Экспериментальное исследование тепловых потоков при кипении воды и взвесей на перегретых поверхностях в большом объеме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Павлов Андрей Владимирович

• Павлов Андрей Владимирович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Павлов Андрей Владимирович

Введение

1. Обзор литературы

1.1. Классические модели теплообмена при кипении жидкости в большом объеме

1.2. Экспериментальные методы исследования

1.3. Интенсификация теплообмена при кипении

1.4. Выводы

2. Методика, техника и метрология эксперимента

2.1. Задачи эксперимента, рассмотренные режимы и жидкости

2.2. Первичные преобразователи

2.3. Экспериментальные модели

2.4. Экспериментальная установка

2.5. Регистрирующая аппаратура и неопределенность измерений

3. Теплообмен при кипении воды на перегретой поверхности моделей

3.1. Цель и задачи исследования

3.2. Кипение насыщенной воды

3.3. Кипение в воде с недогревом до температуры насыщения более 50 К

3.4. Кипение в воде с недогревом до температуры насыщения менее 50 К

3.5. Выводы

4. Теплообмен при кипении взвесей твердых частиц на перегретой поверхности моделей

4.1. Цель, задачи и объект исследования

4.2. Кипение полидисперсной взвеси Al2Oз на перегретой поверхности

4.3. Кипение монодисперсных взвесей Al2Oз на перегретой поверхности

4.4. Кипение монодисперсных взвесей TiO2 на поверхности перегретой модели

4.5. Обсуждение результатов

Заключение

Список литературы

Приложения

Приложение А Паспорт Л12О3 500 нм

Приложение Б Паспорт ТЮ2 200 нм

Приложение В Паспорт ТЮ2 500 нм

Приложение Г Акт внедрения в учебный процесс

Приложение Д Акт внедрения в производство

Введение

С развитием микроэлектроники, энергомашиностроения и энергетики возрастает необходимость в эффективных способах отвода теплового потока высокой плотности. Для этого все чаще используют теплообменники с кипящим теплоносителем.

Ввиду многофакторности и хаотичности кипения для получения результатов, применимых при создании, эксплуатации и модернизации теплообменного оборудования, необходимо детально рассматривать конкретные задачи. Несмотря на большое количество теоретических и экспериментальных работ, завершенной теории теплообмена при кипении до сих пор не создано. Для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении различных жидкостей в литературе приводятся десятки полуэмпирических соотношений, зачастую описывающих лишь узкий диапазон режимных параметров.

В диссертации рассмотрено кипение воды и воды со взвесью микро- и наночастиц в большом объеме на перегретой поверхности цилиндра и шара. Такая задача моделирует процесс закалки, аварийные ситуации на энергетических объектах и многое другое. Метод, предложенный в работе, позволяет по-новому рассмотреть теплообмен и экспериментально измерить местную плотность теплового потока при кипении как в воде, так и в оптически непрозрачных жидкостях.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование тепловых потоков при кипении воды и взвесей на перегретых поверхностях в большом объеме»

Актуальность темы исследования

Основным методом исследования теплообмена при кипении является термометрия, однако лишь по температурам поверхности и жидкости определить местную плотность теплового потока не удается.

Градиентная теплометрия позволяет измерить местную плотность теплового потока. В сочетании с термометрией и высокоскоростной визуализацией она дает новые возможности при исследовании теплообмена на поверхностях сложной формы, в оптически непрозрачных средах и при решении других задач.

Градиентная теплометрия позволяет уточнить или доработать существующие расчетные методики, а также обеспечить мониторинг кипения в энергетических установках и других устройствах.

Степень разработанности темы

Применение градиентной теплометрии в изучении кипения началось в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого в 2018 году. Пилотные опыты продемонстрировали информативность нового метода и показали, в частности, возможности градиентной теплометрии в исследовании теплообмена при кипении в оптически непрозрачных средах.

Цель и задачи диссертационного исследования. Цель работы -инновационное использование градиентной теплометрии в исследовании кипения жидкостей со взвесями микро- и наночастиц на перегретых поверхностях. Необходимо решить следующие задачи.

1. Выполнить обзор средств и методов, применяемых или пригодных к применению при исследовании теплообмена при кипении в большом объеме.

2. Разработать технологию, создать и отградуировать гетерогенные градиентные датчики теплового потока, пригодные для условий эксперимента, оценить их метрологические возможности.

3. Создать экспериментальный стенд для применения комплексной методики, включающей градиентную теплометрию, термометрию и высокоскоростную визуализацию, в исследовании кипения.

4. Экспериментально определить местную плотность теплового потока при кипении насыщенной воды на перегретой поверхности.

5. Комплексным методом выявить связь между режимами кипения и плотностью теплового потока, определенной методом градиентной теплометрии.

6. Экспериментально определить влияние полидисперсной взвеси А1203 на теплообмен при кипении.

7. Исследовать влияние монодисперсных взвесей А12О3 и ТЮ2 на теплообмен при кипении.

8. Проанализировать полученные результаты, обсудить особенности и возможности градиентной теплометрии.

Научная новизна исследования состоит:

- в инновационном применении градиентной теплометрии в составе комплексной методики для изучения теплообмена при кипении в большом объеме на перегретых поверхностях;

- в получении данных о распределении местной плотности теплового потока при кипении в большом объеме на поверхности перегретой шаровой модели;

- в получении данных о длительности различных режимов кипения и значениях местной плотности теплового потока в этих режимах;

- в диагностике режимов кипения в оптически непрозрачных средах по данным градиентной теплометрии;

- в получении данных о влиянии взвеси твердых микро- и наночастиц Л12О3 и ТЮ2 на теплообмен при кипении на перегретых поверхностях.

Теоретическая и практическая значимость работы таковы.

- Реализована градиентная теплометрия как метод измерения местной плотности теплового потока, сочетаемая с термометрией и высокоскоростной визуализацией кипения.

- Получены данные о распределении местной плотности теплового потока при кипении воды на поверхности шара при различных режимных параметрах.

- Доказана возможность идентифицировать режимы кипения в оптически непрозрачных жидкостях по данным градиентной теплометрии.

- Доказаны применимость и информативность градиентной теплометрии в исследовании теплообмена при кипении в оптически непрозрачных жидкостях и в условиях, не допускающих визуального контроля.

Методология исследования включает градиентную теплометрию, термометрию, высокоскоростную визуализацию, а также оценку неопределенности измерений плотности теплового потока.

Положения, выносимые на защиту.

1. Данные о местной плотности теплового потока при кипении чистой воды на перегретой поверхности, полученные градиентной теплометрией.

2. Данные о местной плотности теплового потока при кипении чистой воды с добавление частиц А1203 размерами от 54 нм до 1 мкм, полученные градиентной теплометрией.

3. Данные о местной плотности теплового потока при кипении чистой воды с добавление частиц ТЮ2 размерами от 54 нм до 500 нм, полученные градиентной теплометрией.

4. Использование градиентной теплометрии как средства диагностики режимов кипения в оптически непрозрачных жидкостях.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

- использованием метрологически аттестованных приборов;

- расчетом неопределенностей выполненных измерений по действующим отечественным стандартам;

- качественным соответствием полученных результатов данным, приведенным в использованной литературе.

Диссертация содержит 112 страниц основного текста, 74 рисунка и 3 таблицы. Список литературы включает 60 наименований. Значительная часть проведенных исследований выполнялась в рамках гранта РНФ №22-29-00160.

1. Обзор литературы

1.1. Классические модели теплообмена при кипении жидкости в большом объеме

Теплообмен при кипении жидкости представляет актуальную и не до конца решённую задачу. Особый интерес вызывает плотность теплового потока, отводимого от поверхности нагрева, при низком температурном напоре. Широкое использование этого процесса ограничивает кризис кипения. С ростом плотности теплового потока жидкость оттесняется от стенки, возникает пленочный режим кипения, снижается коэффициент теплоотдачи, что фатально для теплообменного оборудования. Определение первой критической плотности теплового потока является основной целью исследований в этой области. При всем многообразии работ отметим фундаментальные труды, результатом которых стали расчетные модели.

В работах С. С. Кутателадзе описана гидродинамическая природа смены режимов кипения. Переход от пузырькового режима к пленочному происходит вследствие гидродинамического изменения двухфазного пограничного слоя. Нарушение стабильности и рост скорости парообразования приводят к оттеснению жидкости от поверхности нагрева. В монографии [1] автор вывел формулу для определения первой критической плотности теплового потока:

где дкр1 - первая критическая плотность теплового потока, Вт/м2, г - скрытая теплота парообразования, Дж/кг, к - константа, р' - плотность жидкости, кг/м3, р'' - плотность пара, кг/м3, а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м, g -ускорение свободного падения, м/с2.

Формула 1.1 включает в себя теплофизические параметры жидкости и константу к для несжимаемого двухфазного пограничного слоя. При обобщении

(1.1)

широкого круга экспериментальных данных диапазон изменения к составил от 0,13 до 0,19.

Разрушение паровой пленки вблизи поверхности нагрева приводит к контакту жидкости с перегретой поверхностью и наступлению второго кризиса. В работе [1] выведена зависимость между дкр1 и дкр2 (плотность теплового потока при втором кризисе):

^=кТ=сопХ, (1.2)

1 кр.х к

Обобщение работ других авторов позволило С. С. Кутателадзе получить соотношение критических плотностей теплового потока для различных жидкостей и давлений (табл.1).

Таблица 1 - Зависимость критических плотностей теплового потока от давления при свободной конвекции [1]

Жидкость Диапазон давления, бар Среднее значение #кр.1

Вода 1 0,173

Вода 1-16 0,17

Изооктан 1-15 0,195

Бензол 1-12 0,22

Основываясь на работе [1], исследователь из США Новак Зубер в диссертации [2] в 1959 г. приводит формулу для расчета критической плотности теплового потока на горизонтальной поверхности:

д = Ь-р

п

3

к

24 727

Га-^о 1 0,5 Г Рь 1

Л +Рк _

0,5

Вт/м2,

(1.2)

где Ь - скрытая теплота парообразования, Дж/кг, рЬ - плотность жидкости, кг/м3, ру - плотность пара, кг/м3, а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м, g - ускорение свободного падения, м/с2, т0 - волновое число.

Это уравнение получено из определения критической скорости парообразования и частоты образования пузырей, при достижении которых граница раздела фаз отстает от поверхности и препятствует непосредственному контакту жидкости с поверхностью. Критическая плотность теплового потока, рассчитанная по уравнению 1.2, по данным автора, имеет неопределенность 14%.

Параллельно с работами [1,2] теплообмен при кипении исследовал Д. А. Лабунцов [3,4]. Коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении он представил в безразмерном виде:

1

при КеФ > 10-2 N^=0,125-Ке*0-65 • Рг3, (13)

1

при КеФ < 10-2 N^=0,625 • Ке/5 • Рг3, (14)

, = <*, / = гр'' и * X * (гр '')2

где Ке^. = ——, = —, / = —-— , м, д - плотность теплового

потока, Вт/м2, г - скрытая теплота парообразования, Дж/кг, р' и р'' - плотность жидкости и пара при температуре Г8, кг/м3, Т - температура насыщения, К, и -кинематическая вязкость жидкости, м2/с, а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м, X - теплопроводность жидкости, Вт/(м-К), ср - изобарная теплоемкость жидкости Дж/(кг-К).

Критическая плотность теплового потока, по Д. А. Лабунцову [5],

3 г-ру

Чкр = 6,8 у2/9

р -р ^4/9

, кВт/м2, (1.5)

где г - скрытая теплота парообразования, Дж/кг, рЬ - плотность жидкости, кг/м3, ру - плотность пара, кг/м3, а - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м,

X - теплопроводность жидкости, Вт/(м-К), Т - температура насыщения жидкости, К, V - кинематическая вязкость жидкости, м2/с.

Рассмотренные работы являются классическими, однако расчет реальных процессов при помощи таких моделей затруднителен: требуется учесть многочисленные теплофизические параметры. Формулы (1.1) - (1.5) позволяют определить как критическую плотность теплового потока, так и коэффициент теплоотдачи при неизменной структуре поверхности нагрева и постоянных свойствах жидкости. В реальных условиях такой контроль затруднен, изменение состояния поверхности нагрева и свойств жидкости в процессе эксплуатации теплообменного оборудования могут значительно сместить значение критической плотности теплового потока. Это привело к быстрому росту количества экспериментальных работ, в которых исследуются частные случаи кипения.

1.2. Экспериментальные методы исследования

В многочисленных теоретических и экспериментальных работах, расчет коэффициента теплоотдачи и плотности теплового потока при кипении различных жидкостей ведется по полуэмпирическим зависимостям, зачастую описывающих лишь узкий диапазон режимных параметров. Значения коэффициента теплоотдачи, рассчитанные для одного и того же теплоносителя с использованием различных соотношений, могут отличаться в десятки раз [6]. Это связано, в первую очередь, с тем, что кипение является многомасштабным нестационарным процессом, и для его описания необходимо учитывать эффекты, проявляющиеся на различных пространственных и временных масштабах.

В настоящее время существует не так много способов определения плотности теплового потока при кипении.

Один из способов связан с кипением на нагреваемой нити. Основополагающей стала работа Широ Нукиямы [7]. В его эксперименте получена зависимость плотности теплового потока от температурного напора и экспериментально доказано существование критических плотностей теплового потока. На рисунке 1.1 видно, как снижается плотность теплового потока после первого кризиса кипения.

В эксперименте использовалась посеребренный и никелированный медный проводник с электрическим нагревом. Плотности теплового потока определялась по току и напряжению.

О 200 400 600 800 1000 1200 1400

Temperature of metal wire, Г ("С)

Обозначения на рисунке: temperature of metal wire - температура металлической нити.

Рисунок 1.1 - Зависимость плотности теплового потока от температуры нити [7]

В работе [8] авторы использовали сходную схему экспериментальной установки (рисунок 1.2, а). Объект исследования - нить A из хром-никелевого сплава - вместе с соединительными проводами C была помещена в электроизолированный корпус D (рисунок 1.2, б).

Нить А помещалась в сосуд В с исследуемой жидкостью объемом 0,125 л, которая находится в охранном контейнере Е. Этот контейнер заполнен жидкостью, которая служила теплоизоляцией и обеспечивала постоянные условия в эксперименте. Нагрев охранного контейнера Е осуществлялся нагревателем Б. Для отделения емкости В от нагревателя Б использовалась пластина О из нержавеющей стали.

Рисунок 1.2 - Схема экспериментальной установки (а) и фото исследуемого нагревателя

(б) [8]

Авторы визуально оценивали размер пузырей, срывавшихся с нити в чистой воде и в воде с добавлением наночастиц А1203. Выявлено увеличение размера пузырей и уменьшение количества центров парообразования в результате осаждения наночастиц на поверхность проволоки. Неопределенность плотности теплового потока, рассчитанной в эксперименте, составила 10%.

Аналогичным метод использован в работе [9], в которой рассмотрено кипение на нитях из стали и циркония. Неопределенность рассчитанной плотности теплового потока составила, по данным авторов, 2,4 %.

Интересны работы, в которых плотность теплового потока определяется неинвазивно, оптическими методами. В подавляющем большинстве этих

исследований изучался пленочный режим кипения. Толщину паровой пленки измеряли при помощи высокоскоростной съемки или с применением лазера. Метод изучения пленочного кипения при воздействии лазерного луча на паровую пленку и границу раздела фаз предложил Б. С. Петухов [10]. В работе [11] изучена паровая пленка при пленочном кипении на поверхности шара из нержавеющей стали. Для контроля за движением границы раздела фаз применен газовый лазер (№-№). Лазерный луч направляется таким образом, что часть его проходит через жидкость, а часть, попавшая на границу раздела фаз, отражается и рассеивается. Прошедший луч фиксируется светочувствительным датчиком (рисунок 1.3).

Обозначения на рисунке: laser - лазер, laser beam - лазерный луч, liquid - жидкость, photomultiplier - фотоэлектрический умножитель, wire or sphere - проволока или сфера.

Рисунок 1.3 - Схема эксперимента [11]

Обнаружена зависимость между уровнем регистрируемого сигнала и толщиной паровой пленки. Средняя плотность теплового потока определялась на основе решения обратной задачи нестационарной теплопроводности. Удалось зарегистрировать колебания паровой пленки и связать их с плотностью теплового потока. Метод можно использовать только при исследовании установившегося пленочного кипения; при переходном и пузырьковом режимах он неприменим.

Развитие технологий позволило модернизировать неинвазивные методы. В качестве примеров укажем работы, в которых изучается кипение на

UQUID

тонкопленочных нагревателях [12, 13, 14]. В работах [12, 14] использован тонкопленочный нагреватель из оксида индия-олова (рисунок 1.4).

Основой нагревателя служит плоская прямоугольная подложка из монокристаллического кремния толщиной 460 мкм (в других работах авторов [12] использовалась подложка из сапфира). Тепловыделение с поверхности кремния обеспечивалось тонкопленочным (1 мкм) нагревателем из оксида индия-олова (ITO), нанесенным методом ионно-плазменного напыления. Для электрической изоляции кремния от ITO наносился тонкий слой (50 нм) нитрида алюминия. Электрический ток подводился через серебряные контакты, нанесенные поверх пленки ITO. Плотность теплового потока определялся по значениям тока, проходящего через пленку ITO, и разности потенциалов между контактами.

Laser texturing Boiling

Silicon wafer Aluminium nitride ITO film Silver pads

Обозначения на рисунке: laser texturing - лазерная обработка, boiling - кипение, Silicon wafer - кремниевая подложка, aluminium nitride - нитрид алюминия, ITO film - пленочный ITO нагреватель, silver pads - серебряные контакты. Рисунок 1.4 - Схема нагревателя [14]

На рисунке 1.5 представлена схема экспериментальной установки [12] для высокоскоростной инфракрасной термографии кипения на тонкопленочном нагревателе.

В качестве нагревателя использована проводящая пленка из ITO толщиной 1 мкм, напыленная на сапфировую подложку толщиной 400 мкм.

Преимуществом использования 1ТО в качестве материала для нагревателя является его прозрачность в видимом диапазоне длин волн (0.38-0.75 мкм) и непрозрачность в ИК-диапазоне (3-5 мкм). Интегральная пропускательная способность сапфира в диапазоне длин волн 0,3 - 5 мкм превышает 90%.

Цифрами обозначены: 1 - сосуд с рабочей жидкостью, 2 - внешний термостатирующий сосуд, 3 - окно, 4 - ТЭНы для поддержания постоянной температуры во внешнем объеме, 5 - терморегулятор для ТЭНов, 6 - конденсатор с водяным охлаждением, 7 - ЬББ-блок для освещения, 8 - нагреватель, 9 - высокоскоростная термографическая камера, 10 - источник

питания, 11 - компьютер Рисунок 1.5 - Схема экспериментальной установки для исследования локальных и интегральных характеристик теплообмена при кипении жидкости в большом объеме [12]

Сочетание этих свойств позволяет исследовать нестационарное поле температуры на поверхности 1ТО-нагревателя с помощью тепловизора, а также регистрировать рост и отрыв паровых пузырей на сапфировой подложке с помощью высокоскоростной видеокамеры. Для расчета местной плотности теплового потока в окрестности контактной линии в основании парового пузыря разработана и реализована на языке С++ математическая модель, основанная на

совместном решении нестационарного уравнения теплопроводности в ГГО-пленке и сапфировой подложке. В модель вводились экспериментальные данные, полученные высокоскоростной термографией [12].

Метод, представленный в работе [12], позволил описать нестационарное поле температуры при росте отдельного пузыря. Показано, что модели, описывающие теплообмен и плотность центров парообразования, нельзя использовать при кипении на тепловыделяющих поверхностях с низкой шероховатостью. Метод широко применяется в институте теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН [15,16,17].

Особое место занимают работы, в которых плотность теплового потока определяют по показаниям термопар, установленных в толще материала с известной теплопроводностью. Таким методом авторы работы [18] изучали переходный режим кипения. Схема их установки представлена на рисунке 1.6.

Обозначения на рисунке: PID - термостат, TC - термопара, light - источник света, acrylic lid - крышка из акрилового соединения, glass container - стеклянная емкость, test fluid -исследуемая жидкость, high-speed camera - высокоскоростная камера, boiling surface -поверхность, на которой исследуется кипение, hydrophone - гидроакустический приемник, cloth heater - тканевый нагреватель, teflon insulation - тефлоновая изоляция, cooper block -медная модель, cartridge heater - кассетный нагреватель. Рисунок 1.6 - Схема экспериментальной установки [18]

Экспериментальный участок представляет собой ступенчатый цилиндр из меди в тефлоновой изоляции. Рабочей областью являлся меньший торец цилиндра диаметром 14 мм. Внутри цилиндра установлены два кассетных нагревателя общей мощностью 500 Вт. В цилиндре меньшего диаметра установлены три термопары железо-константан с диаметром термоэлектродов 0,5 мм. По показаниям термопар восстанавливалась плотность теплового потока, отводимая теплоносителем.

Такая постановка эксперимента позволила изучить переход от пузырькового режима к пленочному. При помощи видео и аудиосъемки зафиксировано переходное кипение; была также измерена температура на поверхности нагрева.

В работе [19] применялась аналогичная схема экспериментальной установки (рисунок 1.7).

Рабочая камера выполнена в виде термосифона. Это цилиндрический сосуд из стали 12Х18Н10Т с внутренним диаметром 120 мм, высотой 300 мм и толщиной стенки 1 мм.

Нижняя часть рабочей камеры имела толщину 12 мм и использовалась в качестве поверхности нагрева. Для более равномерного прогрева нижней части установки под ней устанавливалась пластина из латуни толщиной 30 мм.

В верхней части установки находился внешний охлаждающий змеевик. Расстояние от дна камеры до нижнего витка змеевика составляло 100 мм. Для наблюдения за процессом предусмотрены смотровые окна. В дно сосуда заделаны спаи пяти медь-константановых термопар. Плотность теплового потока была рассчитана по температурному напору в стенке с известной теплопроводностью. В опытах получена зависимость режимов кипения от толщены жидкостной пленки и давления в камере.

Рассмотренные работы нацелены на изучение стационарных процессов.

Цифрами обозначены: 1 - термопары для измерения температуры на поверхности теплообмена, 2 - корпус, 3 - термопара для измерения температуры охлаждающей воды, 4 -патрубок системы откачки и контроля давления, 5 - герморазъем, 6 - смотровое окно, 7 -система охлаждения, 8 - нагреватель, 9 - теплоизоляция, 10 - пластина из латуни, 11 - электронагреватель, 12 - крышка электронагревателя.

Рисунок 1.7 - Схема экспериментальной установки [19]

Выделим исследования, в которых изучались нестационарные процессы: например, остывания перегретых моделей в различных жидкостях. Изучением остывания шаровых активно занимается группа под руководством В. В. Ягова [20]. Схема экспериментального стенда [20] представлена на рисунке 1.8.

Герметичный корпус экспериментальной камеры 6 выполнен из нержавеющей стальной трубы внешним диаметром 219 мм с толщиной стенки 10 мм. В верхней части размещена катушка 2 высокочастотного индукционного нагревателя 3 внутренним диаметром 50 мм, частота тока авторами не указана; нижняя часть (объемом 25 л) заполняется жидкостью, температура которой поддерживается с помощью термостата 8 с нагревателем мощностью 1,9 кВт и

связанного с ним погруженного в жидкость змеевика 7 с площадью поверхности теплообмена 0,224 м2. Зона нагрева отделена от объема жидкости тонкой диафрагмой 5, экранирующей от теплового излучения и брызг охлаждающей жидкости. В начале эксперимента металлический шар диаметром 45 мм 1 посредством рычажной системы перемещения 4 устанавливается внутри катушки 2 [20].

Цифрами обозначены: 1 - рабочий участок, 2 - катушка индуктора, 3 - ВЧ генератор, 4 - механизм перемещения рабочего образца, 5 - диафрагма, 6 - экспериментальная камера, 7 - спираль теплообменника, 8 - термостат с циркуляционным контуром, 9 - баллон со сжатым инертным газом, 10 - редуктор и манометр, 11 - термопары рабочего образца, 12 - измерительный модуль, 13 -компьютер, 14 - скоростная цифровая видеокамера,

15 - система освещения Рисунок 1.8 - Схема экспериментальной установки [20]

Нагрев шаровой модели контролируется с помощью размещенных внутри нее термопар. Мощность высокочастотного индуктора составляет 7.5 кВт, что обеспечивает достаточно высокую скорость нагрева. В работе описан нагрев шара до 800 °С менее чем за 5 минут, что вызывает вопрос о равномерности прогрева. Предусмотрена возможность нагрева шара в среде аргона или азота, поступающего из баллона 9. Нагретый шар перемещается в объем жидкости на уровень смотровых окон из кварцевого стекла толщиной 10 мм. Во время охлаждения шара сигналы от термопар 11 поступает через разъем на измерительный модуль 12 [20]. Расположение термопар в шаре представлено на рисунке 1.9.

Авторы получают временные термограммы остывания шара, и по ним, решая обратную задачу теплопроводности, восстанавливают значения средней плотности теплового потока на поверхности модели [21-23]. В момент контакта шара с поверхностью жидкости в нем формируется неоднородное поле температуры. Полагая, что при установившемся пленочном кипении поле температуры в симметричной модели выравнивается, авторы оценивают среднюю плотность теплового потока.

Однако при разрушении пленки и переходном режиме возникает неоднородное поле температуры, при котором расчет средней плотности теплового потока, основанный на решении обратной задачи теплопроводности, затруднителен. Аналогичным методом изучается остывание цилиндров [24,25].

Описанные методы, позволяют определить среднюю плотность теплового потока при кипении на поверхности модели. Конструкция и технические решения, реализованные в рассмотренных работах, связаны с отсутствием первичных преобразователей, позволяющих измерять местную плотность теплового потока. Ввиду хаотичности кипения местный коэффициент теплоотдачи может меняться в десятки раз, что зафиксировать термометрией невозможно.

Металлический шар

Трубка-державка

Термопары

Рисунок 1.9 - Схема расположения термопар в шаровой модели [20]

В научно образовательном центре «Теплофизика в энергетике» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого созданы и активно применяются - градиентные датчики теплового потока (ГДТП). Метод исследования с применением ГДТП назван градиентной теплометрией [26]. ГДТП изготавливается из материалов с анизотропией теплопроводности, электропроводности и коэффициента термоЭДС. В материалах с такими свойствами возникает поперечный эффект Зеебека. В анизотропной среде, через которую передается тепловой поток (рис. 1.10 а), возникает термоЭДС, пропорциональная плотности теплового потока,

Е = Е ■А■ Ч, мВ, (1.6)

где Е - термоЭДС, мВ; £0 - вольт-ваттная чувствительность ГДТП, мВ/Вт; А -площадь ГДТП в плане, м2; ч - плотность теплового потока, Вт/ м2.

Главной особенностью ГДТП является их аномально низкая постоянная времени ( 10-8...10-9 с), делающая градиентную теплометрию практически

безынерционным методом для исследования большинства видов теплообмена [26]. ГДТП чаще всего изготавливают из монокристаллического висмута, температура плавления которого (544 К) исключает их использование при более высоких температурах, на поверхности теплообмена при кипении.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Павлов Андрей Владимирович, 2025 год

Список литературы

1. Kutateladze S. S. (1962) Heat transfer in condensation and boiling, 2nd Edition, Revised and enlarged. AEC-tr-3770.

2. Zuber Novak. Hydrodynamic aspects of boiling heat transfer: dissertation for the degree Doctor of Philosophy in Engineering/ University of California, Los Angeles, 1959. - 215 p.

3. Лабунцов Д. А. Физические основы энергетики. Избранные труды по теплообмену, гидродинамике, термодинамике. - М.: Издательство МЭИ, 2000. -388 с. (с. 83 - 95)

4. Лабунцов Д. А. Физические основы энергетики. Избранные труды по теплообмену, гидродинамике, термодинамике. - М.: Издательство МЭИ, 2000. -388 с. (с. 96 - 103)

5. Лабунцов Д. А. Физические основы энергетики. Избранные труды по теплообмену, гидродинамике, термодинамике. - М.: Издательство МЭИ, 2000. -388 с. (с. 154 - 158)

6. Ягов В. В. Теплообмен в однофазных средах при фазовых привращениях. - М.: Издательский дом МЭИ, 2014. 542 с.

7. Shiro Nukiyama, The maximum and minimum values of the heat q transmitted from metal to boiling water under atmospheric pressure, J. Japan Sot. Mech. Engrs 31, (1934) 367-374.

8. Kouloulias K., Sergis A., Hardalupas Y., Barrett T.R.(2018). Visualisation of subcooled pool boiling in nanofluids. Fusion Engineering and Design. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2018.12.005.

9. Stange G., Yeom H., Semerau B., Sridharan K., Corradini M.(2013). A study of nanoparticle surface modification effects on pool boiling critical heat flux. Thermal hydraulics. https://doi.org/10.13182/NT13-A16980.

10. Petukhov B. S., Kovalen S. A., Zhukov V. M., Kuzma-Kichta Yu. A., Investigation of the Mechanism of Heat Transfer upon Film Boiling of Liquid, Proc. 5th Int. Heat Transfer Conf., Tokyo, Volume 4, p. 96 - 100, 1974.

11. Toda S., Mori, M., Subcooled film boiling and the behavior of vapor film on a horizontal wire and a sphere, Proceedings of the Seventh International Conference, Munich, West Germany, September 6-10, 1982. Volume 4, p. 173 - 178, 1982.

12. Сердюков В. С., Суртаев А. С., Павленко А. Н., Чернявский А. Н. Исследование локального теплообмена в окрестности контактной линии под паровыми пузырями при кипении жидкостей / Теплофизика высоких температур, 2018, Т. 56, № 4, с. 563-570.

13. Theofanous T. G., Tu J. P., Dinh A. T., Dinh T. N. The boiling ccrisis phenomenon. Part 1. Nucleation and Nucleate Boiling Heat Transfer // Experimental Thermal and Fluid Science. 2002. Volume 26, № 6, p 775.

14. Serdyukov V., Vladyko I., Starinskiy S., Rodionov A., Shukhov Yu., Malakhov I., Mikhailov A., Safonov A., Surtaev A. (2023) Pool boiling performance on the textured hemi-wicking surfaces fabricated by nanosecond laser ablation. Applied Thermal Engineering. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120472

15. Суртаев А. С., Сердюков В. С., Моисеев М. И. Приминение высокоскоростной инфракрасной термографии для исследования кипения жидкости// Приборы и техника эксперимента. 2016. №4.с. 140. DOI: 10.7868/S0032816216030265

16. Serdyukov V., Malakhov I., Surtaev A., Pavlenko A. (2020) Multiscale characteristics of pool boiling in vacuum. Journal of Physics: Conference Series. doi: 10.1088/1742-6596/1677/1/012094

17. Суртаев А. С., Сердюков В. С. Исследование динамики контактной линии под паровым пузырём при кипении жидкости на поверхности прозрачного нагревателя // Теплофизика и аэромеханика, 2018, том 25, № 1. С. 71 - 77.

18. Nishant Ranjan Sinha K., Ranjan D., Kumar N., Raza Q., Raj R,. Simultaneous audio-visual-thermal characterization of transition boiling regime. Experimental Thermal and Fluid Science. https://doi.org/ 10.1016/j.expthermflusci.2020.110162

19. Zhukov V. I., Pavlenko A. N. Heat transfer and critical phenomena during evaporation and boiling in a thin horizontal liquid layer at low pressures. International

Journal of Heat and Mass Transfer.

https: //doi.org/ 10.1016/j.ij heatmasstransfer.2017.10.060

20. Забиров А. Р. Исследование процессов теплообмена при охлаждении высокотемпературных тел в недогретых жидкостях: дис. ... к-та тех. наук: 01.04.14; НИУ «МЭИ» - Моска, 2016. - 200 с.

21. Zabirov A. R., Yagov V. V., Kanin P., Ryzantcev V. A., Vinogradov M. M. Pressure influence on film boiling of mixtures. Conference Paper. DOI: 10.11159/ffhmt19.129

22. Kanin P. K., Yagov V. V., Zabirov A. R., Lexin M. A. Incipience of the intensive heat transfer regime at cooling high-temperature bodies in subcooled liquid. Journal of Physics: Conference Series. doi:10.1088/1742-6596/2057/1/012049

23. Zabirov A. R., Yagov V. V., Ryazantsev V. A., Molotova I. A., Vinogradov M. M. Decrease of Leidenfrost temperature at quenching in subcooled liquids. Journal of Physics: Conference Series. doi:10.1088/1742-6596/2116/1/012010

24. Zabirov A. R., Yagov V. V., Kalita V. I., Radyuk A. A., Molotova I. A., Belyaev I. A. Heat transfer under quenching of cylindrical bodies in subcooled liquids. Nuclear Engineering and Design. https: //doi.org/10.1016/j.nucengdes.2021.111380

25. Hurley P., Alblooshi A., Kim K. Mo, Juliana P. Vapor Film Collapse and Quench Front Propagation Analysis using Optical Fiber Temperature Sensors. Conference Paper. DOI: 10.13182/T125-36549

26. Sapozhnikov S. Z., Mityakov V. Yu. / Heatmetry. The Science and Practice of Heat Flux Measurement // St.- Petersburg: Springer International Publishing, 2020,

27. Гусаков А. А. Комплексное исследование теплообмена и течения около изотермического кольцевого ребра на цилиндре / Гусаков А. А., Греков М. А., Сероштанов В. В. . // Седьмая российская национальная конференция по теплообмену: Труды седьмой российской национальной конференции по теплообмену ( Москва 22 - 26 октября 2018 г.). - Москва: Изд-во Издательский дом МЭИ, 2018. - С. 162 - 165.

28. Митяков В. Ю., Комплексный метод в исследовании течения и теплообмена у поверхности одиночного кольцевого ребра / Митяков В. Ю.,

Сероштанов В. В., Башкатов А. В., Павлов А. В. // Неделя науки Санкт-Петербургского государственного политехнического университета: Материалы научной конференции с международным участием. Лучшие доклады (Санкт-Петербург, 13-19 ноября 2017 г.). - Санкт-Петербург: Изд-во Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", 2018. -С. 12- 15.

29. Mityakov A. V., Investigating heat transfer augmentation using gradient heat flux measurement and piv method / Mityakov A. V., Babich A. Yu., Bashkatov A. V., Gusakov A. A., Dymkin A. N., Zainollina E. R., Sapozhnikov S. Z., Mityakov V. Yu., Seroshtanov V. V. // 33rd Siberian Thermophysical Seminar (Novosibirsk, 06-08 june 2017 г.). - Novosibirsk: Изд-во EDP Sciences. DOI: 10.1051/matecconf/201711502006

30. Митяков В. Ю. Исследование капельно-ручейковой конденсации методом градиентной теплометрии / Митяков В. Ю., Зайнуллина Э. Р., Cапожников C. З., Греков М. А.// Восьмая российская национальная конференция по теплообмену: материалы восьмой российской национальной конференции по теплообмену ( Москва 17 - 22 октября 2022 г.). - Москва: Изд-во федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ", 2022. - С. 325 - 326.

31. Сапожников С. З. Определение оптимального угла наклона трубы при конденсации методом градиентной теплометрии / Cапожников C. З., Митяков В. Ю., Бабич А. Ю., Зайнуллина Э. Р., Павлов А. В. // Современные проблемы теплофизики и энергетики: материалы III международной конференции ( Москва 19 - 23 октября 2020 г.). - Москва: Изд-во федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ", 2020. - С. 257 - 258.

32. Cапожников C. З., Митяков В. Ю., Митяков А. В., Винцаревич А. В., Герасимов Д. В., Павлов А. В., Воробьев Л. А., Ларин А. В. Градиентная теплометрия при мониторинге дизельного двигателя // Тепловые процессы в технике. 2018 Т. 10. № 3 - 4. С. 166 - 170.

33. Винцаревич А. В., Градиентная теплометрия в камере сгорания дизельного двигателя / Винцаревич А. В., Налетов И. Д., Павлов А. В., Митяков В. Ю., Митяков А. В., Cапожников C. З. // Современные проблемы теплофизики и энергетики: Материалы Международной конференции ( Москва 9 - 11 октября 2017 г.). - Москва: Изд-во Издательский дом МЭИ, 2017. - С. 180 - 181.

34. Bobylev P. G., Pavlov A.V., Proskurin V. M., Andreyev Yu.V., Mityakov V.Yu., Sapozhnikov S.Z. Gradient heatmetry in a burners adjustment. Inventions. DOI: 10.3390/inventions7040122

35. Митяков В. Ю. Градиентная теплометрия в исследовании факельного сжигания дизельного топлива / Митяков В. Ю., Митяков А. В., Проскурин В. М., Андреев Ю. В., Бобылев П. Г., Бикмулин А. В.// Восьмая российская национальная конференция по теплообмену: материалы восьмой российской национальной конференции по теплообмену ( Москва 17 - 22 октября 2022 г.). -Москва: Изд-во федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ", 2022. - С. 153 - 154.

36. Cапожников C. З., Градиентная теплометрия в исследовании пленочного кипения / Cапожников C. З., Митяков В. Ю., Субботина В. В. // Седьмая российская национальная конференция по теплообмену: Труды седьмой российской национальной конференции по теплообмену ( Москва 22 - 26 октября 2018 г.). - Москва: Изд-во Издательский дом МЭИ, 2018. - С. 530 - 533.

37. Cапожников C. З., Градиентная теплометрия в исследовании теплообмена при кипении недогретой воды на поверхности шара / Cапожников C. З., Митяков В. Ю., Субботина В. В. // XI семинар вузов по теплофизике и энергетике: Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием. 2019 (Санкт-Петербург, 21-23 октября 2019 г.). - Санкт-Петербург: Изд-во

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", 2019. - С. 348 - 349.

38. Dedov A. V. A Review of Modern Methods for Enhancing Nucleate Boiling Heat Transfer // Thermal Engineering, 2019, Vol. 66, No. 12, pp. 881-915.

39. Serdyukov V. S., Malakhov I., Surtaev A. S., Patrin G. Biphilic surface to improve and stabilize pool boiling in vacuum. Applied thermal engineering. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2022.118298

40. Sarit K. Das, Nandy Putra, Wilfried Roetzel. Pool boiling characteristics of nano-fluids. Heat and Mass Transfer, 2003, vol. 46, pp 851-862.

41. Bang I. C., Chang S. H. Boiling heat transfer performance and phenomena of Al2O3-water nano-fluids from a plain surface in a pool. Heat Mass Transfer, 2005., vol. 48., pp. 2407-2419.

42. Kamel M. S., Lezsovits F., Hussein A. K. Experimental studies of flow boiling heat transfer by using nanofluids. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry DOI: 138:4019-4043.

43. Fang X., Wang R., Chen W., Zhang H., Ma C. A review of flow boiling heat transfer of nanofluids. Applied Thermal Engineering. DOI:91:1003-17.

44. Pinto R. V., Fiorelli F.A.S. Review of the mechanisms responsible for heat transfer enhancement using nanofluids. Applied Thermal Engineering. DOI:108:720-39.

45. Zaboli S., Alimoradi H., Shams M. Numerical investigation on improvement in pool boiling heat transfer characteristics using different nanofluid concentrations. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. doi:10.1007/s10973-022-11272-0.

46. Mukherjee S., Ebrahim S., Purna C.M., Naser A., Chaudhur P. A review on pool and flow boiling enhancement using nanofluids: nuclear reactor application. Processes. https://doi.org/10.3390/pr10010177

47. Анатычук Л. И., Лозинский Н. Г., Микитюк П. Д., Розвер Ю. Ю. Термоэлектрический полупроводниковый тепломер // ПТЭ,— 1983.— № 5.— С. 2.38—239.

48. Проскурин В. М. Градиентная теплометрия как метод исследования пламенного нагревадис. ... к-та тех. наук: 1.3.14; СПбПУ Петра Великого -Санкт-Петербург, 21.06.2024. - 170 с.

49. Sapozhnikov, S.Z.; Mityakov, V.Y.; Mityakov, A.V.; Gusakov, A.A.; Zainullina, E.R.; Grekov, M.A.; Seroshtanov, V.V.; Bashkatov, A.; Babich, A.Y.; Pavlov, A.V. Gradient Heatmetry Advances. Energies 2020, 13, 6194. https://doi.org/10.3390/en13236194.

50. ГОСТ 34100.1 - 2017/IS0/IEC Guide 98-1:2009 «Неопределенность измерения».

51. ГОСТ Р54500.1 - 2011/Руководство ИСО/МЭК 98-1:2009.

52. Митяков В. Ю., Создание и градуировка первичных преобразователей на основе композиции медь-никель / Митяков В. Ю., Бобылев П. Г., Павлов А. В. // Неделя науки Санкт-Петербургского государственного политехнического университета: Материалы научной конференции с международным участием (Санкт-Петербург, 18-23 ноября 2019 г.). - Санкт-Петербург: Изд-во Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", 2019. - С. 164- 166.

53. Сапожников C. З., Митяков В. Ю., Митяков А. В., Гусаков А. А., Бобылев П. Г., Павлов А. В. Исследование кипения на поверхности шара методом градиентной теплометрии // Тепловые процессы в технике. 2021 Т. 13. № 10. С. 434 - 441.

54. Сапожников С. З., Бобылев П. Г., Павлов А. В. Градиентная теплометрия в исследовании теплообмена при кипении в большом объеме недогретой воды и жидкости с добавлением микрочастиц Al203 // Теплоэнергетика. 2023. № 3. С. 40 - 48.

55. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. Издание пятое, дополненное. - М.: Атомиздат 1979, - 416 с (с. 311 - 313)

56. Лабунцов Д. А. Физические основы энергетики. Избранные труды по теплообмену, гидродинамике, термодинамике. - М.: Издательство МЭИ, 2000. -388 с. (с. 119 - 121)

57. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи 2-е издание. - М.: Энергия 1977. - 344 с. (с. 133 - 135)

58. Sapozhnikov, S. Z., Pavlov, A. V., Bobylev P. G. The local heat transfer coefficient determination during boiling a subcooled liquid on a superheated surface by the gradient heatmetry. E3S Web of Conferences 2023. DOI:10.1051/e3sconf/202345905007

59. Павлов А. В., Зависимость плотности теплового потока при кипении воды и взвеси микрочастиц Al2O3 от недогрева / Павлов А. В., Бобылев П. Г., Кикоть Н. Е., Cапожников C. З. // XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике: Сборник тезисов докладов (Санкт-Петербург, 21-25 августа 2023 г.). - Санкт-Петербург: Изд-во Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", 2023. - С. 1037 -1039.

60. Cапожников C. З., Бобылев П. Г., Павлов А. В., Кикоть Н. Е., Бикмулин А. В. Исследование теплообмена при кипении недогретой воды с добавлением микро- и наночастиц // Тепловые процессы в технике. 2023 Т. 15. № 11. С. 495 -503.

Приложения

Приложение А Паспорт Al2O3 500 нм

Приложение Б Паспорт TiO2 200 нм

Приложение В Паспорт TiO2 500 нм

ИП Хисамутдинов P.A.

Юридический адрес; 140490, Московская обл., Коломенский р-н, Коробчеево е., Советская ул., дом № 26. Фактический адрес: 117342 Москва ул Генерала Антонова ЗА, офис 4 ИНН 564303508748; ОГРН 306502215800010

БИК 044525411; Банк: Филиал «Центральный» банка ВТБ(ПАО) г.Москва Расчетный счет 40802810301190000010; Корсчет 30101810145250000411 Контакты: [e-mail] [phone]

ПАСПОРТ

Наименование товара

Титан нанооксид

Размер частиц

500 нм

Цвет

Белый

Кристаллическая форма

Анатаз

Химический состав

7102

99%

РН

6.5

Fe

<10ppm

Дата проиводства: 2а OJ. г

/ИП Хисамутдинов P.A./

Приложение Г Акт внедрения в учебный процесс

„I»«"3»«

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по образовательной

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» (ФГАОУ ВО «СП6ПУ»)

ИНН 7804040077. ОГРН 1027802505279, ОКНО 02068574 Политехническая ул.. 29, Санкт-Петербург, 195251 тел.: [phone], факс: »7(812)552 6080 [e-mail]

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

результатов диссертации Павлова Андрея Владимировича

«Экспериментальное исследование тепловых потоков при кипении воды и взвесей на перегретых поверхностях в большом объеме», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 1.3.14. Теплофизика и теоретическая теплотехника

Изложенные в диссертационной работе А. В. Павлова экспериментальный метод исследования теплообмена при кипении на основе комплексной методики, включающей градиентную теплометрию, термометрию и высокоскоростную визуализацию, а также результаты физического эксперимента, характеризуются научной новизной, практической значимостью и высокой точностью. Они используются в учебном процессе при подготовке лекций, а также практических и лабораторных занятий для бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям подготовки 13.03.01/13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 14.03.01 «Ядерная энергетика и теплофизика», 14.05.02 «Атомные станции: проектирование, эксплуатация и инжиниринг» и 13.03.03 «Энергетическое машиностроение» по дисциплинам «Возобновляемые источники энергии», «Тепломассообмен», «Экспериментальные методы исследований», «Теплотехнические измерения и приборы», «Теплогидравлические процессы в энергетическом оборудовании», «Прикладная термодинамика и теплопередача», «Основы теплотехнического инжиниринга», а также при выполнении расчетно-графических работ и экспериментальных исследований.

Директора Института энергетики

-А

X

В. В. Барсков

Приложение Д Акт внедрения в производство

MIKR0

JTTLTL AKÜSTIKA

Общество с ограниченной ответственностью «Микроакустика» (ООО «Микроакустика»)

620041, Российская Федерация, г. Екатеринбург, ул. Уральская, 27 Тел.: [phone] Факс: [phone]

e-mail: [e-mail], [e-mail] www.mikroakustika.ru

« MIKEOAKÜSTIKA» Ltd

ООО «МИКРОАКУСТИКА>

ОКПО 20883295, ОГРН 1026602971933 ИНН/КПП 6659000081/667001001 р/с № 40702810305000042708 Уральский филиал ПАО «Промсвязьбанк» г. Екатеринбург к/с 30101810500000000975 БИК 046577975

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

от 12 июня 2024 г. результатов диссертации Павлова Андрея Владимировича «Экспериментальное исследование тепловых потоков при кипении воды и взвесей на перегретых поверхностях в большом объеме», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 1.3.14. Теплофизика и теоретическая теплотехника

Результаты, представленные в диссертационной работе «Экспериментальное исследование тепловых потоков при кипении воды и взвесей на перегретых поверхностях в большом объеме» A.B. Павлова, успешно использованы на участке термообработки.

Результаты дали существенно новую информацию о теплообмене при кипении в большом объёме, что позволяет рассмотреть новые режимы, при закалке «решёток» и «поверхностей».

Главный инженер ООО «Микроакустик:

Д.Г. Комлев