Экспериментальное исследование кипения при вынужденном течении недогретой жидкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат наук Васильев Николай Викторович

• Васильев Николай Викторович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Васильев Николай Викторович

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.1. Общая картина кипения недогретой жидкости, статистические характеристики процесса

1.2. Механизм кипения недогретой жидкости

1.3. Теплоотдача при кипении недогретой жидкости

1.4. Критические тепловые потоки при кипении недогретой жидкости

1.5. Интенсификация кипения путем модифицирования греющей поверхности

1.6. Выводы по Главе

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА КИПЕНИЯ НЕДОГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ

2.1. Экспериментальная установка

2.2. Неопределенности измерений

2.3. Характеристики процесса кипения недогретой воды

2.3.1. Методика проведения экспериментов и обработка данных

2.3.2. Результаты исследования характеристик кипения

2.4. Опыты с одиночным пузырем

2.4.1. Установка и методика проведения экспериментов

2.4.2. Сравнение характеристик одиночного пузыря и пузырей

на греющей поверхности большой площади

2.4.3. Характеристики одиночного пузыря

2.5. Выводы по Главе

Стр.

ГЛАВА 3. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ КРИЗИСА КИПЕНИЯ НЕДОГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ

3.1. Образование и поведение крупных пузырей вблизи кризиса

кипения недогретой жидкости

3.1.1. Установка и методика проведения экспериментов

3.1.2. Результаты исследований образования и поведения

крупных паровых пузырей и сухих пятен

3.2. Влияние растворенного газа на критический тепловой поток

при кипении недогретой жидкости

3.2.1. Установка и методика проведения экспериментов

3.2.2. Метод идентификации газовых пузырей

3.2.3. Результаты исследования

3.3. Выводы по Главе

ГЛАВА 4. КИПЕНИЕ НЕДОГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ

НА СТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ

4.1. Технологии изготовления покрытий и их характеристики

4.1.1. Покрытие, нанесенное методом осаждения наночастиц

при кипении наножидкости

4.1.2. Покрытие, нанесенное методом микродугового оксидирования

4.2. Методика проведения исследования

4.3. Результаты исследования

4.4. Выводы по Главе

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ КИПЕНИЯ НЕДОГРЕТОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ ШУЕС

5.1. Свойства жидкости Novec

5.2. Методика проведения исследования

5.3. Результаты исследования

5.4. Выводы по Главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Ь - размер пузыря в ширину, м;

Ьтах сР. - средний максимальный размер пузыря в ширину, м;

ср - теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг-К);

Отах - средний максимальный диаметр парового пузыря, м;

С - диаметр парового пузыря, м;

Скст - диаметр капилляра, м;

Сср - средний диаметр парового пузыря, м;

Сэкв - эквивалентный диаметр канала, м;

г "

г - площадь теплоотдающеи поверхности пластины, м ; Г* - процент греющей поверхности, занятой пузырями, %; g - гравитационное ускорение, м/с2; к - размер пузыря в высоту, м;

ктах Ср. - средний максимальный размер пузыря в высоту, м; I - сила тока, протекающего в греющей пластине, А; I - размер пузыря в длину, м;

-2

Ип - число пузырей в единицу времени на единице поверхности, м- с- ; Р - давление жидкости, Па; q - плотность теплового потока, Вт/м ;

qкp - критическое значение плотности теплового потока, Вт/м ;

q* - отношение текущей значения плотности теплового потока к критическому при данных параметрах режима;

Ртах - средний максимальный радиус парового пузыря, м;

г - теплота парообразования, Дж/кг;

и - скорость потока жидкости, м/с;

иас - температура насыщения жидкости, °С;

1к - критическая температура жидкости, °С;

гст - температура теплоотдающей поверхности, °С;

гж - температура жидкости, °С;

А1нас - перегрев теплоотдающей поверхности относительно температуры насыщения, °С;

Агнед - недогрев жидкости до температуры насыщения, °С;

А1НЖ - перегрев теплоотдающей поверхности относительно температуры насыщения, требуемый для начала кипения, °С;

и - падение напряжения на греющей пластине, В;

Греческие символы

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м К); 3 - толщина греющей пластины, м; в - статический угол смачивания, °; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К);

3

р - плотность жидкости, кг/м ; рп - плотность пара, кг/м ;

а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;

?ож сР - среднее время между отрывом предыдущего и возникновением следующего одиночного пузыря, с;

Тер - среднее время жизни парового пузыря, с;

Ф - объемное паросодержание, %; Безразмерные параметры

Bo - число Бонда; Ja - число Якоба; Re - число Рейнольдса;

Аббревиатуры

КТО - коэффициент теплоотдачи;

КТП - критическая плотность теплового потока;

МДО - микродуговое оксидирование;

ССД - система сбора данных;

СЭМ - сканирующий электронный микроскоп;

PIV - Particle Image Velocimetry, метод цифровой трассерной визуализации.

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование кипения при вынужденном течении недогретой жидкости»

Актуальность работы

Кипение недогретой жидкости представляет собой тип кипения, который имеет место, когда жидкость, с температурой ниже температуры насыщения, приходит в контакт с поверхностью нагревателя достаточно горячей, чтобы вызвать кипение. При этом, попав в область холодной жидкости, паровые пузырьки конденсируются, и не происходит результирующего отвода (накопления) паровой фазы в объем жидкости или ядро потока.

Недогретое кипение (или поверхностное кипение, поскольку паровые пузыри локализованы непосредственно у поверхности нагревателя) широко используется в технологических процессах, связанных с отводом высоких, в том числе экстремальных, тепловых потоков. Оно применяется в ракетной технике, пучковых мишенях, металлургии, импульсных МГД-установках, термоядерных реакторах. Реализуемые при этом коэффициенты теплоотдачи (КТО) для воды могут достигать сотен кВт/(м2 К) и существенно превышать аналогичные характеристики, достижимые другими методами теплообмена. Соответственно, очень высоки и плотности критических тепловых потоков (КТП). При больших недогревах до температуры насыщения и высоких скоростях течения для воды рекордная цифра превышает 200 МВт/м .

Данных по поведению паровых пузырей, структуре потока, особенно при больших плотностях тепловых потоков и высоких недогревах, недостаточно для успешной разработки феноменологических моделей явления, не говоря уже о его математическом описании. Поэтому сегодня актуальными являются экспериментальные исследования с целью получения новой информации о таких характеристиках процесса, как плотность центров парообразования, регулярность их функционирования, размеры пузырей, продолжительность отдельных фаз жизни и эволюция формы пузырей. Исследованию данных вопросов посвящена 2 глава диссертации.

Для обеспечения надежной работы оборудования в режиме недогретого кипения необходимо достоверно знать значения КТП, что связано с пониманием механизма наступления кризиса теплопередачи. На сегодня имеются модели КТП, обеспечивающие неплохие результаты для определенных жидкостей в ограниченных диапазонах недогревов и скоростей потока. Однако общепризнанной теории кризиса кипения недогретой жидкости в канале нет. Количество экспериментальных данных для верификации имеющихся либо разработки новых более универсальных моделей КТП ограничено. Поэтому важной задачей является исследование взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов изменения структуры течения при кипении недогретой жидкости в канале и величины критического теплового потока. При этом одним из важных факторов, которые нужно учитывать при подготовке жидкостного теплоносителя к работе в режиме недогретого кипения, является степень влияния растворенного газа на величину КТП. Глава 3 посвящена этим вопросам.

В повседневной инженерной практике чаще используется кипение жидкости, нагретой до температуры насыщения. Уже достаточно давно начали предприниматься многочисленные попытки интенсифицировать теплоотдачу при кипении жидкости, а также поднять соответствующие значения КТП. Среди методов интенсификации теплоотдачи при кипении одним из наиболее часто применяемых является модификация поверхности с использованием микро- и наноструктур различного типа путем создания поверхностей с регулярной или нерегулярной шероховатостью размера.

Кипение недогретой воды уже само по себе отличается повышенной интенсивностью теплоотдачи и очень высокими значениями КТП. Принципиально отличается от кипения жидкости при температуре насыщения и механизм кипения сильно недогретой жидкости. Возникает естественный вопрос, можно и целесообразно ли с помощью тех или иных модификаций структуры поверхности кипения дополнительно интенсифицировать теплоотдачу и увеличить КТП при кипении недогретой жидкости и, если

можно, то, в каком диапазоне определяющих режимных параметров, прежде всего недогрева до температуры насыщения и скорости охладителя. Поэтому одной из основных целей работы являлось экспериментальное определение степени воздействия искусственных покрытий (микрорельефа поверхности нагрева) на уже достаточно интенсивный процесс кипения сильно недогретой воды, причем с акцентом на детали механизма явления. Этот вопрос рассмотрен в главе 4.

2 2

Задачи отвода тепловых потоков q до 100 Вт/см (1 МВт/м ) в электронике достаточно уверенно решаются путем использования однофазного конвективного охлаждения водой. Однако, существует гипотетическая (но отнюдь не нулевая) угроза больших экономических потерь при выходе системы из строя вследствие электрического замыкания в случае пробоя в системе водяного охлаждения. Особенно это может быть ощутимо в таких устройствах, как например, суперкомпьютеры и статические преобразователи и суперконденсаторы киловольтного и мегаваттного диапазона. Использование охладителя с существенно более высокими диэлектрическими характеристиками, нежели дистиллированная вода, например такого, как жидкость Novec 649 компании 3M способно решить эту проблему. Такие охладители имеют существенно более низкие теплопроводность и теплоемкость, что исключает сохранение системы однофазного конвективного охлаждения. При недогретом кипении по сравнению с кипением жидкости при температуре насыщения можно достичь намного больших значений КТО, а также отсутствует унос паровых пузырей в ядро потока, ведущий к росту гидравлического сопротивления канала и другим нежелательным последствиям. Поэтому применительно к поставленному выше вопросу

актуальным является исследование возможности отвода тепловых потоков

22

плотностью до 100 Вт/см2 (1 МВт/м2) посредством кипения недогретой диэлектрической жидкости Novec 649, которому посвящена глава 5.

Цели работы:

1. Используя современные измерительные средства и методы, в частности высокоскоростную видеосъемку процесса расширить базу данных по статистическим характеристикам процесса недогретого кипения, таким как: распределение и устойчивость центров парообразования, плотность центров на единицу площади греющей поверхности, распределение пузырей по размерам, частота возникновения пузырей, длительность фаз жизни и эволюция формы пузырей в условиях кипения на гладких и искусственно структурированных типах греющих поверхностей в широком диапазоне плотностей тепловых потоков и недогревов до температуры насыщения;

2. Экспериментально показать возможность исследования динамики паровых пузырей при кипении недогретой воды в области высоких тепловых потоков (более 1 МВт/м ), посредством изучения поведения одиночного пузыря, получаемого путем локализованного лазерного нагрева поверхности, и при её наличии провести такое исследование;

3. Сопоставить полученные результаты с известными моделями кипения недогретой жидкости, и оценить их эффективность;

4. Провести исследование динамики крупных паровых пузырей (агломератов) при приближении к кризису кипения недогретой жидкости;

5. Получить дополнительную информацию о влиянии растворенного в жидкости газа на величину критического теплового потока;

6. Уточнить степень влияния структурирования греющей поверхности на статистические характеристики процесса и интенсивность теплоотдачи при кипении недогретой жидкости;

7. В качестве практической реализации технологии охлаждения поверхностей нагрева кипением недогретого охладителя, исследовать возможность отвода плотностей теплового потока до 1 МВт/м с помощью кипения недогретой диэлектрической жидкости Коуес 649, заметно отличающейся в худшую сторону от воды по теплофизическим свойствам, но обеспечивающей повышенную надежность работы электроники.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Получен массив опытных данных по характеристикам процесса кипения недогретой жидкости: распределению и устойчивости центров парообразования, плотности центров на единицу площади греющей поверхности, распределению пузырей по размерам, частоте возникновения пузырей, длительности фаз их жизни, размерам и эволюции формы пузырей в условиях кипения на гладких и искусственно структурированных греющих поверхностях.

2. Выявлено хаотическое пространственное распределение центров парообразования при кипении недогретой воды, и показана полная деактивация действующих центров как на технически гладких, так и на искусственно структурированных греющих поверхностях.

3. Показана возможность изучения динамики парового пузыря при кипении недогретой воды в области высоких тепловых потоков q (больше 1 МВт/м ) посредством получения одиночного пузыря с помощью локализованного лазерного нагрева поверхности.

4. Продемонстрировано, что в условиях больших недогревов структурирование поверхности слабо влияет на статистические характеристики и интенсивность теплоотдачи.

5. Показана возможность накопления при кипении недогретой жидкости неконденсирующегося газа у греющей поверхности, вызывающего существенное снижение критических тепловых нагрузок.

6. Разработана методика экспериментального исследования посредством синхронизированных скоростных видеосъемок в двух взаимно перпендикулярных поверхностях эволюции крупных паровых пузырей (агломератов) при приближении к кризису кипения недогретой жидкости.

7. Экспериментально показана возможность отвода плотности теплового потока q =1 МВт/м с помощью кипения в условиях вынужденного течения недогретой диэлектрической жидкости Коуее 649, что важно для обоснования новых систем охлаждения электроники.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием современных аттестованных средств измерения и тщательной отработкой методов определения параметров, оценкой неопределенностей измерений, согласием полученных результатов с надежными данными других экспериментов в совпадающих диапазонах режимных параметров.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что разработанные экспериментальные методики и массив полученных данных должны обеспечить более глубокое понимание механизма кипения недогретой жидкости и выявить наиболее достоверную модель процесса, что необходимо для построения расчетных соотношений для проектирования систем охлаждения на основе данной технологии. Поскольку кипение недогретой жидкости является одним из наиболее интенсивных методов отвода тепла, при котором достигаются максимально высокие критические плотности тепловых потоков, то это имеет практическую значимость для технологических процессов, связанных с отводом экстремальных тепловых потоков.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика исследования и конструкция экспериментальной установки для изучения кипения недогретой воды в канале, а также методики проведения экспериментов по изучению динамики парового пузыря в области высоких тепловых потоков д (больше 1 МВт/м ) посредством получения одиночного пузыря с помощью локализованного лазерного нагрева поверхности и эволюции паровых агломератов посредством синхронизированных скоростных видеосъемок в двух взаимно перпендикулярных поверхностях.

2. Полученная в результате экспериментов база данных по статистическим характеристикам кипения недогретой воды: плотности центров на единицу площади греющей поверхности, устойчивости центров кипения, распределению пузырей по размерам, эволюции формы и размеров пузыря во времени, хаотическому пространственному распределению центров

парообразования при кипении недогретой воды и полной деактивации действующих центров.

3. Экспериментально обнаруженное слабое влияние в условиях больших недогревов структурирования греющей поверхности на статистические характеристики и интенсивность теплоотдачи.

4. Полученные данные по влиянию растворенного в жидкости газа на критические тепловые нагрузки при недогретом кипении в большом объеме, а также вероятный механизм наступления «газового» кризиса кипения.

5. Экспериментально показанная возможность отвода теплового потока плотностью q = 1 МВт/м посредством кипения недогретой диэлектрической жидкости Novec 649 в условиях вынужденного течения.

Личный вклад автора

Все положения, выносимые на защиту, получены лично автором или при его определяющем участии.

Автором осуществлена постановка целей и задач исследования; он принимал непосредственное участие в модернизации экспериментальной установки, планировании и проведении экспериментальных исследований; в обработке и анализе полученных данных; в подготовке публикаций по выполненной работе.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались на российских и международных научных конференциях:

- XX и XXI Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Звенигород, 2015г.; Санкт-Петербург, 2017г.);

- 9th International Conference on Multiphase Flow, Florence, Italy, 2016;

- XV Минском международном форуме по тепло- и массообмену, Минск, Беларусь, 2016;

- XIV Всероссийской школе-конференции молодых ученых с международным участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 2016;

- XIV Международной научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия», Москва, 2016;

- Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики», Москва, 2017.

А также на заседаниях кафедры «Газотурбинные и нетрадиционные энергоустановки» МГТУ им. Н.Э. Баумана и семинарах отдела 2.1.1 «Проблем теплоэнергетики» ОИВТ РАН.

Основные положения работы были отмечены Дипломами за лучший доклад первой степени на XX Школе-семинаре молодых учёных и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (г. Звенигород, 2015г.) и второй степени на XIV Всероссийской школе-конференции молодых ученых с международным участием «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (г. Новосибирск, 2016г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ (5 статей, 7 тезисов докладов и материалов конференций), из них 4 статьи в журналах из списка ВАК РФ, 4 - в журналах, цитируемых в базах Web of Science, Scopus.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация включает введение, пять глав, заключение и список литературы (119 наименований). Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка и 7 таблиц.

Благодарности

Автор выражает благодарность научному руководителю — члену-корреспонденту РАН, д.ф.-м.н., профессору Алексею Юрьевичу Вараксину за помощь в постановке задачи исследований, анализе результатов и общее руководство работой; сотрудникам ОИВТ РАН: д.т.н., г.н.с. Юрию Альбертовичу Зейгарнику, к.ф.-м.н., с.н.с. Константину Алексеевичу Ходакову за помощь в подготовке и проведении экспериментальных исследований, обработке результатов и ценные замечания при их анализе.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

Кипение есть разновидность процесса испарения, в котором фазовый переход (образование паровой фазы) сопровождается появлением и эволюцией паровых образований того или иного вида: пузырями, паровыми агломератами (крупными пузырями неправильной формы, образующимися в результате слияния пузырей разного размера), паровыми пленками. Гидродинамика процесса кипения чрезвычайно сложна. В наиболее структурированном виде она, пожалуй, описана в [1, 2]. Кипение включает в себя ряд тепловых и гидродинамических подпроцессов: возникновение и эволюцию в пространстве и времени паровых пузырей, перемещение (всплытие) пузырей, испарение и конденсацию на поверхности раздела жидкой и паровой фаз соответственно, гидродинамическое и тепловое взаимодействие паровых образований и окружающей жидкости. Существенную роль играют характеристики смачивания поверхности теплоотдачи, вязкостные эффекты и микрорельеф греющей поверхности. В плане переноса тепла и массы охлаждающей жидкости отдельные подпроцессы имеют разную интенсивность [2, 3]. Поэтому, воздействуя на менее «эффективные» подпроцессы или даже исключая их, можно добиться весьма высокой интенсивности результирующего процесса кипения. Кипение жидкости, недогретой до температуры насыщения, среднемассовая температура которой в потоке или объеме жидкости (при кипении в условиях свободной конвекции) ниже температуры насыщения, относится к числу чрезвычайно эффективных в плане отвода тепла разновидностей кипения. В нём существование паровых пузырьков или агломератов локализовано на греющей стенке или вблизи нее, а ядро течения или объем жидкости не содержат паровой фазы или имеет место ее кратковременное присутствие и последующая конденсация. В итоге сравнительно малоинтенсивный процесс эвакуации паровых пузырей, имеющий место при кипении жидкости при температуре насыщения,

замещается высокоинтенсивной конденсацией пара, что обеспечивает чрезвычайно высокие коэффициенты теплоотдачи. Кроме того, весьма интенсивная теплоотдача сопровождается слабым или даже нулевым ростом гидравлического сопротивления потока по сравнению с течением однофазного теплоносителя при той же массовой скорости, что чрезвычайно важно в инженерном плане.

В течение последнего полувека представления о механизме кипения недогретой жидкости претерпели существенную эволюцию от интенсификации теплоотдачи путем перемешивания жидкости растущими на поверхности нагрева пузырьками [4, 5] до рафинированных описаний на базе теории испарения микрослоя под пузырем [2, 6-7]. Все описания носят феноменологический характер. Как это происходит в большинстве случаев в инженерных науках, основные идеи возникали в результате анализа данных о статистических характеристиках процесса, полученных путем скоростной видеосъемки и реже зондовых и термопарных измерений. Интегральные характеристики, такие как коэффициент теплоотдачи и гидравлическое сопротивление служили мерой интегрального эффекта, позволяли выделить (оценить) доминирующие факторы. Соответственно, в представленном ниже обзоре литературных источников соблюдена та же последовательность: сначала представлен анализ данных по общей картине процесса, статистическим характеристикам явления, затем даются описания основных моделей процесса, результаты исследований характеристик теплоотдачи и кризиса теплоотдачи и, в заключение описано влияние морфологии греющей поверхности на кипение жидкости.

1.1. Общая картина кипения недогретой жидкости, статистические характеристики процесса

Одними из первых исследований характеристик механизма кипения недогретой жидкости, опирающиеся на скоростную видеосъемку процесса, были работы 1950-х годов Гюнтера [8] и Трещева [9, 10].

В [8] исследовалось кипение воды недогретой до температуры насыщения в условиях вынужденного течения в канале с прямоугольным поперечным сечением 5 х 12 мм и длиной 150 мм. В качестве теплоотдающей поверхности использовалась металлическая пластина шириной 3 мм, толщиной 0,1 мм и длиной 63 мм, которая была расположена на оси канала. Нагрев пластины осуществлялся электрическим током. В экспериментах использовалась предварительно дистиллированная и дегазированная вода. В результате дегазации, осуществляемой кипячением в течение 0,5 часа при пониженном давлении до (~10 кПа), объемное содержание растворенного воздуха в воде снижалось до 0,3 мл/л.

В результате обработки фотографических съемок, выполненных с частотой кадров 20 кГц, были получены такие характеристики процесса, как средний максимальный радиус (Ятах) и среднее время жизни пузырей (гф), число пузырей (плотность) в единицу времени с единицы поверхности (Ми), процент греющей поверхности, занятой пузырями (^*). Эксперименты выполнены в следующем диапазоне параметров: недогревов Агнед = 33-85 °С,

скоростей потока воды и = 1,5-6 м/с, давлений Р = 0,1-0,17 МПа и тепловых

2

потоков q =

2,3-8 МВт/м2. По результатам наблюдений был сделан вывод о том, что при значениях недогрева выше 55 °С пузыри растут и схлопываются, не отрываясь от греющей поверхности и скользя вдоль нее по направлению потока жидкости, и при этом сохраняя полусферическую форму. Посредством покадровой обработки были построены графики изменения радиусов пузырей во времени.

Как наиболее важные нужно отметить такие результаты исследования [8], как увеличение средних размеров и времени жизни пузырей, числа пузырей в единицу времени на единицу поверхности и процента греющей поверхности, занятой пузырями, с уменьшением А1нед (Таблица 1) и и (Таблица 2) при постоянстве остальных параметров.

Таблица 1.

Статистические характеристики процесса кипения в зависимости от недогрева при д = 4,5 МВт/м2, и = 3 м/с, Р = 0,1 МПа, [8]

Агнед, °С Ятах, МКМ гф, мкс N 10-5, см"2 •с"1 %

85 300 260 1 4

72 380 300 0,95 8

50 440 450 1,32 22

Таблица 2.

Статистические характеристики процесса кипения в зависимости от скорости потока воды при д = 6 МВт/м , Агнед = 83 °С, Р = 0,17 МПа, [8]

и, м/с Ятах, МКМ гф, мкс Ип 10"5, см"2 с"1 %

6 180 130 0,95 2

3 250 260 1,15 5

1,5 320 400 1,24 9

Помимо статистических характеристик процесса недогретого кипения в работе [8] измерялись величины д, при которых наступал пережог греющей пластины. При ступенчатом увеличении д при постоянных значениях А1нед, и и Р наблюдалось слабое уменьшение (до 40%) размеров и времен жизни пузырей, в то время как заселенность пузырями греющей поверхности Ып резко росла. Пузыри начинали сливаться в, так называемые, крупные паровые агломераты,

что, по мнению автора [8], служило началом образования паровой пленки на греющей поверхности и наступлению пережога. По результатам проведенного экспериментального исследования была предложена формула (1.1) для вычисления значения теплового потока, соответствующего пережогу поверхности (qnep):

Опер = COnst • V0'5 • ^нед (1.1)

В работах [9, 10] исследовалось кипение воды недогретой до температуры насыщения в условиях вынужденного течения в канале с прямоугольным поперечным сечением 20 х 10 мм . Горизонтально расположенная пластина из никеля шириной 6 мм, толщиной 0,1 мм и длиной 30 мм, нагреваемая электрическим током, служила в качестве теплоотдающей поверхности. Пластина приклеивалась к сделанной из текстолита стенке рабочего участка.

Эксперименты проводились при величинах тепловых потоков q = 1,2-5,8 МВт/м , давлениях P = 0,12-0,37 МПа, температуре воды гж= 50-100 °С, и скорости потока и = 4 м/c. Производилась скоростная видеосъемка процесса кипения с частотой кадров 15 кГц. Было отмечено, что при неизменных режимных параметрах (q, P, AtHed, и = const) размеры и периоды образования (интервал времени от появления пузыря до появления следующего) каждого пузыря не являются одинаковыми, а также со временем изменяется число активных центров парообразования на единицу площади (Z). Если всю совокупность измеренных значений, например максимального диаметра пузырей Dmax, разбить на равные интервалы и определить, какое количество значений попадет в тот или иной интервал, то при достаточно большом количестве N рассматриваемых значений Dmax получится связь между относительным числом значений щ/N, попавших в г-ый интервал, и значением величины Dmax. А кривая, соответствующая функции щ/N = ф(Ртах), будет называться кривой распределения величины Dmax. В работе [9] было показано, что кривые распределения Dmax, периодов образования пузыря и Z являются

близкими к гамма-функциям. Причем при увеличении д в 2 раза от значения, соответствующего началу кипения, распределения Бтах оставались неизменными, в то время как при увеличении давления кривые распределения Бтах смещались в область меньших размеров. С ростом Рид кривая X смещалась в область больших значений диаметров пузырей.

Переход от статистических характеристик процесса недогретого кипения к интегральным в [9] предлагается через зависимость (1.2):

QYl = qYl•U•Z, (1.2)

где Qп - плотность теплового потока, переносимого с паровыми пузырями в ядро потока жидкости, Вт/м ;

дп - количество теплоты, переносимое одним пузырьком, Дж; и - частота образования пузырей, с"1;

X - число центров парообразования на единицу площади, м"2. С помощью обработки кадров скоростных видеосъемок в [9] были построены кривые изменения диаметра пузырей во времени и отмечено, что на начальной стадии граница пузыря перемещается со скоростью до 12 м/с.

В работе [11] исследовалось распределение центров парообразования на греющей поверхности при кипении недогретой воды в большом объеме. В качестве теплоотдающей служила плоская поверхность площадью 25,4 х 25,4 мм2 медного блока с встроенными тринадцатью картриджными нагревателями. Эксперименты проводились при атмосферном давлении в диапазоне недогревов А1нед = 2-55 °С и тепловых потоков д = 64-333 кВт/м . Измерения распределения центров производились посредством регистрации паровых пузырьков с помощью медного зонда, перемещающегося вдоль двух перпендикулярных осей в плоскости параллельной поверхности нагрева. Когда зонд попадал в область парового пузыря, то выходной сигнал на нем резко падал вследствие различия в электрической проводимости воды и пара. Расположение центра парообразования для конкретного пузыря определялось по максимальной амплитуде падения напряжения. По периодичности падения сигнала определялось количество пузырей, возникающих в единицу времени на

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Васильев Николай Викторович, 2018 год

/ г - - -

1 9 // 1/ 1

17 \\ \ 1

\\ ч\

100 200 300 400 500

время, мкс

600

700

800

900

Рисунок 2.16.

Эволюция размера парового пузыря во времени. Алюминиевая пластина с

покрытием из А120з, образованным с помощью МДО-технологии: д = 1,4

2 2

МВт/м , ру = 0 кг/(м с); А1нед = 59 °С - красный цвет, А1нед = 42 °С - синий цвет; сплошная линия - размер Ь, пунктирная линия - размер к.

По окончании этапа роста и этапа неизменного максимального размера (этап стагнации - длительность примерно 100-200 мкс) начинается уменьшение ширины пузыря Ь, в то время как к (высота) практически не изменяется. И в момент отрыва от поверхности Ь ~ к, то есть форма пузыря близка к сферической. На кадрах (Рисунок 2.17в-д) и (Рисунок 2.18в-д) видно, что перед началом уменьшения ширины Ь уменьшается пятно контакта пузыря с греющей поверхностью (сухое пятно) во время этапа стагнации, что может являться причиной начала дисбаланса испарения и конденсации в пользу конденсации. Уменьшение пятна контакта, видимо, происходит вследствие того, что пузырь

после окончания роста начинает, как видно на кадрах (Рисунок 2.17в-д) и (Рисунок 2.18в-д), постепенно отходить от греющей стенки, из-за действия инерционных сил в жидкости, приведенной в движение во время периода роста пузыря. Как видно из Рисунка 2.16 скорость роста пузыря достигает 4-5 м/с.

а

ж

в

д

и

Рисунок 2.17.

Эволюция одиночного парового пузыря. Интервал между кадрами - 60 мкс, экспозиция - 20 мкс: Atнeд = 59 °С, ру = 0 кг/(м с); q = 1,4 МВт/м . Алюминиевая пластина с покрытием из А120з, образованным с помощью МДО-технологии. Размер кадра 0,8 х 1,2 мм.

г д е

ж з и

Рисунок 2.18.

Эволюция одиночного парового пузыря. Интервал между кадрами - 100 мкс,

2 2

экспозиция - 3 мкс: Atнeд = 42 °С, ру = 0 кг/(м с); д = 1,4 МВт/м . Алюминиевая пластина с покрытием из А1203, образованным с помощью МДО-технологии.

Размер кадра 0,8 х 1,2 мм.

Полезную информацию можно извлечь из видеосъемок одиночного пузыря в профиль применительно к вопросу о деактивации центров парообразования после конденсации (схлопывания) парового пузыря, который был поднят в разделе 2.3.2. На кадрах (Рисунок 2.18 д-з) и (Рисунок 2.19 д-з) видно, что схлопывание пузыря происходит не только сверху и с боковой поверхности, но и захватывает область в донной части пузыря, где после его коллапса на греющей поверхности не остается ни паровой фазы, ни пузырька воздуха, которые в условиях кипения жидкости при температуре насыщения служат зародышами новой паровой фазы. При кипении недогретой жидкости

после схлопывания существовавшего парового пузыря процесс как бы начинается с «чистого листа».

В Таблице 6 для сравнения представлены характеристики одиночных пузырей при одинаковых параметрах режима кроме теплового потока на стенке д. Видно, что средние максимальные размеры и времена жизни с ростом q уменьшаются, но также уменьшается и период времени между отрывом предыдущего пузыря и зарождением следующего (среднее время ожидания т0ж сР)- Таким образом, более чем в 2 раза увеличивается частота отрыва пузырей от греющей поверхности.

Таблица 6.

Характеристики одиночного пузыря при различных д

Дtнe¿), °с pv, Г\ кг/(м с) д, МВт/м2 Ь итах ср? мкм к птах ср? мкм Тер, мкс *ож ср, мкс

69 0 1,35 640 500 550 5750

69 0 1,60 550 430 430 2300

Для более полного понимания механизма теплоотдачи при кипении недогретой жидкости очень важен вопрос отвода теплоты конвекцией в ядро потока уже после схлопывания пузырей. Для исследований такого рода в последнее время применяются методики с использованием современных технических средств. Например, в [89] для измерений полей скоростей и температуры в жидкости, обтекающей паровые пузыри, использовались методы PIV и цифровой голографической интерферометрии соответственно. В [90] для исследования влияния конвективных течений на образование паровой фазы при нестационарном нагреве жидкости в неподвижном пристенном зернистом слое использовались методы голографической интерферометрии и оптической иммерсионной томографии.

В настоящей работе установлена принципиальная возможность исследования отвода теплоты конвекцией в ядро потока после схлопывания

пузырей посредством анализа поведения так называемых «термиков» (фрагментов нагретой жидкости, остающихся после конденсации пузырей) с помощью метода высокоскоростной видеосъемки. На кадре (Рисунок 2.18и) можно видеть образование такого термика в результате схлопывания пузыря. На Рисунке 2.18а-г видно распространение термика, образовавшегося после схлопывания предыдущего пузыря, в ядро жидкости. Происходит одновременное размывание термика (перемешивание с ненагретой жидкостью) и его перемещение ядро потока от греющей стенки, что, вероятнее всего, обусловлено влиянием сил инерции жидкости, приведенной в движение схлопнувшимся пузырем. На Рисунке 2.19 можно видеть термик размерами (в плоскости кадра) примерно 250 х 150 мкм, движущийся в направлении ядра жидкости со скоростью примерно 0,5 м/с. При этом видно развитие внутри него двух вихрей диаметром 70-80 мкм.

а б в

Рисунок 2.19.

Движение термика к ядру потока, сопровождаемое появлением вихрей: интервал между кадрами - 80 мкс, размер кадра 0,5 х 0,5 мм.

2.5. Выводы по Главе 2

1. В соответствии с целями работы модернизирован имеющийся стенд для исследования характеристик недогретого кипения: увеличена скорость съемки до 100 кГц, сокращено время экспозиции до 3 мкс, обеспечено разрешение до 200 пикселей на мм. Реализованы синхронизированные

высокоскоростные видеосъемки в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и тепловизионные измерения температуры греющей поверхности, обеспечена возможность локализованного лазерного нагрева.

2. Проведены эксперименты по кипению недогретой воды в канале при атмосферном давлении в диапазоне параметров: ру до 650 кг/(м •с), в диапазоне недогревов А1нед = 35-75 °С. Получены данные по статистическим характеристикам кипения недогретой воды: плотности центров на единицу площади греющей поверхности, устойчивости центров кипения, распределению пузырей по размерам, эволюции формы и размеров пузыря во времени. Выявлено хаотическое пространственное распределение центров парообразования при кипении недогретой воды, и показана полная деактивация действующих центров.

3. Получены данные по влиянию недогрева и величины д на характеристики паровых пузырей: с увеличением недогрева уменьшаются максимальные размеры пузыря, время жизни и время роста; с ростом д уменьшаются максимальные размеры, время жизни и время ожидания, растет частота отрыва.

4. Показана возможность изучения динамики парового пузыря при кипении недогретой воды в области высоких д (больше 1 МВт/м ) посредством получения одиночного пузыря с помощью локализованного лазерного нагрева поверхности, что невозможно при использовании стандартных методик исследования на основе электрического нагрева.

5. Сравнение таких характеристик, как средний максимальный размер, время жизни, длительность фаз жизни и эволюция формы и размеров одиночного пузыря с результатами статистической обработки массива пузырьков, сформированных на греющей поверхности большой площади, показало их хорошее соответствие. Отсюда можно сделать вывод, что данные, полученные для одиночного пузырька, по-видимому, могут быть распространены на реальный случай недогретого кипения на протяженных поверхностях.

6. Получены новые качественные данные о поведении парового пузыря; такие, как уменьшение пятна контакта с греющей поверхностью на этапе стагнации пузыря перед началом уменьшения его размера, протекание процесса схлопывания, начиная с донной части пузыря и образование и перемещение фрагментов нагретой жидкости, остающихся после конденсации пузырей (так называемых «термиков»).

В заключение можно сформулировать следующий тезис. Полученные экспериментальные данные по статистическим характеристикам процесса кипения недогретой воды, работе центров парообразования и эволюции паровых пузырей вплоть до их схлопывания, в целом хорошо коррелируют с феноменологическим описанием Снайдера-Берглеса механизма этого процесса. Тем самым, можно сделать заключение, что эта модель с достаточным основанием может быть использована не только при феноменологическом анализе явления, но также может быть положена в основу его математического описания (моделирования).

ГЛАВА 3. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ КРИЗИСА КИПЕНИЯ НЕДОГРЕТОЙ ЖИДКОСТИ

В данной главе приведены результаты экспериментального исследования процессов, предшествующих кризису кипения недогретой жидкости. В разделе 3.1 представлено исследование поведения крупных паровых пузырей (агломератов) перед наступлением кризиса кипения недогретой воды в условиях вынужденного течения, проведенное с использованием методики синхронизованных скоростных видеосъемок процесса с высоким разрешением в двух перпендикулярных плоскостях. В разделе 3.2 описана методика и приведены результаты исследования влияния растворенного в воде газа на величину критического теплового потока при недогретом кипении в условиях большого объема.

3.1. Образование и поведение крупных пузырей вблизи кризиса кипения недогретой жидкости

Как было сказано выше в обзоре литературы (раздел 1.4), при приближении плотности теплового потока к критической в потоке охладителя возникают крупные паровые образования (агломераты). Прохождение в канале такого парового агломерата ухудшает подпитку жидкого слоя между ним и греющей стенкой, что существенно влияет на наступление кризиса. Однако данное явление наблюдалось только в области относительно низких недогревов. Исходя из этого актуальной задачей является разработка надежной методики для исследования характеристик паровых агломератов (размеров, формы, частоты образования и т.д.), а также влияния на них таких параметров режима, как недогрев, плотность теплового потока, скорость жидкости. Не менее важной задачей является исследование формирования сухих пятен на

греющей поверхности при прохождении в потоке таких паровых образований. Данным вопросам посвящен настоящий раздел диссертации.

3.1.1. Установка и методика проведения экспериментов

Исследования проводились на установке, описанной в разделе 2.1. Для анализа процесса недогретого кипения в режиме крупных пузырей производились съемки на две скоростные видеокамеры ВидеоСпринт/СЮ4 (в фас) и ВидеоСпринтЮ2 (в профиль) (Рисунок 3.1).

Рисунок 3.1.

Общий вид рабочего участка и основных элементов установки.

Опыты проводились при динамическом непрерывном повышении тепловой нагрузки от д* = д/дкр = 0,5 - 0,6 до д* = 1 (пережог теплоотдающей пластины) за время г = 2,5 с. Это время лимитировалось объемом буферной

памяти используемых видеокамер при частоте съемки 2 кГц. Размер изображения на видеокамере при съемке в фас подбирался так, чтобы ширина греющей пластины занимала всю ширину кадра. В кадры обеих видеокамер попадала выходная часть обогреваемой пластины протяжённостью примерно 15 мм, что составляет половину всей её длины.

Съемка двумя видеокамерами с экспозицией 20 мкс велась синхронно. Также осуществлялась синхронизация видеосъемок с работой системы сбора данных (ССД), посредством которой производилась запись значений силы тока и падения напряжения на греющей пластине с частотой 1 кГц (один раз на два кадра видеосъемки). Синхронизация осуществлялась с помощью импульса амплитудой 5 мВ длительностью 25 мкс, испускаемого генератором марки Г5-54. Плотность теплового потока q рассчитывалась с учетом площади поверхности пластины, омываемой жидкостью, пренебрегая тепловыми потерями в тело рабочего участка. В качестве ССД использовался АЦП на базе шасси NI Compact DAQ-9178 фирмы National Instruments, с последующим выводом данных на персональный компьютер. Падение напряжения на греющей пластине регистрировалось с помощью одного из четырех каналов модуля NI 9215, подключенного к шасси. Сила тока в пластине с помощью шунта типа Р114, выдающего 30 мВ на максимальном токе от источника в 200 А, регистрировалась на модуль NI 9211, воспринимающий входные сигналы до 80 мВ. Для управления системой сбора данных была написана оригинальная программа в среде Lab VIEW. На Рисунке 3.2 представлена блок-диаграмма программы.

Эксперименты проводились на пластине из нихрома Х20Н80 толщиной 0,2 мм в атмосферных условиях при трех режимах, отличающихся степенью недогрева воды до температуры насыщения: AtHed = 70 °C; 43 °C и 23 °C и массовой скорости потока pv = 660 кг/(м с).

Работа программы

Пуск

Î-TTFl-

Количество записанных

llJüm-

J

Частота записи данных, Гц

Время записи, с

ма

Идет запись ! файл

! Ltfu

Запись е файл

: m

DAQ Assistant

data

В

Напряжение

Сила тока

Путь к файлу

|Ра1>,г1

-iMeasured Data

2 канал (Напряжение, В) (N19215)

1 канал (Сила тога, А) (N19211)

Рисунок 3.2.

Блок-диаграмма программы ССД в среде LabVIEW.

3.1.2. Результаты исследований образования и поведения крупных паровых пузырей и сухих пятен

При достижении значительной величины теплового потока (д* ~ 0,75 -0,8) появлялись крупные пузыри (агломераты) несферической формы, образующиеся в результате слияния пузырей меньшего размера. Общий характер поведения таких агломератов оставался тем же, что и у менее крупных пузырей: они зарождались хаотично в произвольных точках греющей поверхности и после различной (также хаотичной) эволюции размеров и формы отрывались от стенки и схлопывались. Количество и размеры паровых агломератов увеличивалось с ростом д и при уменьшении Лtнeд. При недогреве ^нед = 23 ^ такие крупные пузыри имели вид «пробки», занимающей почти всё сечение канала над обогреваемой поверхностью. При А^д = 70 ^ их средние размеры составляли: в длину I = 4,5 мм, в высоту к = 2,25 мм и в ширину Ь = 2 мм [91] (Рисунок 3.3).

а

Рисунок 3.3.

Паровые агломераты: а - вид в фас, размер кадра 3,0 х 10,6 мм; б - вид в профиль, размер кадра 4,0 х 10,6 мм. А1нед = 70 °С; ру = 660 кг/(м2 с); Р = 0,1 МПа; д* = 0,95.

Через некоторое время после появления агломератов на поверхности греющей пластины вблизи её центра образовывались локальные сухие пятна (при д* ~ 0,9). Следует отметить, что с появлением сухих пятен количество агломератов резко снижалось, и они совсем пропадали, что также показано в [92]. Со временем при повышении тепловой нагрузки д* > 0,9 размер сухих пятен увеличивался, и они сливались в продольном направлении в сплошную паровую пленку, под которой затем наступал пережог. При этом видно, что сухие пятна сливаются в паровую пленку в продольном направлении, а затем уже она расширяется до полной ширины пластины (Рисунок 3.4). Скорее всего,

причиной этому служит более легкий доступ жидкости к периферии греющей поверхности, чем к её центру.

Рисунок 3.4.

Слияние сухих пятен. Последовательные кадры через 150 мс: А1нед = 43 °С; ру = 660 кг/(м с); Р = 0,1 МПа. Размер кадра: 3,5 х 17,9 мм.

Следует отметить, что в случае А1нед = 23 0С после режима крупных пузырей в форме «пробки» паровая пленка с переменной во времени толщиной к = 0,7-2 мм сразу появлялась вдоль всей длины пластины без предварительного образования отдельных сухих пятен (Рисунок 3.5).

Процессы, происходящие в микрослое под паровым пузырем и определяющие температурный режим греющей стенки, и процессы в потоке жидкости, управляющие отводом тепла от паровых пузырей, в известной степени независимые и саморегулирующиеся [93]. Возникающие при приближении к кризису сухие пятна, под которыми греющая поверхность имеет повышенную температуру, являются очагами температурных возмущений (неустойчивостей) конечной величины, определяемой их

размерами и температурой поверхности под ними. Можно полагать, что определенного прогресса в описании механизма наступления кризиса кипения недогретой жидкости можно достигнуть, используя для анализа термической (температурной) устойчивости системы «греющая стенка - испаряющийся микрослой жидкости - паровой пузырь» к конечным температурным возмущениям подходы, разработанные С.А. Ковалевым [94].

б

Рисунок 3.5.

Паровая пленка на поверхности нагрева, А^ед = 23 ^ ру = 660 кг/(м с);

Р = 0,1 МПа: а - вид в фас, размер кадра 3,7 х 18,7 мм; б - вид в профиль, размер кадра 3,3 х 18,7 мм.

Зависимость доли поверхности, занятой крупными пузырями ¥* при д* = 0,95 от степени недогрева Atнeд представлена на Рисунке 3.6. В этих условиях критическая плотность теплового потока (д в момент пережога греющей пластины) уменьшается от 9 до 5 МВт/м2 при снижении недогрева от 70 0С до 23 0С (Рисунок 3.7).

Рисунок 3.6.

Зависимость доли поверхности нагрева, занятой крупными пузырями, Г* от недогрева при д* = 0,95: ру = 660 кг/(м с); Р = 0,1 МПа.

Рисунок 3.7.

Зависимость критической плотности теплового потока от недогрева: ру = 660 кг/(м с); Р = 0,1 МПа.

Нужно отметить, что при малых недогревах крупные пузыри оккупируют всю греющую поверхность. Напротив, при больших недогревах наблюдались относительно небольшие пузыри, занимающие лишь малую часть греющей поверхности (Рисунке 3.6). В то же время плотность критического теплового потока при больших недогревах заметно выше (Рисунке 3.7). Это указывает на различный механизм наступления кризиса теплоотдачи. Если в случае малых недогревов он, скорее всего, происходит вследствие высыхания жидкой плёнки под большими или близко расположенными паровыми агломератами, согласно модели высыхания жидкостного подслоя [47, 48], то в случае высоких недогревов - к кризису, по-видимому, ведёт исчерпание потенциала отвода тепла конденсации от куполов пузырьков турбулентной конвекцией в поток жидкости, согласно модели Ягова [49].

Ещё раз обратим внимание на то, что наступлению кризиса кипения недогретой воды в канале предшествует кардинальное изменение структуры течения - появление в потоке жидкости крупных паровых агломератов, что несет в себе угрозу гидравлической разверки аппарата, и возможность наступления аварийной ситуации ещё до кризиса кипения.

3.2. Влияние растворенного газа на критический тепловой поток при кипении недогретой жидкости

В работах [40, 95] было показано, что повышенное содержание растворенного газа негативно влияет на величину дкр. Однако с точки зрения механизма, ввиду отсутствия современных средств визуализации процесса, не было дано объяснения влиянию такого рода.

Нами была произведена визуализация процесса кипения воды, содержащей растворенный газ, с помощью скоростной видеосъемки на простой модели в условиях большого объема.

Для расширения исследованной в [40] области эксперименты проводились в условиях близких к атмосферным, то есть существенно отличающихся от имевших место в указанных работах.

3.2.1. Установка и методика проведения экспериментов

На Рисунке 3.8 представлена схема рабочего участка установки. В качестве поверхности кипения использовался капилляр из нержавеющей стали 1Х18Н9Т диаметром 1 мм, толщиной стенки 0,1 мм и длиной 22 мм. Капилляр обогревался электрическим током, который подводился к нему с помощью двух медных токоподводов диаметром 8 мм. Крепление осуществлялось посредством пайки с использованием припоя ПОСК 50-18.

Капилляр помещался в емкость с жидкостью объемом 1 литр.

Эксперименты проводились при динамическом повышении тепловой нагрузки вплоть до пережога капилляра. С помощью цветной скоростной видеокамеры ВидеоСпринт/СЮ4 проводилась съемка процесса кипения с частотой кадров 2 кГц при экспозиции 50-400 мкс. Синхронизировано с видеосъемкой осуществлялась запись значений силы тока и падения напряжения на капилляре на ССД с частотой 1 кГц (аналогично методике, изложенной в разделе 3.1.1), с помощью которых с учетом площади греющей поверхности затем рассчитывалась величина q. Посредством трех фонарей-осветителей, расположенных по бокам и сверху от видеокамеры, осуществлялась подсветка. В качестве фона использовался белый лист бумаги. В дополнение к скоростной видеокамере использовалась фотокамера Casio EX-F1, позволявшая осуществлять съемку с частотой до 1200 Гц. Температура воды измерялась с помощью термопары хромель-алюмель, спай которой был размещен в объеме жидкости.

Рисунок 3.8.

Схема рабочего участка установки: 1 - токоподводы; 2 - капилляр.

В работе использовалась вода трех видов: насыщенная CO2 до ~0,3% по массе, дистиллированная недегазированная, деаэрированная четырехчасовым кипячением (дегазированная). Эксперименты проводились в условиях большого объема при атмосферном давлении в диапазоне недогревов AtHed = 4996 0С.

3.2.2. Метод идентификации газовых пузырей

В работах [88, 96] было показано, что наблюдавшаяся в экспериментах по кипению недогретой воды эмиссия микропузырьков [97, 98] (microbubble emission boiling - MEB) есть испускание (эжекция) воздушных пузырьков. Растворенный в воде воздух поступает в пузырь вместе с испаряющейся жидкостью и после схлопывания такого паровоздушного пузыря (конденсации пара) эжектируется в ядро потока в виде микропузыря размером до 50 мкм.

При недогревах AtHed > 12 0С паровые пузыри конденсируются непосредственно у греющей поверхности сразу после отрыва, не перемещаясь в ядро потока [99]. При этом время схлопывания после отрыва составляет доли

миллисекунд. С увеличением степени недогрева это время уменьшается, например, при А^ед = 55 0С в условиях большого объема при q = 1,4 МВт/м2 оно составляет 100-180 мкс. В работе с помощью скоростной видеосъемки [88] было показано существование микропузырьков в ядре потока жидкости, которые в течение 6 мс даже не изменились в размерах (Рисунок 3.9). Недогрев воды при этом имел значение Atнeд = 70 0С, что соответствует температуре воды 30 0С.

500 мкм

Рисунок 3.9.

Движение пузырьков воздуха с потоком холодной воды. Кадры скоростной видеосъемки: скорость потока V = 0,5 м/с, Atнeд = 70 0С, q = 2,24 МВт/м2.

Направление течения воды - слева направо, [88].

В настоящей работе с помощью скоростной видеосъемки производилась идентификация газовых пузырей от паровых по следующим признакам:

- Паровые пузыри - живут в течение 300-800 мкс, не могут существовать без соприкосновения с поверхностью нагрева;

- Газовые пузыри - способны неограниченное время существовать в объеме воды без соприкосновения с поверхностью нагрева, не изменяя размеров.

На кадрах, снятых на камеру Casio EX-F1, представлено начало кипения недеаэрированной дистиллированной воды при AtHed = 90 0С (температура воды 10 0С) (Рисунок 3.10). После опускания капилляра в стакан с водой видно как на его поверхности выделяется воздух (Рисунок 3.10а) (температура капилляра примерно 28 0С). Затем в процессе нагрева капилляра электрическим током крупные воздушные пузыри всплывают (Рисунок 3.10а-г). На кадрах хорошо видно существование пузырьков в объеме холодной воды (температура 10 0С) в течение 100 мс и более. Это говорит о том, что пузырьки состоят из газа (в данном случае - воздуха).

Рисунок 3.10.

Кипение недеаэрированной дистиллированной воды в большом объеме, ^нед = 90 0С. Интервал между кадрами 83 мс.

3.2.3. Результаты исследования

На Рисунке 3.11 представлены полученные нами экспериментальные данные по критическим плотностям тепловых потоков, опубликованные в [100]. Видно, что степень дегазации воды существенно влияет на величину дкр. Это особенно проявляется при значительных недогревах до температуры насыщения. С уменьшением А1нед значения критических тепловых потоков сближаются. При этом необходимо помнить, что в диапазоне температур 20-60 0С растворимость С02 в воде существенно падает.

¿/к0> МВт/м2

40 50 60 70 80 90 А^ед, °С

Рисунок 3.11.

Влияние растворенного газа на критическую плотность теплового потока при кипении недогретой воды в большом объеме на капилляре: 1 - вода, насыщенная углекислым газом; 2 - недегазированная вода; 3 - дегазированная вода.

Суммарный объем образующихся газовых пузырей напрямую связан со степенью дегазации жидкости. Он уменьшается при переходе от специально насыщенной газом жидкости к недегазированной жидкости, не подвергшейся

специальному насыщению, и далее к жидкости, подвергшейся дегазации. Это наглядно продемонстрировано на Рисунке 3.12.

в

Рисунок 3.12.

Кадры видеосъемок кипения воды в большом объеме на капилляре при Р = 0,1 МПа, д = 6 МВт/м , Агнед = 90°С, диаметр капилляра д,кап = 1 мм: а - дегазированная вода; б - недегазированная вода; в - вода, насыщенная углекислым газом.

На Рисунке 3.12 видно, что количество, размеры и форма парогазовых образований существенно различны для насыщенной газом и дегазированной жидкостей. В случае кипения насыщенной газом воды создаются условия для образования длительно существующих крупных газовых агломератов (диаметром до нескольких мм), экранирования ими греющей поверхности и затруднения доступа к ней «свежих» порций жидкости.

Иллюстрацией к сказанному является видеосъемка развития кризиса кипения на капилляре (Рисунок 3.13). Видно, как под крупными газовыми пузырями формируется перегретая зона, ведущая к расплавлению в этом месте рабочего участка. Малая тепловая инерция тонкостенного капилляра способствует ускоренному развитию этого процесса.

Рисунок 3.13.

Кадры развития кризиса кипения на капилляре в насыщенной углекислым газом воде при Р = 0,1 МПа, Агнед = 90°С, = 8,2 МВт/м , = 1 мм.

Интервал между кадрами 42 мс.

В случае дегазированной воды кризис теплоотдачи возникает при испарении жидкой пленки под паровым пузырем (Рисунок 3.14). Для этого требуется более высокая подводимая тепловая мощность, поскольку в более широком диапазоне плотностей теплового потока сохраняется возможность притока «свежей» жидкости к поверхности кипения. Каждая единица объема подтекающей к пузырю и испаряющейся в него воды приносит с собой определенное количество растворенного в ней газа. Будучи неспособным

конденсироваться, этот газ сохраняется в жидкости после схлопывания парового пузыря, образуя периодически всплывающие или сидящие на греющей поверхности газовые пузыри.

Кадр №05327 500/100 <мкс/мкс> [ ] Окно :1280x250:1 55/0/1 0/255

* »ли*

^ Ч»; '

Рисунок 3.14.

Кадры развития кризиса кипения на капилляре дегазированной воды при Р = 0,1 МПа, Агнед = 90°С, дкр = 16,7 МВт/м2, (1тп = 1 мм. Интервал между кадрами 7 мс.

В отличие от кипения недогретой воды, при кипении жидкости при температуре насыщения происходит отрыв пузырей от греющей стенки и унос их в ядро потока (объем жидкости). При этом пузыри уносят с собой и выделившийся газ, который составляет в этой ситуации малую долю общего объемного газосодержания двухфазного потока. То есть, накопление пузырьков газа у поверхности нагрева есть специфика недогретого кипения жидкости, содержащей растворенный газ.

Представленный выше анализ неправомерно в полной мере распространять на условия вынужденного течения, так как поток жидкости

способствует сносу газовых пузырей с поверхности нагрева, снижает интенсивность их накопления у греющей поверхности. Можно полагать, что с ростом ру степень влияния концентрации растворенного газа на дкр будет снижаться, так как накопление газа у греющей стенки потребует более продолжительного отрезка времени и при ограниченной продолжительности эксперимента может не проявиться вообще.

3.3. Выводы по Главе 3

1. Проведены скоростные синхронизованные видеосъемки с высоким разрешением в двух взаимно перпендикулярных плоскостях процесса кипения потока недогретой воды при высоких значениях д вплоть до пережога поверхности. Описана эволюция структуры парожидкостного потока при приближении и наступлении пережога в режиме динамического повышения д. Отмечены отличия в протекании процесса при разных значениях недогрева воды до температуры насыщения. Показана возможность применения данной методики для исследования кризиса кипения потока недогретой жидкости.

2. Показано, что наступлению кризиса кипения недогретой воды в канале предшествует кардинальное изменение структуры течения - появление в потоке жидкости крупных паровых агломератов, что несет в себе угрозу гидравлической разверки аппарата, и возможность наступления аварийной ситуации ещё до кризиса кипения.

3. При кипении насыщенной газом недогретой до температуры насыщения жидкости создаются условия для накопления газа у греющей поверхности, экранирования последней от поступления свежей воды из ядра потока и, следовательно, для более раннего кризиса теплоотдачи. Газ поступает к поверхности нагрева с испаряющейся в пузыри жидкостью и остается там после конденсации пара и схлопывания паровых пузырьков. В большей мере эта ситуация характерна для кипения в большом объеме.

4. КИПЕНИЕ НЕДОГРЕТОЙ СТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ

ЖИДКОСТИ НА

В разделе 1.5 приведен обзор влияния модификаций теплоотдающей поверхности с использованием микро- и наноструктур на кипение жидкости при температуре насыщения. Показано, что интенсификация теплоотдачи весьма ощутима при создании поверхностей с регулярной или нерегулярной шероховатостью микронного размера, соизмеримой с характерными размерами паровых зародышей. Там же поставлен вопрос, можно и целесообразно ли с помощью аналогичных модификаций структуры поверхности кипения дополнительно интенсифицировать теплоотдачу и увеличить КТП при кипении недогретой жидкости. При решении такой задачи целесообразно делать акцент на исследованиях характеристик механизма кипения, таких как плотность центров парообразования, устойчивость их работы, размеры пузырей, продолжительность их жизни и т.п. Так как только через совокупную картину процесса со многими взаимозависимыми и взаимно влияющими факторами можно с хорошей достоверностью судить о перспективности такого подхода к интенсификации теплоотдачи.

В качестве модифицированных поверхностей использовались два типа покрытий. Первое - полученное методом осаждения наночастиц при кипении наножидкости. Данный метод нанесения покрытий является довольно популярным - он был использован в более чем 20 экспериментальных работах по интенсификации кипения жидкости при температуре насыщения [54, 101104] и тем самым имеет широкую сравнительную базу. Второе - покрытие, нанесенное методом микродугового оксидирования (МДО). Данный метод весьма перспективен в плане практической реализации: он дает хорошо воспроизводимые результаты, в том числе и на поверхностях сложной формы.

4.1. Технологии изготовления покрытий и их характеристики

4.1.1. Покрытие, нанесенное методом осаждения наночастиц при кипении наножидкости

Нанесение покрытий методом осаждения частиц Л120з при кипении наножидкости производилось по технологии [105] в НИУ МЭИ под руководством проф. Ю.А. Кузмы-Кичты. Покрытие наносилось на поверхность нихромовой пластины длиной 30, шириной 4 и толщиной 0,2 мм. Толщина покрытия составляла 1-3 мкм. Мезорельеф на поверхности фольги образовывался в результате осаждения частиц Л1203 из наножидкости, кипевшей на поверхности пластины. Наножидкость представляла собой дистиллированную воду с добавкой частиц Л1203 средним размером 100 нм. Концентрация наночастиц по массе составляла 0,001%. Продолжительность кипения - 30 мин при плотности теплового потока 150-200 кВт/м . Выбор Л1203 в качестве материала покрытия был обусловлен тем, что в диапазоне температур от комнатной до 200 °С он обладает высокой теплопроводностью (20-30 Вт/(м К) для сплошного материала), т.е. она находится на уровне, типичном для конструкционных сталей. Покрытие толщиной 1-3 мкм сохраняло свою целостность в процессе экспериментов, тогда как 10 мкм покрытие постепенно разрушалось.

Фотографии поверхности в плане (Рисунок 4.1) получено с помощью электронного микроскопа Nova NanoSEM 650. На Рисунке 4.1а можно различить отдельные наночастицы и их агломераты размером 200-300 нм. Поверхностная шероховатость требуемого микронного размера (перемычки и углубления) формируется в результате «слияния» таких агломератов. Их можно видеть на фотографии с большим увеличением (Рисунок 4.16).

^ 24.43 nm

Ж

а

Рисунок 4.1.

Микрофотография покрытия, образованного осаждением частиц Al2O3 при кипении наножидкости. Масштаб: а - 1 мкм; б - 10 мкм.

Таким образом, по своим геометрическим характеристикам покрытия, образованные кластерами наночастиц, создают мезо (микро) рельеф на исходной гладкой поверхности. В [106] было показано, что покрытие из частиц Al2O3, как правило, уменьшает краевой угол смачивания. В некоторых случаях он снижался от 81° для гладкой поверхности без покрытия до 9° на поверхности с покрытием.

4.1.2. Покрытие, нанесенное методом микродугового оксидирования

Нанесение покрытий методом микродугового оксидирования (МДО) производилось в МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского под руководством проф. A.B. Эпельфельда. Покрытия, полученные с помощью МДО-технологии, формировались на поверхности титановой пластины марки ВТ 1-0 толщиной 0,2 мм. Согласно описанной в [86, 87] технологии исходные образцы погружались в ванну с силикатно-щелочным электролитом (2 г/л KOH + 6 мл/л Na2SiO3). Где под воздействием микродуговых электрических разрядов в анодно-катодном режиме с частотой 50 Гц при плотности тока 15 А/дм в течение

приблизительно 10 минут благодаря химическому взаимодействию металла основы и компонентов электролита на поверхности пластины образовывался слой оксида титана Ti02 толщиной 10 мкм. Выбор данной технологии имел под собой следующие основания. Во-первых, исключались проблемы обеспечения надежного теплового контакта между поверхностью и покрытием (коэффициент теплопроводности сплошного Ti02 при ~200 °С составляет 7 Вт/(м К)). Во-вторых, выросшее из массива металла основы покрытие обладает высокой механической прочностью и химической стабильностью.

Микрофотографии покрытия, выполненные также с помощью электронного микроскопа Nova NanoSEM 650, представлены на Рисунке 4.2. Следует указать на более высокую когезию элементов структуры Ti02, образованных с помощью МДО-технологии, по сравнению со сцеплением частиц Л1203, полученных осаждением при кипении наножидкости. Это улучшает тепловой контакт между частицами.

На Рисунке 4.2а видны многочисленные поры диаметром от 100 нм до 1 мкм. Пористость покрытия, определенная электрическим методом (по терминологии авторов [86]), составляла 13±3 %. На Рисунке 4.26 видны неоднородности поверхности размером несколько мкм. Подобные неоднородности практически отсутствуют в покрытиях из Л1203 (Рисунок 4.16).

Следует подчеркнуть, что характерные геометрические размеры образованных методом МДО структур достаточно хорошо соответствуют типичным толщинам микрослоя под паровыми пузырями и значениям радиуса критического парового зародыша.

На Рисунке 4.3 видно, что нанесение МДО-покрытия улучшает смачиваемость поверхности (угол смачивания снижается от 85° до 20°). Изменение характеристик теплоотдачи при наличии такого покрытия является результатом совокупного воздействия изменения структуры поверхности кипения и характеристик смачивания.

а б

Рисунок 4.2.

Микрофотография покрытия из ТЮ2, сформированного с помощью МДО-технологии. Масштаб: а - 1 мкм; б - 10 мкм.

Рисунок 4.3. Угол смачивания на поверхности: а - титана марки ВТ 1-0 (в = 85°); б - покрытия из ТЮ2, полученного методом МДО (в = 20°).

4.2. Методика проведения исследования

Исследования проводились на экспериментальной установке, описанной в разделе 2.1. Для анализа статистических характеристик кипения недогретой воды применялась визуализация процесса посредством высокоскоростной

видеосъемки. Методика проведения опытов и обработка данных были аналогичны, описанным в разделе 2.2.1.

Эксперименты проводились в следующем диапазоне режимных параметров: массовая скорость ру до 1300 кг/(м с); рабочее давление Р ~ 0,1 МПа; недогрев воды до температуры насыщения Агнед = 30-75 °С; плотность теплового потока д = 0,7-5 МВт/м . Нижнее значение плотности теплового потока отвечает началу пузырькового кипения, верхнее - плотности паровых пузырьков на стенке, при которой становится затруднительной визуализация процесса кипения.

4.3. Результаты исследования

Число центров парообразования, устойчивость их работы

Выше отмечалось, что создание структурированных поверхностей увеличивает число углублений на единицу площади греющей поверхности, что в условиях кипения жидкости при температуре насыщения обеспечивает рост плотности активных центров парообразования, за счет чего происходит интенсификация теплоотдачи. Однако при экспериментах по кипению недогретой воды на обоих типах специально созданных структурированных поверхностей, также как в случае гладких греющих поверхностей, наблюдалось хаотическое распределение центров парообразования (Рисунок 4.4). Исходя из полученных экспериментальных данных, можно сделать вывод, что искусственно созданные центры парообразования также не являются постоянно действующими.

а

Рисунок 4.4.

2

Распределение центров парообразования, Atнeд = 75 °С, ру = 650 кг/(м с): а - покрытие из наночастиц, д = 2,3 МВт/м , размер кадра 2,3 х 2,8 мм; б - МДО-покрытие, д = 2,7 МВт/м , размер кадра 4 х 2,5 мм. Кадры сняты последовательно через 1 мс.

Количество паровых пузырей несильно менялось при переходе от гладких к структурированным греющим поверхностям. На Рисунке 4.5 представлена зависимость числа пузырей на единицу площади в единицу времени для гладкой поверхности и поверхности с МДО-покрытием (данные для покрытия из наночастиц Al2O3 представлены в [107, 108]). Наиболее вероятно, что наблюдаемое слабое отличие в суммарном количестве пузырей при кипении недогретой жидкости обусловлено деактивацией активных центров парообразования. В равной мере весьма «эффективной» независимо от того, имеем ли мы дело с естественными или искусственными впадинами.

МВт/м2 Рисунок 4.5.

Зависимость числа пузырей на 1 см2 в секунду от плотности теплового потока, ^„ед = 75 °С, ру = 650 кг/(м с): 1 - на гладкой поверхности;

2 - на поверхности с МДО-покрытием.

Размеры пузырей

На Рисунке 4.6 представлены распределения пузырей по размерам для поверхности с МДО-покрытием и технически гладкой поверхности нержавеющей стали для сравнения. Видно, что, несмотря на различия в морфологии и материале, кривые достаточно близки друг к другу. Тот же эффект прослеживается при сравнении распределений пузырей по размерам на гладкой поверхности и поверхности из осажденных наночастиц А1203 (Рисунок 4.7).

/V

0.4

0.35 0,3 0.25 0.2 0.15 ОД 0.05 О

2

Л

О 100 200 300 400 500 600 700 800

(1, мкм

Рисунок 4.6.

2

Распределение пузырей по размерам, А1нед = 75 °С, ру = 650 кг/(м с), д = 3,6 МВт/м , N - доля от полного количества пузырей: 1 -гладкая поверхность;

2 - поверхность с МДО-покрытием.

N

0.7

0:6 0.5 ОД 0:3 0.2 ОД 0

2

150 300 450

(I, мкм

600

7 50

Рисунок 4.7.

2

Распределение пузырей по размерам, Atнeд = 75 °С, ру = 650 кг/(м с), д = 2,3 МВт/м , N - доля от полного количества пузырей: 1 -гладкая поверхность; 2 - поверхность с покрытием из осажденных наночастиц А1203.

На Рисунке 4.8 представлены средние диаметры пузырей, рассчитанные по формуле (2.3). Видно, что при меньшем значении Atнe¿ средние диаметры пузырей заметно выше. На Рисунках 4.9 и 4.10 можно видеть, что количество пузырей и их средние размеры увеличиваются с уменьшением недогрева до температуры насыщения и массовой скорости потока жидкости соответственно. Скорее всего, размер пузырей определяется охлаждающей способностью жидкости, т.е. скоростью ее течения, величиной недогрева, коэффициентом теплопроводности и удельной теплоемкостью обтекающей пузырь жидкости. Влияние морфологии поверхности играет вторичную роль.

Рисунок 4.8.

Средние диаметры паровых пузырей в зависимости от плотности теплового потока, поверхность с МДО-покрытием, ру = 650 кг/(м с): 1 - А^ед = 75°С; 2 - А^ед = 35°С.

а б

Рисунок 4.9.

Кадры видеосъемок процесса кипения на поверхности с МДО-покрытием, Я = 2,9 МВт/м2, ру = 1300 кг/(м2 с): а - А^д = 75 °С; б - А^ = 35 °С.

Размер кадра 4 х 2,5 мм.

а б

Рисунок 4.10.

Кадры видеосъемок процесса кипения на поверхности с МДО-покрытием, я =

2,9 МВт/м2, А^ед = 75 °С: а - ру = 1300 кг/(м2 с); б - ру = 650 кг/(м2 с).

Размер кадра 4 х 2,5 мм.

Интенсивность теплоотдачи

Представленный выше материал свидетельствует об определяющем влиянии недогрева жидкости до температуры насыщения (т.е. режимного фактора) на характеристики кипения (механизм процесса). Вследствие этого можно было ожидать, что структура греющей поверхности не окажет сильного

влияния на интенсивность теплоотдачи. Во всяком случае эффект окажется менее сильным, чем при кипении жидкости при температуре насыщения.

Прежде всего, обращает на себя внимание высокий уровень теплоотдачи,

5 2

значения КТО достигают 10 Вт/(м К) и более, как на пластинах со структурированной греющей поверхностью, так и на гладких образцах (Рисунок 4.11). Видно также, что покрытие, сформированное методом МДО, интенсифицирует теплоотдачу (значение КТО возрастает примерно на 20-30%), тогда как структурированная поверхность, нанесенная осаждением частиц Al2O3 при кипении наножидкости, оказывает отрицательное влияние -теплоотдача снижается. По-видимому, это связано с более хорошим термическим контактом между элементами покрытия и между покрытием и подложкой в случае создания структурированной поверхности методом МДО.

4

3.5 3

гц 2 5

S 5 н

а 2

а

^ 1.5 1

0.5 0

10

1 9 ■ Р

\ / I, Í 1

\ h !

1

1 а

>

гК

- Чз » ч4 I

20 30

J t °г

-"нас»

40

Рисунок 4.11.

Кривые кипения недогретой воды при Р = 0,1 МПа, Лtнeд = 75 °С, ру = 650 кг/(м с): 1 - титан; 2 - титан (МДО-покрытие); 3 - нихром; 4 - нихром (покрытие из наночастиц Л120з).

Тем самым, целесообразность структурирования поверхности нагрева с целью интенсификации теплоотдачи при отводе высоких плотностей тепловых потоков кипением недогретой воды в канале неочевидна. Тем более, что структурирование поверхности заметно усложняет технологию изготовления аппаратов и удорожает их. Данный вывод, естественно, не распространяется на аппараты криогенной техники, где борьба идет за каждый градус.

4.4. Выводы по Главе 4

1. Экспериментальные данные по характеристикам механизма кипения недогретой воды в условиях вынужденного течения на поверхностях, сформированных методом МДО и осаждением наночастиц Л120з из кипящей наножидкости, показывают, что в исследованном диапазоне режимных параметров такие характеристики процесса как устойчивость центров кипения, хаотичность их распределения в пространстве, плотность центров на единицу площади греющей поверхности, распределение пузырей по размерам, эволюция пузыря во времени слабо зависят от типа структурированной поверхности и определяется, прежде всего, величиной недогрева жидкости до температуры насыщения. С известной осторожностью этот вывод можно распространить на другие структурированные поверхности.

2. Структурированные поверхности, сформированные методом микродугового оксидирования и имеющие хороший тепловой контакт между частицами и частицами и подложкой, надежно интенсифицируют теплоотдачу. Поверхности, полученные осаждением наночастиц из кипящей наножидкости, дают неоднозначную картину по интенсификации теплоотдачи, полученный эффект зависит от шероховатости исходной поверхности и степени когезии частиц покрытия между собой и с подложкой.

3. Коэффициенты теплоотдачи при кипении недогретой воды как на структурированных, так и на гладких поверхностях достаточно высоки, они

5 2

составляют 105 Вт/(м2К) и более. Поэтому при выборе и оптимизации систем

охлаждения, использующих кипение недогретой воды, первостепенное внимание должно быть уделено воспроизводимости характеристик и эксплуатационной надежности работы аппаратов со структурированными поверхностями нагрева и их элементов в условиях длительного срока службы.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ КИПЕНИЯ НЕДОГРЕТОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ NOVEC 649

Производительность и быстродействие современных компьютеров и суперкомпьютеров продолжают стремительно нарастать. Продолжает увеличиваться, хоть и менее высокими темпами, потребляемая компьютерами мощность, которая у наиболее мощных машин достигает уже десятков и даже сотен киловатт. Процесс увеличения мощности компьютеров сопровождается ростом плотности «упаковки» их элементов (процессорных и логических блоков, блоков питания и т.д.). Соответственно возрастает и суммарная тепловая мощность, отводимая от элементов и компьютера в целом и, что особенно важно, плотность отводимых тепловых потоков. В ближайшие несколько лет речь идет об отводе 15-35 Вт/см . Плотность отводимого теплового потока в 50 Вт/см является ориентиром на чуть более отдаленную перспективу, как некое осредненное значение, а в центральных зонах охлаждаемых поверхностей, где растечки тепла минимальны (в так называемых

«горячих точках» (hot spots)) уже сегодня можно, как о задаче, говорить о

22

плотности отводимого потока

100 Вт/см2 (1 МВт/м2),

а в отдельных точках

2 2 2 площадью порядка 1 мм до

500 Вт/см2 (5 МВт/м2) [109]. При

этом,

сохраняются требования к предельным значениям температуры «интерфейса»

(внешней стороны поверхности охлаждения чипов) - 70-75 °С. Уместно

отметить, что в системах охлаждения силовой полупроводниковой электроники

максимальная плотность отводимого теплового потока нередко достигает 20022 300 Вт/см (зачастую речь идет даже о

500 Вт/см2)

при сохранении уровня

температуры охлаждающей поверхности 60-100 °С.

Обычно выделяют три поколения систем охлаждения компьютеров [109, 110]. В первом поколении (Gen-1) в качестве охладителя используется воздух, обдувающий либо непосредственно чипы, либо оребренные элементы (радиаторы) плат, к которым крепятся чипы, и по которым растекается

выделяемое ими тепло (Рисунок 5.1). Системы охлаждения такого типа продолжают широко применяться в персональных компьютерах, ноутбуках. Основной задачей здесь является поддержание на требуемом уровне температуры обдувающего воздуха (кондиционирование воздуха).

Плата крепления чипов

Радиатор

Теплопроводящий контакт

Воздух

Рисунок 5.1.

Схема воздушного охлаждения чипов вынужденной конвекцией (Gen-1).

В системах второго поколения (Gen-2) [111, 112] охлаждение носит нацеленный (локальный) характер. В данном случае компьютерные чипы охлаждаются с помощью внешних, непосредственно контактирующих с ними охлаждающих устройств - ватерблоков (waterblocks). Основание ватерблока, выполненное из высокотеплопроводного материала (медь или алюминий), внешней стороной крепится с помощью термопасты к процессору, а с внутренней стороны омывается водой. В англоязычной литературе такие

системы получили название «attached cooling system». Эти системы рассчитаны

22

на отвод тепловых потоков плотностью до 80-100 Вт/см с площадок до 20 см . Примером такой системы может служить разработанное в ЗАО «РСК Технологии» разветвленное водяное охлаждение вынужденной конвекцией сборок большого числа плат - архитектура «РСК Торнадо». Данная система позволяет отводить тепло от 128 двухпроцессорных вычислительных узлов, размещенных в одной стойке. На Рисунке 5.2 представлены результаты

численного моделирования температурного поля воды в таком вычислительном узле.

Рисунок 5.2.

Температурное поле охлаждающей воды в вычислительном узле «РСК Торнадо». Система второго поколения (Gen-2).

По имеющимся оценкам технология «attached cooling» обеспечит потребности в охлаждении компьютерных чипов до 2020 года и может также явиться составляющей частью комплексной системы охлаждения третьего поколения (Gen-3) - встроенного (по англоязычной терминологии «embedded cooling») охлаждения [113]. Эскизно оно показано на Рисунке 5.3. Эта система в наибольшей степени отвечает потребностям плотной объемной упаковки чипов, поскольку в ней элементы, работающие по принципу «attached cooling» дополнены системой миниканалов, пронизывающих упаковку чипов и также отводящих тепло.

Вход

охладителя

>

» г s4 . J?« » - А и » h8, t Xlfi\i if

Выход охладителя

t

и

Л

<*>

a «g

Проводники Микроклапан Встроенные каналы тепла с двухфазным для паики

охладителем

Рисунок 5.3.

Схема системы встроенного охлаждения Gen-3 (embedded cooling).

В качестве подварианта системы встроенного охлаждения может рассматриваться система погружного типа (immersion cooling system), когда сборка чипов целиком погружается в ванну с неагрессивной (инертной) к ее элементам диэлектрической жидкостью [114-117]. При этом охладитель омывает и внешние поверхности, и внутренние полости и каналы сборок. Для осуществления теплоотвода кипением охладитель должен иметь температуру насыщения ниже температуры тепловыделяющих элементов сборки (например, жидкость Novec 649 фирмы 3М имеет температуру кипения tHac = 49 °С при P = 0,1 МПа). Полученный в результате кипения пар конденсируется на поверхности специального конденсатора (обычно водяного) и охладитель стекает обратно в ванну (Рисунок 5.4).

Как уже говорилось выше, задачи отвода тепловых потоков q до 100

2 2

Вт/см2 (1 МВт/м2) достаточно уверенно решаются путем использования однофазного конвективного охлаждения чипов водой (Gen-2). Однако, гипотетическая (но отнюдь не нулевая) угроза больших экономических потерь при останове или выходе системы из строя и потребность в создании мощных компьютеров для автономных объектов привела к появлению требования повышенной гарантии исключения возможности электрического замыкания по

охладителю. Императив применения охладителя с существенно более высокими диэлектрическими характеристиками, нежели дистиллированная вода, поставил на повестку дня исследование возможностей охлаждения чипов с помощью таких жидкостей-диэлектриков, как например, Novec 649 компании 3M [118]. Такие охладители имеют существенно более низкие теплопроводность и теплоемкость, что исключает сохранение системы однофазного конвективного охлаждения. Поэтому проблема сводится к исследованиям характеристик теплообмена при кипении в большом объеме и в условиях вынужденного течения жидкостей, имеющих, что принципиально, температуру насыщения ниже рабочей температуры кристалла.

Рисунок 5.4.

Схематическое изображение процессов, происходящих при погружном охлаждении (immersion cooling system).

В условиях кипения жидкости при температуре насыщения паровые пузыри отрываются от греющей поверхности и уносятся в ядро потока. Это явление нежелательно, так как оно ведет к загромождению потока паровыми образованиями, росту гидравлического сопротивления канала охлаждения и может вызвать перераспределение потоков охладителя в параллельных каналах разветвленной системы охлаждения. Главным же отличием недогретого кипения от кипения жидкости при температуре насыщения является практическое отсутствие уноса паровых пузырей в ядро потока [3]. Также величина критической плотности теплового потока в условиях недогретого кипения значительно выше, чем при кипении жидкости при температуре насыщения.

Исходя из выше сказанного, в настоящей главе диссертации с целью изучения совершенствования систем охлаждения компьютеров второго поколения (Gen-2) исследовалась потенциальная возможность отвода тепловых потоков до 100 Вт/см посредством кипения недогретого до температуры насыщения охладителя Novec 649 в условиях незначительного увеличения гидравлического сопротивления канала по сравнению теплоотводом однофазной конвекцией.

5.1. Свойства жидкости ^уес 649

Диэлектрическая постоянная жидкости Novec 649 почти на два порядка ниже, чем у дистиллированной воды. В реальных условиях это отношение еще больше, поскольку в процессе эксплуатации дистиллированная вода ухудшает свои характеристики из-за постепенного растворения в ней газа при контакте с воздухом в элементах контура охлаждения.

В Таблице 7 дается сравнение физических характеристик хладона Novec 649 и воды. Видно, что плотности жидких фаз не отличаются радикально (Рмогес/рводы = 1,6), но удельные теплоемкости отличаются примерно в 4 раза.

Это значит, что при тех же объемных расходах хладон будет нагреваться в 2,5 раза больше.

Таблица 7.

Сравнение свойств воды и Коуес 649 при атмосферном давлении

Вода Коуес 649

Температура кипения, °С 100 49

Теплота парообразования, кДж/кг 2257 88

3 Плотность жидкости при 20 °С, кг/м 998 1608

3 Плотность насыщенного пара, кг/м 0,6 12,6

Теплопроводность при 20 °С, Вт/(м-К) 0,599 0,059

Удельная теплоемкость при 20 °С, Дж/(кг-К) 4183 1103

Динамическая вязкость при 20 °С, Па с -3 110 -3 0,6410

Поверхностное натяжение при 20 °С, Н/м -2 7,27-10 -2 1,0810

Число Прандтля при 20 °С 7 12

Диэлектрическая постоянная 81 1,8

Очень велика разница в коэффициентах теплопроводности жидкого Novec и воды - она десятикратная. Из-за низких коэффициентов теплопроводности и теплоемкости существенно ниже коэффициенты теплоотдачи к хладону как при ламинарном, так и при турбулентном режимах течения. При одинаковой скорости охладителя интенсивность теплоотдачи к Коуес 649 в 3-3,5 раза ниже, чем к воде.

Очень велико различие в значениях скрытой теплоты парообразования -у воды при атмосферном давлении она в 25 раз выше. Это значит, при одинаковой плотности отводимого от охлаждаемой поверхности теплового потока на ней будет генерирована в 25 раз большая масса пара Novec. Однако, при атмосферном давлении пар Novec 649 имеет существенно более высокую

3 3

плотность (12,6 кг/м ) против 0,6 кг/м у насыщенного водяного пара. В итоге объемы генерируемого пара при атмосферном давлении и одинаковом

тепловыделении оказываются близкими, отличие составляет всего лишь около 40 %.

Вязкостные характеристики воды и Novec 649 таковы, что гидравлические сопротивления одинаковых контуров при течении в них однофазового охладителя оказываются весьма близкими.

Важно, что вода не растворяется в хладоне Novec 649, что в случае необходимости облегчает ее сепарацию и удаление из рабочей жидкости. Дополнительным эксплуатационным преимуществом данного хладона, является его отличная совместимость с большинством используемых в ватерблоках конструкционных материалов (алюминий, медь, нержавеющая сталь, припои и т.д.).

Особо следует отметить низкую температуру замерзания Novec 649 при атмосферном давлении (-108 °С). Что делает его привлекательным для использования на специальных объектах и транспорте, где не гарантируется положительная температура помещений.

5.2. Методика проведения исследования

Исследования проводились на экспериментальной установке, описанной в разделе 2.1. Отличие составляла площадь поперечного сечения рабочего участка, уменьшенная для увеличения скорости течения жидкости с помощью вклеивания специальных вставок. Рабочий участок установки (канал) длиной 50 мм имел прямоугольное поперечное сечение шириной 6 и высотой 3 мм. Роль теплоотдающей поверхности выполняла нихромовая (Х20Н80) пластина длиной между токоподводами 30, шириной 4 и толщиной 0,2 мм. Для визуализации процесса кипения на пластине использовалась видеосъемка на цветную скоростную камеру ВидеоСпринт/СЮ4 с частотой до 10 кГц и экспозицией 100 мкс. Для визуализации течения и контроля появления наличия паровой фазы в потоке непосредственно за рабочим участком была установлена прозрачная вставка в виде трубки из стекла диаметром 13 мм.

Эксперименты проводились в следующем диапазоне режимных параметров: по скорости жидкости V = 2-7,4 м/с, по рабочему давлению Р = 0,1-0,12 МПа, по температуре Коуес 649 гж = 13-22 °С и по недогреву до температуры насыщения Агнед = 32-37 °С.

5.3. Результаты исследования

Как было сказано выше, основной задачей являлось исследование возможности отвода д до 100 Вт/см от охлаждаемой поверхности с температурой стенки, не превышающей tcm = 70 °С, с помощью кипения недогретого до температуры насыщения хладона Novec 649 в условиях вынужденного течения. Отсюда важнейшими определяемыми в эксперименте величинами являлись плотность теплового потока и температура греющей поверхности. На Рисунке 5.5 представлена экспериментальная зависимость д от Ът при различных значениях недогрева и скоростях жидкости, выступающих как параметры. Видно, что при температуре охладителя Коуес 649 tж = 21 °С и

V = 6,5 м/с от греющей поверхности могут быть отведены тепловые потоки до

22 60 Вт/см (серия опытов 3), а при tж = 15,5 °С до 80-85 Вт/см (серия опытов 2)

при < 70 °С.

Из соображений обеспечения умеренного гидравлического сопротивления системы охлаждения «базовая» скорость охладителя была ограничена 6 м/с. Тем не менее, была проведена серия из четырех опытов при скорости охладителя 7,4 м/с и температуре жидкости 15 °С (Д^ед ~ 35 °С) на пластине из константана (МНМц 40-1,5) толщиной 0,5 мм. При данных режимных параметрах была достигнута д = 100 Вт/см (опыт 1, Рисунок 5.5). Таким образом, увеличение скорости охладителя совместно с увеличением толщины греющей пластины и изменением её материала на более теплопроводный (коэффициенты теплопроводности нихрома ~14 Вт/(м-К) и константана ~22,5 Вт/(м-К) в диапазоне изменения температур пластины в эксперименте) позволили увеличить отводимую плотность теплового потока.

д, Вт/см'

100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25

л 1

г

/