаковские чтения», Томск, Россия, 2023 г.;
9. XVII Минский международный форум по тепломассообмену, Минск, Белоруссия, 2024 г.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в девяти публикациях, три из них статьи, опубликованные в высокорейтинговых рецензируемых научных журналах, индексируемых в базах данных «Web of Science» и «Scopus», входящих в первый квартиль.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи исследований, представлена научная новизна работы и ее практическая и теоретическая значимость, обоснована достоверность полученных результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту, и сведения об их апробации.
В первой главе обобщены известные знания о процессе испарения капель, расположенных на теплопередающих поверхностях, характеризующихся контрастной смачиваемостью. Также выполнен анализ современного состояния теории и практики в области решения проблемы интенсификации теплообмена в энергогенерирующем оборудовании за счет снижения негативных последствий золошлаковых отложений.
Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований процесса испарения капель воды, расположенных на теплопередающих поверхностях из алюминиевого сплава АМг-2, с заданными геометрическими параметрами и приповерхностными свойствами.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований и натурных испытаний по оценке стойкости теплопередающих поверхностей нагрева, модифицированных лазерным излучением, к осаждению продуктов горения твердого топлива и шлакованию.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы.
1. Разработан новый подход к интенсификации испарения капель в системах охлаждения капельным орошением, основанный на модификации интенсивными потоками энергии (лазерным излучением) геометрических параметров и приповерхностных свойств теплопередающих поверхностей, а также к интенсификации теплообмена в энергогенерирующем оборудовании за счет снижения прочности адгезионного контакта продуктов горения твердого топлива с теплопередающими поверхностями.
2. Выбор дизайна (конфигурации и расположения) поверхности, участки которой характеризуются различными свойствами смачивания, оказывает влияние не только на интенсивность испарения теплоносителя, но в случае комбинации экстремальных свойств смачивания на бифильных поверхностях, является доминирующим фактором формирования сухих пятен за счет разрушения паровых пузырей на супергидрофобной части поверхности.
3. На бифильных поверхностях с комбинацией гидрофильных и супергидрофильных свойств режимы испарения капель теплоносителя их последовательность подобны аналогичным характеристикам на полированных гидрофильных поверхностях металлов. Комбинация гидрофильных и супергидрофильных свойств на бифильных поверхностях в сравнении с полированными поверхностями металлов значительно влияет на длительность режимов испарения. На бифильных поверхностях длительность «пиннинга» на 30 - 40 % меньше, чем на полированных, и, соответственно, продолжительность смешанного режима испарения больше.
4. Управлять режимами испарения капель, с высокой точностью контролировать контактный диаметр капли в режиме испарения «пиннинга» можно путем формирования с заданными размерами концентрических супергидрофильных колец на супергидрофобной теплопередающей поверхности.
5. Уменьшить интенсивность шлакования конвективных и полурадиационных стальных поверхностей и, следовательно, интенсифицировать теплообмен в энергогенерирующем оборудовании можно путем формирования лазерным излучением развитой многоуровневой текстуры «Анизотропная» или «Микроканалы» (с шириной микроканалов 90 мкм, расстоянием между осями микроканалов 180 мкм). В результате формирования таких текстур создаются условия смещения температур формирования шлака в область более высоких значений (выше до 75 °С по сравнению с поверхностью стали обработанной абразивными материалами).
6. Повысить надежность энергогенерирующего оборудования можно путем уменьшения толщины формирующегося шлака на поверхностях нагрева. Установлено, что текстура «Анизотропная» способствует уменьшению размера фронта растекания шлака, а также позволяет более эффективно проводить процедуру очистки (удаление сжатым воздухом разрушенного приповерхностного слоя со шлаком). Также установлено, что от вида и характеристик текстуры поверхностей стали 20Х23Н18, нагретой до температур 1300-1400 °С зависят характеристики фронтов растекания шлака. На поверхностях, обработанных абразивными материалами, условно можно выделить три фронта растекания. На поверхностях, модифицированных лазерным излучением наносекундой длительности с текстурой в виде микроканалов, условно можно выделить два фронта растекания. На «Анизотропной» текстуре зарегистрирован один фронт растекания.
7. По результатам натурных испытаний установлено, что поверхности с текстурой «Анизотропная» продемонстрировали худший результат по сопротивлению к загрязнениям рыхлыми отложениями (золой), наилучший результат продемонстрировали поверхности с текстурой «Микроканалы № 2». Но после очистки поверхностей воздухом давлением 10 атм. в течение 2 минут, наихудший результат по прочности адгезионного контакта железистых и сульфатно-кальциевых отложений продемонстрировала поверхность стали, обработанная абразивными материалами. Пониженной прочностью адгезионного контакта железистых и сульфатно-кальциевых отложений с поверхностью, характеризуется сталь с текстурой «Микроканалы № 2». Последнее также доказано результатами исследований методами сканирующей микроскопии и рентгенофлуоресцентного спектрального анализа. Результаты последнего свидетельствуют, что наибольший вклад в снижение прочности адгезионного контакта продуктов горения углеводородных топлив с поверхностью вносят оксиды металлов, формирующиеся на поверхностях стали при лазерной модификации в воздушной среде.
2. Выбор дизайна (конфигурации и расположения) поверхности, участки которой характеризуются различными свойствами смачивания, оказывает влияние не только на интенсивность испарения теплоносителя, но в случае комбинации экстремальных свойств смачивания на бифильных поверхностях, является доминирующим фактором формирования сухих пятен за счет разрушения паровых пузырей на супергидрофобной части поверхности.
3. На бифильных поверхностях с комбинацией гидрофильных и супергидрофильных свойств режимы испарения капель теплоносителя их последовательность подобны аналогичным характеристикам на полированных гидрофильных поверхностях металлов. Комбинация гидрофильных и супергидрофильных свойств на бифильных поверхностях в сравнении с полированными поверхностями металлов значительно влияет на длительность режимов испарения. На бифильных поверхностях длительность «пиннинга» на 30 - 40 % меньше, чем на полированных, и, соответственно, продолжительность смешанного режима испарения больше.
4. Управлять режимами испарения капель, с высокой точностью контролировать контактный диаметр капли в режиме испарения «пиннинга» можно путем формирования с заданными размерами концентрических супергидрофильных колец на супергидрофобной теплопередающей поверхности.
5. Уменьшить интенсивность шлакования конвективных и полурадиационных стальных поверхностей и, следовательно, интенсифицировать теплообмен в энергогенерирующем оборудовании можно путем формирования лазерным излучением развитой многоуровневой текстуры «Анизотропная» или «Микроканалы» (с шириной микроканалов 90 мкм, расстоянием между осями микроканалов 180 мкм). В результате формирования таких текстур создаются условия смещения температур формирования шлака в область более высоких значений (выше до 75 °С по сравнению с поверхностью стали обработанной абразивными материалами).
6. Повысить надежность энергогенерирующего оборудования можно путем уменьшения толщины формирующегося шлака на поверхностях нагрева. Установлено, что текстура «Анизотропная» способствует уменьшению размера фронта растекания шлака, а также позволяет более эффективно проводить процедуру очистки (удаление сжатым воздухом разрушенного приповерхностного слоя со шлаком). Также установлено, что от вида и характеристик текстуры поверхностей стали 20Х23Н18, нагретой до температур 1300-1400 °С зависят характеристики фронтов растекания шлака. На поверхностях, обработанных абразивными материалами, условно можно выделить три фронта растекания. На поверхностях, модифицированных лазерным излучением наносекундой длительности с текстурой в виде микроканалов, условно можно выделить два фронта растекания. На «Анизотропной» текстуре зарегистрирован один фронт растекания.
7. По результатам натурных испытаний установлено, что поверхности с текстурой «Анизотропная» продемонстрировали худший результат по сопротивлению к загрязнениям рыхлыми отложениями (золой), наилучший результат продемонстрировали поверхности с текстурой «Микроканалы № 2». Но после очистки поверхностей воздухом давлением 10 атм. в течение 2 минут, наихудший результат по прочности адгезионного контакта железистых и сульфатно-кальциевых отложений продемонстрировала поверхность стали, обработанная абразивными материалами. Пониженной прочностью адгезионного контакта железистых и сульфатно-кальциевых отложений с поверхностью, характеризуется сталь с текстурой «Микроканалы № 2». Последнее также доказано результатами исследований методами сканирующей микроскопии и рентгенофлуоресцентного спектрального анализа. Результаты последнего свидетельствуют, что наибольший вклад в снижение прочности адгезионного контакта продуктов горения углеводородных топлив с поверхностью вносят оксиды металлов, формирующиеся на поверхностях стали при лазерной модификации в воздушной среде.