Исследование кипения в микроканале с покрытием из наночастиц тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат наук Шустов Михаил Владимирович

• Шустов Михаил Владимирович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Шустов Михаил Владимирович

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1 .ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ 9 2.ОПИСАНИЕ МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЙ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК 46 3.ИССЛЕДОВАНИЕ КИПЕНИЯ В БОЛЬШОМ ОБЪЕМЕ НА

ПОВЕРХНОСТИС ПОКРЫТИЕМ ИЗ НАНОЧАСТИЦ

4 .ИССЛЕДОВАНИЕ КИПЕНИЯ В МИКРОКАНАЛЕ С

ПОКРЫТИЕМ ИЗ НАНОЧАСТИЦ

5 .ФОРМИРОВАНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКРЫТИЯ

ИЗ НАНОЧАСТИЦ. ЗАДАЧИ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

6.ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Приложения

Список обозначений ДЭС Двойной электрический слой

A Константа Гамакера Дж

a ширина канала м

b высота канала м

D,d Диаметр м

Л

g Ускорение свободного падения м/с

hlg Удельная теплота парообразования Дж/кг

L Длина м

Л

G массовая скорость кг/м с

Л

q Плотность теплового потока на стенке Вт/м

Л

qxp, qCHF Критическая плотность теплового потока Вт/м

T Температура ОС

t Время с

Л

а Коэффициент теплоотдачи Вт/м2К

0 Угол смачивания градусы

ß Угол наклона поверхности градусы

g Коэффициент поверхностного натяжения Н/м

р Плотность кг/м2

ВВЕДЕНИЕ

Миниатюризация электронных компонентов, уменьшение размеров систем кондиционирования, создание химических микрореакторов приводит к существенному увеличению плотности теплового потока в данных устройствах. Для их охлаждения наиболее перспективными являются микроканальные теплообменники с кипящим теплоносителем. Эти теплообменные аппараты характеризуются очень высоким отношением площади теплообменной

4

поверхности к объему самого устройства, которое достигает 10 м /м , однако возможны трудности с интенсификацией теплообмена, термические и гидравлические неустойчивости [35], а также порой снижение критической тепловой нагрузки [87]. Одним из наиболее простых в применении и дешевых методов интенсификации теплообмена и повышения критической тепловой нагрузки в микроканальных теплообменниках является покрытие наночастицами поверхности теплообмена.

Данная работа посвящена исследованию кипения в микроканале с покрытием поверхности наночастицами оксида алюминия.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование кипения в микроканале с покрытием из наночастиц»

Актуальность работы

Уменьшение размера теплообменных аппаратов, используемых для охлаждения электроники, в тепловых насосах, системах автомобильного кондиционирования, малых химических реакторах приведет к уменьшению массы, размеров и энергопотребления установки в целом за счет снижения материалоемкости, объема заправки теплоносителя, применения меньших по мощности насосов и компрессоров. По мнению ряда авторов [35, 86, 87], применение компактных микроканальных теплообменников в технике позволяет повысить энергетическую эффективность и снизить воздействие на окружающую среду.

Несмотря на значительное количество экспериментальных данных и ряд расчетных зависимостей, кипение в микроканале все еще остается сложным и далеко не до конца понятым процессом. В ряде работ отмечено возникновение

характерных для микроканалов теплогидравлических неустойчивостей, которые могут осложнить применение компактных теплообменников в технике.

Как ни странно, значительные трудности для практического применения создает и сама миниатюризация теплообменника. В микроканалах происходит снижение чисел Рейнольдса, проявляется влияние капиллярных сил и, как результат, применение обычных методов интенсификации теплообмена становится невозможным.

Перспективным методом интенсификации теплообмена в микроканалах является покрытие поверхности теплообмена слоем наночастиц, выпадающих из коллоидного раствора при кипении [71]. Начиная с 2000 годов число работ, в которых исследовалась теплоотдача при кипени коллоидных растворов, неукоснительно растет, однако в работах встречаются противоречия, влияние покрытий из наночастиц на кипение в микроканалах изучено недостаточно. Взаимосвязь тепловых и гидравлических характеристик двухфазного потока в микроканале порождает необходимость совместного изучения теплоотдачи, гидравлического сопротивления, истинного объемного паросодержания и динамики паровых пузырей. Важной задачей является изучение прочности покрытия из наночастиц, хотя данный вопрос очень слабо освещен в литературе.

Таким образом, выбор оптимальных наночастиц для создания покрытия, оценка прочности покрытия, а также изучение механизма влияния покрытия из наночастиц на кипение являются важными условиями для разработки микроканальных испарителей с интенсификацией теплообмена. Это и определяет актуальность данной работы.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы является изучение влияния покрытия из наночастиц, созданного на поверхности нагрева путем их осаждения из коллоидного раствора, на теплообмен и гидродинамику при кипении воды в микроканале высотой 0.2 мм.

Поставленная цель достигается решением следующих задач: • Исследование кипения воды в большом объеме на поверхности с покрытием из наночастиц, сравнение полученных данных по критической тепловой нагрузке с известными зависимостями;

•Определение основных механизмов влияния покрытия на теплоотдачу и критическую тепловую нагрузку при кипении;

•Выбор материала наночастиц для создания оптимального покрытия для микроканала;

•Измерение статического и динамических углов смачивания на поверхности с покрытием из наночастиц;

•Исследования теплообмена и гидродинамики при кипении в микроканале с покрытием из наночастиц;

•Сравнение полученных кривых кипения и значений истинного объемного паросодержания с известными данными;

•Оценка условий формирования покрытия из наночастиц в условиях кипения;

Научная новизна

Получены новые экспериментальные данные по теплоотдаче и критической тепловой нагрузке при кипении воды в большом объеме на поверхности с покрытием из наночастиц Al2Oз и SiC. В результате обработки данных видеосъемки кипения по предложенной в настоящей работе методике впервые получены распределения количества пара над рабочим участком, позволяющие оценить изменение количества центров парообразования при кипении на поверхности с рельефом из наночастиц.

Проведено исследование кипения воды с недогревом в щелевом микроканале h=0.2мм с покрытием из наночастиц Al2Oз, получены данные по теплоотдаче и критической тепловой нагрузке. Предложена методика определения истинного объемного паросодержания при кипении в

микроканале, впервые измерены пульсации истинного объемного паросодержания при кипении воды в микроканале с исходной поверхностью и покрытием из наночастиц.

Практическое применение. Предполагается совместная работа МЭИ-СколТех по теме «Создание микроканального теплообменника для охлаждения инверторных преобразователей напряжения», в которой будут применены результаты настоящих исследований.

Апробация работы. Основные результаты были представлены на международных и национальных научных конференциях и симпозиумах: Международная конференция по тепло- и массообмену в закрученных потоках (Москва, 2011 г.), Международная конференция по теплообмену при кипении и конденсации (Лозанна, 2012 г.), Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И.Леонтьева (2013 г.), Международный симпозиум по явлениям переноса (Ямагути, 2013г.), Международная конференция по теплообмену (Киото, 2014г.).

Публикации

Материалы по теме диссертационной работы изложены в четырех печатных трудах, три из них опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложения и списка литературы и содержит 114 страниц машинописного текста, 5 страниц приложений, 57 рисунков, 3 таблицы и 30 формул. Список литературы включает 110 наименования.

Автор выносит на защиту

• Результаты исследования свойств поверхности с покрытием из наночастиц (качественная оценка изменения количества центров

парообразования, изменение смачиваемости) и их влияния на теплоотдачу и критическую тепловую нагрузку при кипении;

• Результаты исследования теплоотдачи при кипении в микроканале с покрытием из наночастиц Al2Oз;

• Результаты измерения истинного объемного паросодержания при кипении в микроканале с исходной поверхностью и покрытием из наночастиц;

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1.Влияние микропористых покрытий на теплоотдачу при кипении

Историческим предшественником рельефа поверхности нагрева из наночастиц является покрытие, получаемое при спекании металлических микрочастиц (микропористое покрытие). На рис.1.1. приведена фотография шлифа такого покрытия.

На Рис.1.2. представлены кривые кипения для поверхности с микропористым покрытием и без покрытия. Для поверхности с медным микропористым покрытием установлены следующие закономерности:

- кипение начинается при малом температурном напоре (менее 1°С);

- кривая кипения имеет две характерные области: в первой из них наблюдается резкий рост тепловой нагрузки, что соответствует скачкообразной активизации центров парообразования, во второй — коэффициент теплоотдачи примерно постоянный.

- коэффициент теплоотдачи для поверхности с микропористым покрытием значительно больше (в области малых тепловых нагрузок до 10 раз), чем для поверхности без покрытия. С ростом^Г влияние микропористого покрытия на теплоотдачу ослабевает, хотя остается заметным;

Рис.1.1. Фотография шлифа спеченного покрытия [2]

- согласно визуальным наблюдениям при низких температурных напорах образуется большое количество паровых пузырей небольшого диаметра, отрывающихся с большей частотой, по сравнению с кипением воды на поверхности без покрытия. Отрывной диаметр паровых пузырей с ростом перегрева стенки увеличивается.

ЦВт/М2

о 1_1_I_I_I-1-1

1 1 3 10 20 АТ/°С

Рис. 1.2. Кривые кипения воды на медной пластине [2] 1 — пластина без покрытия; 2 — пластина со спеченным медным покрытием

толщиной 0,4 мм

На рис.1.3. приведены зависимости ц(ЛТ) при кипении фреона-22 (Т= 283 К) для трубы без покрытия (кривая 1), с оребрением (кривая 2), напыленным покрытием из нержавеющей стали (пористость 40%) (кривая 3), спеченным покрытием из нержавеющей стали (пористость 50%) (кривая 4), напыленным покрытием из бронзового порошка (кривая 5). Наибольшая интенсификация теплообмена достигнута в случае бронзового напыленного покрытия, повышение коэффициента теплоотдачи по сравнению с поверхностью без покрытия составляет около 10 раз.

Рис. 1.3. Кривые кипения фреона - 22 при температуре насыщения 283 К [2]

1 — поверхность без покрытия; 2 — поверхность с оребрением; 3 — поверхность с напыленным покрытием из нержавеющей стали (пористость 40 %); 4 — поверхность со спеченным покрытием из нержавеющей стали (пористость 50 %); 5 — поверхность с напыленным покрытием из бронзы

Классификация микропористых покрытий распространена на покрытия, элементы которых контактируют между собой и с поверхностью, на которую они нанесены, и имеют характерный внутренний размер, соизмеримый с радиусом критического зародыша при парообразовании в названной системе.

В качестве основных параметров выбраны величина, равная отношению характерного внутреннего размера слоя (например, диаметр поры I) к внешнему характерному размеру Ь (толщина слоя), и эффективная пористость вэф. Последняя характеризует степень искривления и деформации пор, наличие замкнутых пустот. Эффективная пористость определяется из выражения:

э.с.

'эф

Г1

эф

1

V Ы.)

АР

эф.

АР

(1.1)

э.с.

3

2

где £э.с— пористость эталонного слоя, полученного без объемной усадки и имеющего характерные внутренний и внешний размеры такие же, как

исследуемое покрытие; ЛРэф, ЛРэх— падение давления при течении жидкости с одинаковым расходом через исследуемый и эталонный пористые слои.

Согласно классификации микропористые покрытия разделены на одно- и двухпараметрические. Механизм переноса теплоты при кипении на поверхностях с однопараметрическими покрытиями (Ь*<1) принципиально такой же, как и на поверхности без покрытия. Особенности обусловлены специфичностью формы и распределения по размерам готовых центров парообразования.

Если форма впадин покрытия близка к резервуарной и распределение способных к активизации впадин охватывает узкий диапазон размеров, то зарождение и развитие кипения происходит следующим образом. Сначала в узком интервале перегревов стенки происходит резкая активизация центров парообразования и коэффициент теплоотдачи резко возрастает, а затем с увеличением температурного напора плотность центров слабо увеличивается и коэффициент теплоотдачи практически остается постоянным. Для этого типа микропористых покрытий обнаружены наиболее значительные эффекты по теплоотдаче.

Коэффициент теплоотдачи в данном случае можно рассчитать по формуле:

1 т

(а п.п )кип = К

. . __т 1 .

< ^ Л 2+т Г -т ^

q 2+т

(V)2

и'ф"5п.п ,

^тях Г Р 4аТ8 ,

(1.2)

где К — коэффициент, учитывающий влияние давления, К=0,203+1,8 р/ркр, ркр — критическое давление, т=-16300-5п.п/^эф+4. Приближенно можно принять, что максимальный диаметр поры Втах равен диаметру частицы.

Двухпараметрические покрытия (1/Ь<<1) в зависимости от эффективной пористости могут быть непроницаемыми, полупроницаемыми и проницаемыми. Отвод теплоты от стенки с проницаемым и полупроницаемым

покрытиями осуществляется теплопроводностью через пленку жидкости в основании покрытия с последующим испарением и уносом образующегося пара через покрытие, а также теплопроводностью через каркас пористой структуры.

В случае двухпараметрических микропористых покрытий обнаружено явление гистерезиса кривой кипения. При значительной толщине покрытия растет сопротивление выходу пара и возникает внутрислойный кризис теплообмена. Теплоотдача может быть ниже, чем для технически гладкой поверхности.

1.2 Кипение водных растворов

Целью работы [3] являлась модификация физической модели Лабунцова для случая кипения водных растворов. При этом в работе рассматриваются не внутренние характеристики процесса кипения (скорость и время роста парового пузыря, его отрывной диаметр, частота отрыва, статистические распределения величин и.т.д.), а лишь влияние солесодержания раствора - "относительный закон теплообмена".

В итоге получено следующее соотношение для относительного закона теплообмена при кипении солесодержащих растворов:

а = ща .

раств воды

(1.3)

где

щ = л + \/ л2 +1; (1.4)

ХТ

А = кСаА-—. (1.5)

I гру' qE

л 22

к=4.2-10 , Е- энергия дисперсионного взаимодействия ~10- Дж, Х- коэффициент теплопроводности, а- коэффициент поверхностного натяжения, г- удельная теплота парообразования, р"- плотность пара, q- плотность теплового потока на стенке.

Как видно из (3), при увеличении давления и плотности теплового потока относительный эффект интенсификации теплообмена снижается. При значении численной константы к = 4.2 -10"4 достигается удовлетворительное согласование с имеющимися экспериментальными данными (максимальное относительное отклонение не превышает ±15 %). Все приведенные выкладки относятся к случаю

акип»акОИв акип-

Интенсификация теплообмена имеет место при концентрации соли С<Стах. Выпадение соли из локально пересыщенного раствора при концентрации С>Сгаахприводит к "взаимному перекрытию" центров парообразования, обусловленных различной физической природой - "основных" центров с плотностью N0(зависящих от характеристик поверхности) и "дополнительных" центров с плотностью ^(обусловленных "эффективной пористостью" поверхности). Тогда будет происходить подавление центров кипения вследствие выпадения соли.

На рис. 1.4 представлены результаты работы [3]в виде зависимости относительного коэффициента теплоотдачи от солесодержания раствора. Линиями показан расчет по формуле 1.3. а/ас

• 1 ♦ 2 ■ 3 ▲ 4

• у/*

*

...

' 0 5 Ю 15 20 25 С, г/кг

Рис. 1.4. Отношение коэффициентов теплоотдачи при кипении водного раствора сульфата натрия и воды от концентрации [3]. 1- д=25 кВт/м2, 2- д=40 кВт/м2, 3- д=55 кВт/м2, 4- д=95 кВт/м2.

1.3.Кипение наножидкостей и чистых жидкостей на поверхностях с нанорельефом

1.3.1. Теплоотдача при кипении наножидкости в большом объеме.

В работе [8] исследовано кипение коллоидного раствора наночастиц А1203в большом объеме на поверхности трубки. Во всех исследованных случаях интенсивность теплообмена меньше по сравнению с кипением чистой воды. Представленные результаты не имеют связи с размерами наночастиц, однако по мере роста объемной концентрации частиц коэффициент теплопроводности повышается, а теплоотдача, наоборот, уменьшается. В экспериментах отмечено осаждение наночастиц на нагретых поверхностях, и сделан вывод, что ухудшение теплоотдачи в случае наножидкости происходило из-за выпадения наночастиц из коллоидной смеси и их осаждения на поверхности нагревателя. Несмотря на то, что наночастицы добавлялись в наножидкость, интенсивность теплообмена понижалась.

На рис.1.5. представлены данные по теплообмену при кипении Al2O3-наножидкости в большом объеме (по данным работ [9,10]). При повышении концентрации наночастиц теплоотдача ухудшается. Тем не менее, как сообщают Вен (Wen) и Динг (Ding) [10], при очень низких объемных концентрациях частиц (менее 0,32%) для этой наножидкости имеет место интенсификация теплообмена при кипении в большом объеме. Более того, по данным [10] наблюдается тенденция усиления интенсификации теплообмена при увеличении объемной концентрации частиц вплоть до 0,32%.

2.50

со .0 х

I 2.00

d

ф а ф

о с

с

ф

н ш

0 н

1

ф

S S

m

0

¥ ф

S

1

ф

0

1

н

о

1.50

1.00

0.50

0.00

100

200

300

400

—e— Bang & Chang (47 hm, 0,5 06. %) —b— Bang & Chang (47 hm, 1 06. %) —©— Bang & Chang (47 hm, 2 06. %) —a— Bang & Chang (47 hm, 4 06. %) —v— Wen & Ding (30 hm, 0,08 06. %) —r*— Wen & Ding (30 hm, 0,18 06. %) —zi— Wen & Ding (30 hm, 0,24 06. %) —s— Wen & Ding (30 hm, 0,32 06. %)

ЕЙ •V-^7

• • —-F g

^- ü--

500

600

Тепловой поток кВт/м2

Рис. 1.5. Теплоотдача при кипении в объеме Л/2О3-наножидкости на горизонтальной поверхности. Данные [10] и [9]

В работе [11] исследовано кипение воды с добавлением наночастиц Л/2Озпри атмосферном давлении на стальном диске диаметром 150 мм. На рис. 1.6. показана фотография наночастиц. Распределение наночастиц по диаметру представлено на рис. 1.7.

Диаметр,

Рис. 1.7. Распределение наночастиц Л12Оз по диаметрам (максимальное значение: 190 нм, среднее значение:168 нм) [11]

Результаты работы представлены на рис.1.8. Коэффициент теплоотдачи увеличивается с ростом концентрации наночастиц. Наибольшее увеличение коэффициента теплоотдачи (40%) получено для наножидкости с концентрацией 1.25% наночастиц Л12О3.

q, кВт/м2

Рис. 1.8. Зависимость коэффициента теплоотдачи от тепловой нагрузки [11]

Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что даже очень малые объемные концентрации наночастиц в воде (0,01 - 0,1 vol. %) приводят к повышению критической тепловой нагрузки [12-14]. Такв работе [14] исследован кризис кипения водной дисперсии наночастиц на горизонтально

расположенной нихромовой проволоке диаметром О = 0,2 мм, нагреваемой переменным электрическим током. В качестве рабочей жидкости использовалась дистиллированная вода с содержанием наночастиц до 1 об.% при атмосферном давлении. В работе использовались наночастицы Zr02 (3,5 то1.% У203) размером 15±5 пт [14].

Результаты экспериментов[14] представлены на рис.1.9 в виде зависимости критической тепловой нагрузки от концентрации (д^^'Со)) в диапазоне изменения объемной концентрации наночастиц от 0 до 1%. При увеличении содержания наночастиц до 0,02 об.% в описанных выше условиях достигается увеличение критической тепловой нагрузки в 1,5 раза, при дальнейшем увеличении объемного содержания до 1 об.% и далее остается практически постоянным (рис 1.9.), что, по-видимому, связано с образованием слоя наночастиц на поверхности проволоки при длительном кипении.

о 0.001 0.01 0.1 1

Рис. 1.9. Зависимость критической тепловой нагрузки от концентрации

наночастиц

1- наночастицы ZrO2 (3.5 mol. % Y2O3)[14]; 2, 3, 4 - наночастицы ZrO2„ SiO2 и

Al2O3, соответственно [13].

Анализ рельефа слоя наночастиц, формирующегося на поверхности при кипении наножидкости (рис.1.10.), свидетельствует о появлении регулярно расположенных в нем кратеров с характерным диаметром около 20 мкм. Электронно-микроскопическое исследование структуры этих кратеров (сканирующий электронный микроскоп Hitachi S-570) показывает, что они, в свою очередь, сформированы из пористой матрицы с характерными размерами пор 2-5 мкм.

Рис. 1.10. Микрофотографии исходной проволоки (1) и проволоки после кипения в наножидкости (2): структура слоя наночастиц ZrO2 (3,5 mol. % Y2O3)

на поверхности проволоки [14]

В работе [25] проведено исследование кипения наножидкости на горизонтально расположенной трубе с пористым покрытием и без покрытия. Для приготовления наножидкости использовались наночастицы Al2O3 и CuO. Пористое покрытие изготавливалось из алюминия (толщ. 0,15мм, пористость около 40%) методом плазменного напыления. Было установлено, что при добавлении даже очень малого количества наночастиц в воду (0.01%) теплоотдача при кипении на поверхности с пористым покрытием значительно уменьшается.

В работе [101] В.М.Жуковым с сотрудниками было исследовано кипение наножидкости на основе воды с добавлением частиц оксида алюминия (0.005%)

на латунной сфере, разогретой до температуры Лейденфороста. Установлено, что при недогреве 10-15 К пленочный режим кипения не возникает и почти мгновенно начинается переходный режим кипения.

1.3.3. Влияние ПАВ на теплоотдачу при кипении наножидкостей.

В работе [15] изучено влияние ПАВ на теплоотдачу при кипении наножидкостей. Получены кривые кипения (рис. 1.11.) для (А) деионизированной воды, (В) деионизированной воды с добавлением 1,0 об.% ПАВ, (С) наножидкости с концентрацией 0,005 об.% наночастиц 7Ю2 без добавления ПАВ, (Э, Е, Б) наножидкости с концентрацией 0,005 об.% наночастиц ZrO2 с добавлением ПАВ. Установлено, что низкая концентрация ZrO2 и добавление ПАВ (кривые Ви С) улучшают теплоотдачу при кипении.

Тс-Тэ/С

Рис.1.11. Кривые кипения чистой воды и наножидкости с добавлением ПАВ

На рис.1.12. представлены профили поверхности нагрева после эксперимента с деионизированной водой (а) и наножидкостью (б) с концентраций 0,005 об.% ZrO2. Можно видеть, что поверхность стала более гладкой вследствие осаждения наночастиц, диспергированных в воде. Также проведена дополнительная серия экспериментов, в которой воспроизводились условия, применяя использованный ранее нагреватель, но со свежеприготовленной наножидкостью такой же концентрации. После каждого опыта поверхность нагревателя промывалась чистой водой и измерялась ее шероховатость перед установкой нагревателя в экспериментальную секцию для следующего опыта. На рис.1.13. представлены результаты исследований для наножидкости с концентрацией 0,02 об.% без добавления ПАВ. Аналогичные исследования проведены для наножидкости, содержащей 1,0 об.% ПАВ. Наблюдалась такая же тенденция снижения теплоотдачи, что и на рис.1.11. (кривые D, Е, F). Возможная причина такого снижения в передаче тепла связана с уменьшением количества центров парообразования вследствие длительного кипения наножидкости.

Рис.1.12. Профиль шероховатости поверхности нагрева после эксперимента с деионизированной водой (а) и с наножидкостью (Ь) 0,005 об.% ZrO2[15]

Рис.

О 5 10

Tc-Ts,°C

1.13. Кривые кипения наножидкости 0,02 об.% ZrO2 (повторные опыты без очищения поверхности нагрева) [15]

1.3.4. Влияние количества опытов на теплоотдачу при кипении наножидкости

На рис 1.14. показаны кривые кипения на сфере из нержавеющей стали при охлаждении в чистой воде и наножидкости в условиях насыщения[16]. Кривые кипения для сферы из нержавеющей стали с добавками в жидкость А1203 и кварца Si02 претерпевают существенные изменения от одного опыта к другому. Критическая тепловая нагрузка значительно увеличивается, изменяется и температура, соответствующая ей. Изменения кривой кипения для наножидкости с частицами углерода (С) не существенные.

Рис. 1.14. Кривые кипения (a) чистой воды, (b) наножидкости с добавлением наночастиц Al2O3 (0.1%), (с) наножидкости с добавлением наночастиц SiO2 (0.1%), и (d) С-наножидкости (0.1%) при условиях насыщения (сфера из

нерж.стали) [16] Цифрами 1-7 отмечены номера экспериментов.

Данные по критической тепловой нагрузке при кипении наножидкостей с концентрацией наночастиц 0,1% в условиях насыщения, представлены на рис.1.15.

Рис. 1.15. Критическая тепловая нагрузка зависимости от номера опыта в воде и 0.1 об.% наножидкости при параметрах насыщения (слева: сфера из нерж.стали,

справа: сфера из циркония) [16]

Большая критическая тепловая нагрузка для рабочего участка из циркония(1000 кВт/м ) и нержавеющей стали(900 кВт/м2) достигнута при использовании наночастиц 8Ю2. С ростом количества опытов критическая тепловая нагрузка растет для всех наночастиц кроме С.

Основные результаты, полученные в работе [16]:

• Пленочное кипение наножидкости прекращается при более высоких перегревах стенки, чем для воды и сферы без рельефа. Авторы предположили это происходит из-за дестабилизации пленки пара в результате отложения частиц на поверхности.

• Недогрев жидкости очень сильно влияет на время охлаждения. В случае большого недогрева жидкости сход паровой пленки происходит вскоре после погружения горячей сферы в объем. Данные показывают, что по сравнению с экспериментами, где жидкость была насыщенной, тонкая пленка пара при кипении с недогревом легко дестабилизируется отложением частиц на поверхности. В экспериментах с наножидкостью

выявлено, что критическая тепловая нагрузка увеличивается от одного эксперимента к другому. • Увеличение критической тепловой нагрузки и увеличение перегрева стенки ЛTкр2 сильно зависят от материала наночастиц. Наночастицы из оксида алюминия и кварца увеличивают АТкр2, в то время как углеродные наночастицы практически не оказывают влияния.

1.4. Влияние смачиваемости поверхности на критическую тепловую нагрузку

В Таблице 1.1 представлены результаты измерения углов смачивания на поверхности после кипения наножидкости. Поверхность с осажденными наночастицами имеет меньший угол смачивания по сравнению с чистой поверхностью.

Таблица 1.1. Статический угол смачивания воды и наножидкости на чистой поверхности и поверхности с осажденными частицами [13]

жидкость поверхность

чистая После кипения в нанож-ти

вода 79° 8°-36° *

0.001°°^ Al2O3 № 80° 14°

0.01°°^ Al2O3 № 73° 23°

0.1°^ Al2O3 № 71° 40°

0.001°°^ 7г02 № 80° 43°

0.01°°^ 7г02 № 80° 26°

0.1°^ 7г02 № 79° 30°

0.1%v SiO2 NF 71° 11°

0.01%v SiO2 NF 80° 15°

0.001%v SiO2 NF 75° 21°

*22° -30° на поверхности с частицами оксида алюминия, 16°-36° на поверхности с частицами оксида циркония, 8°-18° на поверхности с частицами оксида кремния.

В работах [13,18]предложено следующее выражение для определения критической тепловой нагрузки, являющееся модификацией формулы Кутателадзе-Зубера:

(1.6)

Здесь к- параметр, который уменьшается с увеличение смачиваемости поверхности, но аналитического выражения для этого коэффициента Theofanous и Dinh [18] не предлагают.

Kim и др. [13] дают следующее выражение для коэффициента к:

(1.7)

Это выражение применимо только для гидрофильных поверхностей (0 <90 °).

КадёНкаг предлагает следующее соотношение для максимальной тепловой нагрузки при пузырьковом кипении[19]:

(1.8)

Здесь в- угол смачивания (динамический угол оттока), ф- угол наклона нагревателя по отношению к горизонтальной оси. Уравнение (1.8) применимо для поверхности с любым углом в.

На рис. 1.16. показаны зависимости критической тепловой нагрузки от угла в, построенные по уравнениям (1.6) и (1.8). Начальная критическая тепловая нагрузка относится к поверхности из нержавеющей стали с углом смачивания в = 80°. Данные показывают, что критическая тепловая нагрузка возрастает с уменьшением краевого угла. Максимальное увеличение критической тепловой нагрузки (около 160% по формуле (1.6), около 110% по формуле (1.8) и немного ниже для вертикально расположенной поверхности) согласуется с экспериментальными данными при кипении наножидкости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шустов Михаил Владимирович, 2016 год

Библиографический список

1. С.С.Кутателадзе. Конвективный теплообмен при изменении агрегатного состояния вещетсва. Дисс.Д.Т.Н. ЦКТИ. Ленинград 1951.

2. Дзюбенко Б.В., Кузма-Кичта Ю.А., Леонтьев А.И., Федик И.И., Холпанов Л.П. Интенсификация тепло- и массообмена на макро-, микро- и наномасштабах. ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», 2008

3. А.И. Абрамов, Д.И. Борисенко, Д.В. Буяков. Ю.Б. Зудин, Ю.А. Кузма-Кичта, П.В. Сербин, Исследование теплоотдачи при кипении водных растворов в испарителях ТЭС, Международная научно-практическая конференция, Экология энергетики, 2000

4. S. Kabelac, K.B. Anoop, Experimental convective heat transfer with nanofluids, Proceedings of the Sixth International ASME Conference on Nanochannels, Microchannels and Minichannels ICNMM2008 June 23-25, 2008, Darmstadt, Germany, ICNMM2008-62099, 2008

5. C. Li, ZuankaiWangl, P. Wang, Y. Peles, N.Koratkar, G.P. Peterson, Nanostructured Copper Interfaces for Enhanced Boiling. Small. Volume 4, Issue 8, pages 1084-1088, August 2008

6. R.Chen, M.C.Lu, V.Srinivasan, Z,Wang,H.H.Cho, A.Majumdar. Nanowires for enhanced boiling heat transfer. Nano letters, 2009, vol.9, No. 2, 548-553

7. T.J. Hendricksa, Shankar Krishnana, ChanghoChoib, Chin-Hung Changb and Brian Paule, Enhancement of pool-boiling heat transfet using nanostructured surfaces on aluminium and cooper, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 53, Issues 15-16, 3357-3365

8. Das SK, Putra N, Roetzel W, Pool boiling characteristics of nanofluid. Int J Heat Mass Transfer (2003) 46: 851-862

9. Bang, I. C., and Chang, S. H., Boiling Heat Transfer Performance and Phenomena of Al2O3-Water Nano-Fluids from a Plain Surface in a Pool, International Journal of Heat and Mass Transfer,vol. 48, pp. 2407-2419, 2005.

10.Wen, D., and Ding, Y., Experimental Investigation into the Pool Boiling Heat Transfer of Aqueous Based y-Alumina Nanofluids, Journal of Nanoparticle Research,vol. 7, pp. 265-274, 2005.

11.Milanova, D., and Kumar, R., Role of Ions in Pool Boiling Heat Transfer of Pure and Silica Nanofluids, Applied Physics Letters,vol. 87, Paper 233107, 3 pp., 2005.

12.Kim S.J., Truong B., Buongiorno J., Hu L.W., Bang I.C. // Paper 6005. Proceedings of ICAPP'06. Reno, NV, USA, June 4-8,2006.

13. S. J. Kim, I. C. Bang, J. Buongiorno, and L. W. Hu, 2007, "Surface Wettability Change during Pool Boiling of Nanofluids and its effect on Critical Heat Flux", Int. J. Heat Mass Transfer, 50, 19-20, 4105-4116

14.Б.С.Фокин и др. Критический тепловой поток при кипении водной дисперсии наночастиц. Письма в ЖТФ, 2009, том 35, вып.10. стр3-5.

15.M. Chopkar, A. K. Das, I. Manna, P. K. Das, Pool boiling heat transfer characteristics of ZrO2-water nanofluids from a flat surface in a pool, Heat Mass Transfer (2008) 44:999-1004

16.Hyungdae Kim, Gregory DeWitt, Thomas McKrell, Jacopo Buongiorno *, Lin-wen Hu. On the quenching of steel and zircaloy spheres in water-based nanofluids with alumina, silica and diamond nanoparticles. InternationalJournalofMultiphaseFlow 35 (2009) 427-438

17.C. Li, ZuankaiWangl, Pei-I Wang, YoavPeles, Nikhil Koratkar, G.P. Peterson, Nanostructured Copper Interfaces for Enhanced Boiling, Small, Volume 4, Issue 8, pages 1084-1088, August 2008

18. T. G. Theofanous and T. N. Dinh, 2006, "High Heat Flux Boiling and Burnout as Microphysical Phenomena: Mounting Evidence and Opportunities", Multiphase Science and Technology, 18, 1, 1-26.

19. S. G. Kandlikar, 2001, "A Theoretical Model to Predict Pool Boiling CHF Incorporating Effects of Contact Angle and Orientation", J. Heat Transfer, 123

20. H. Kim and M. Kim, 2007, "Experimental Study of the Characteristics and Mechanism of Pool Boiling CHF Enhancement Using Nanofluids", J. Heat Mass Transfer, Special IssueT. 45, pp. 991-998, 2009.

21. B. Truong, Nov. 11-15, 2007, "Determination of Pool Boiling Critical Heat Flux Enhancement in Nanofluids", Proceeding of IMECE 2007, Seattle, WA, USA.

22. M. F. Rubner, F. C. Cebeci, Z. Wu, L. Zhai and R. E. Cohen, 2006, "Nanoporosity-Driven Superhydrophylicity: A Means to Create Multifunctional Antifogging Coatings", Langmuir, 22:6, 2856-2862.

23. M. Harju, E. Levanen, and T. Mantyla, "Wetting Behavior of Plasma Sprayed Oxide Coatings", Applied Surface Science, 2006, 252, 8514-8520.

24.Y. P. Zhao, J.-G. Fan, D. Dyer and G. Zhang, 2004, "Nanocarpet Effect: Pattern Information During the Wetting of Vertically Aligned Nanorod Arrays", Nano Letters, 4:11, 2133-2138.

25.Janusz T. Cieslinski , Tomasz Z. Kaczmarczyk, 2012, Pool Boiling OfWater Al2O3 And Water Cu Nanofluids On Smooth And Porous Coated Tubes3-7th June 2012, EPFL, Lausanne, Switzerland, O_s7_1444

26.Y.D.Shikhmurzaev.The moving contact line on a smooth solid surface.Int. J. Multiphase Flow Vol. 19, No. 4, pp. 589-610, 1993

27.Gutoff, E. B. & Kendrick, C. E. 1982 Dynamic contact angles. AIChE J.459-466.

28.Hoffman R. 1975 A study of the advancinginterface. I. Interfaceshapein liquid-gas systems. J. Colloid &Interf. Sci. 50, 228-241.

29.Inverarity, G. 1969 Dynamic wettingof glass fibre and polymer fibre. Br. Polym. J. 1, 245-251.

30.Schwartz, A. M. & Tejada, S. B. 1970 Studies of dynamic contact angles on solids. NASA Contract Rep. CR-72728.

31.Elliott, G. E. P. &Riddiford A. C. 1967 Dynamic contact angles. I. The effect of impressed motion.J. Colloid &Interf. Sci. 23, 389-398.

32.Ablett, R. 1923 An investigation of the angle of contact between paraffinwax and water. Philos. Mag. 46, 244-256.

33.M.Bowers, I.Mudawar. High flux boiling in low flow rate, low pressure drop mini-channel and micro-channel heat sinks. Int.J.Heat Mass Transfer. Vol.37, N2, pp. 321-332. 1994

34.A.Bergles, S.Kandlikar. On the Nature of Critical Heat Flux in Microchannels. Journal of Heat Transfer. January 2005, Vol.27. pp. 101-107.

35.Д.М.Ховалыг. Закономерности динамики двуфазных потоков и теплообмена при кипении хладагента R134a в микроканалах. Дисс. К.Т.Н. Санкт-Петербургский НИУ информационных технологий, механики и оптики. 2013.

36.Qu, W., and Mudawar, I., 2004, "Measurement and Correlation of Critical Heat Flux in Two-Phase Micro-Channel Hat Sinks,'' Int. J. Heat Mass Transfer, 47, pp. 2045-2059

37.W.Kuan, S.Kandlikar. Experimental Study and Model on Critical Heat Flux of Refrigerant-123 and Water in Microchannels. Journal of Heat Transfer. March 2008, Vol.130.

38.M.Kureta, H.Akimoto. Critical heat flux correlation for subcooled boiling flow in narrow channels. Int.J. ofHeatandMassTransfer 45 (2002) 4107-4115

39.Inada S., Miyasaka, Y., Izumi, R. and Owase, Y., 1981, A study on Boiling Curves in Subcooled Pool Boiling (1st Report, An effect of liquid subcooling on local heat transfer), transaction of JSME (in Japanese), Vol.47, No. 417, pp.852-861.

40.Inada, S., Miyasaka, Y., Izumi, R., and Kobayashi, M.,Bull. JSME, 1982, no. 5, p. 1085.

41.Kumagai, S., Kawata, K., Katagiri, T., and Shimada, R., Temperature and Pressure Fluctuations Associated with Bubble Motion in Microbubble Emission Boiling, Heat Transfer_1998. Proc. 11th IHTC, Kyongju, Korea, 1998, vol. 2, p. 279.

42.M. Shoji, M. Yoshihara, Burnout heat flux of water on a thin wire, in: Proceedings of 28th National Heat Transfer Symposium of Japan, 1991, pp.121-123.

43.Inada, S. and Yang, W._J., A Study of Miniaturization Boiling Phenomena, Heat Transfer_1998. Proc. 11th IHTC, Kyongju, Korea, 1998, vol. 2, p. 509.

44.Suzuki, K. and Inagaki, R., 2005, A Fundamental Study on High Heat Flux Cooling using Subcooled Flow Boiling with Microbubble Emission, Proceedings of Fifth International Conference on Enhanced, Compact and Ultra-compact Heat Exchangers: Science, Engineering and Technology, CD-ROM CHE2005-37.

45.K. Suzuki, T. Kokubu, M. Nakano, H. Kawamura, I. Ueno, H. Shida, O. Ogawa, Enhancement of heat transfer in subcooled flow boiling with microbubble emission, Exp. Therm. Fluid Sci. 29 (2005) 827-832

46.Suzuki, K., Microbubble Emission and High Heat Flux Observed in Subcooling Boiling, ECI Int. Conf. on Boiling Heat Transfer, Spoleto, Italy, 2006.

47.T.Nomura, M.Shustov, K.Suzuki, C.Hong, Yu.Kuzma-Kichta, 2009, Subcooled Flow Boiling In Mini And Micro Channel ; Contribution Toward High Heat Flux Cooling Technology For Electronics. Proceedings of IPACK2009 InterPACK'09 July 19-23, 2009, San Francisco, California, USA

48.Yu. A. Zeigarnik, K. A. Khodakov, V. L. Nizovskii, and Yu. L. Shekhter, Microbubble Boiling: Mechanism of the Process, Objectives and Methods of Investigations, Heat And Mass Transfer And Physical Gasdynamics, ISSN 0018_151X, High Temperature, 2009, Vol. 47, No. 5, pp. 675-679.

49.Yu. A. Zeigarnik, D. N. Platonov, K. A. Khodakov, and Yu. L. Shekhter, Visualization of Boiling of Subcooled Water, Heat And Mass Transfer And Physical Gasdynamics,ISSN 0018_151X, High Temperature, 2011, Vol. 49, No. 4, pp. 566-570.

50.G.Wang, P.Cheng, Subcooled flow boiling and microbubble emission boiling phenomena in a partially heated microchannel, International Journal of Heat and Mass Transfer 52 (2009) 79-91, 2009.

51.H. S. Xue, J. R. Fan, Y. C. Hu, R. H. Hongand K. F. Cen, J. Appl. Phys. 100, 104909 (2006).

52.Z. H. Liu, X. F. Yangand G. L. Guo, J. Appl. Phys. 102, 013526 (2007).

53.Z. H. Liuand Y. H. Qiu, HeatMassTransfer43, 699 (2007).

54.H. B. Ma, C. Wilson, Q. Yuand K. Park, J. HeatTransfer128, 1213 (2006).

55.Z. H. Liu, J. G. Xiongand R. Bao, Int. J. MultiphaseFlow33, 1284 (2007).

56.G. Duursma, K. Sefianeand A. Kennedy, The 10th UK HeatTransferConf., Edinburgh, UK, in CD-ROM (2007).

57.J. Lee, I. Mudawar, Int. J. HeatMassTransfer50, 452 (2007).

58.S. Khandekar, Y. M. Joshi, B. Mehta, Int. J. Therm. Sci. 47, 659 (2007)

59.Y. Park, A. Sommers, L. Liu, G. Michna, A. Joardarand A. Jacobi, The 22nd Int. CongressofRefri., Beijing, China, in CD-ROM, Papernumber: ICR07-B1-709 (2007).

60.S.Vafaei, D.Wen. Flow boiling heat transfer of alumina nanofluids in single microchannels and the roles of nanoparticles. J Nanopart Res (2011) 13:10631073

61.E.W.Jassim, T.A.Newell. Prediction of two-phase pressure drop and void fraction in microchannels using probabilistic flow regime mapping. Int.J.of Heat and Mass Transfer 49 (2006) 2446-2457

62.C.W.Choi, D.I.Yu, M.H.Kim. Adiabatic two-phase flow in rectangular microchannels with different aspect ratios: Part I - Flow pattern, pressure drop and void fraction. Int.J. of Heat and Mass Transfer 54(2011) 616-624.

63.D.Fogg, M.David, K.Goodson. Non-invasive measurement of void fraction and liquid temperature in microchannel flow boiling. Exp.Fluids (2009) 46:725-736

64.V.G.Nino, P.S.Hrnjak, T.A.Newell. Characterization of two-phase flow in microchannels. ACRC TR-202. October 2002 [phone].

65.T.Henning, J.J.Brandner, K.Schubert. High-speed imaging of flow in microchannel array water evaporators. MicrocfluidNanofluid (2005) 1:128-136

66.А.Д.Зимон, А.Н.Павлов. Коллоиднаяхимиянаночастиц. Научныймир. Москва. 2012.

67.Д.А.Фридрихсберг. Курсколлоиднойхимии. Химия.Ленинград.1984.

68.Ю.Г.Фролов. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Химия. Москва.1989.

69.M.Elimelech, J.Gregory, X.Jia, R.A.Williams. Particle deposition and aggregation. Measurement, Modelling and Simulation. ButterworthHeinemann. 1995.

70.Т.А.Яхно, В.Г.Яхно. Основы структурной эволюции высыхающих капель биологических жидкостей. Журнал технической физики. 2009, том 79, вып.8. стр.133-141.

71.Ю.А.Кузма-Кичта, А.В.Лавриков, Н.Я.Паршин, Д.Н.Игнатьев, В.Н.Турчин, «Способ формирования нанорельефа на поверхностях изделий». Патент 2433949, 20 11 2011.

72.E. O. Y. D.Huitink, «The bubble fossil record: insight into boiling nucleation using nanofluid pool-boiling,» № 48, 2012.

73.С.А.Макаров, Экспериментальное и теоретическое изучение основных закономерностей синтеза и устойчивости золей оксидов алюминия, кремния и титана. Автореф.к.т.н., Челябинск, 2004.

74.L.-H. L.Lun-Chun, «Boiling characteristics in small vertical tubes with closed bottom for nanofluids and nanoparticles suspensions,» т. 45, pp. 1-9, 2008.

75.Jung-YeulJung,HyungdaeKim,MooHwanKim, «Effect of ionic additive on pool boiling critical heat flux of titania\water nanofluids,» т. 49, pp. 1-10, 2013.

76.Седлов А.С., Кузма-Кичта Ю.А. Гидродинамика и теплообмен при кипении водных растворов. Москва. Изд МЭИ, 2007

77.ЛабунцовД., ЯговВ., Механикадвухфазныхсистем. МЭИ, 2007 г., 384 стр., 978-5-383-00036-6

78.YongDing, ShengXu, YueZhang, Aurelia CWang,Melissa H Wang, YonghaoXiu, ChingPingWong, ZhongLinWang. Modifyingtheanti-wettingpropertyofbutterflywingsandwaterstriderlegsbyatomiclayerdepositionco ating: surfacematerialsversusgeometry. Nanotechnology19 (2008) 355708 (7pp).

79.О.Ю.Комков. Влияние жидкого мениска на величину поверхностных сил. Трение и износ. Том 28 №1. 2007. УДК 532.614.2:539.612

80.Heitich L.V.,PassosJ.C.,CardosoE.M.,KleinA.N and RainhoNeto,A. "Effect of nanostructured surfaces on the nucleate boiling of water", EPFL, Lausanne, Switzerland, p_1512, 7th June 2012.

81.Masahiro Tashiroa, BambangJokoSurotoa, TsugutakaKakitania, Sumitomo Hidakaa, MasamichiKohno, YasuyukiTakata. "Subcooled boiling from a surface with spotted patterns of hydrophilic and hydrophobic coatings", EPFL, Lausanne, Switzerland, p_1520, 7th June 2012.

82.ChaoxingYan, ChangqiYan,YunhaiShen, LichengSun, YangWang. Evaluationanalysisofcorrelationsforpredictingthevoidfractionandslugvelocityofs lugflowinaninclinednarrowrectangularduct. NuclearEngineeringandDesign 273 (2014)155-164

83.Wenzel R. Resistance of solid surfaces to wetting by water. Ind.Eng. Chem. 1936. Vol. 28. N 8. P. 988 - 994.

84.Cassie A. B. D., Baxter S. Wettability of porous surfaces. Trans. Faraday Soc. 1944. Vol. 40. P. 546 - 551.

85.A.K.M.M. Morshed, Fanghao Yang, M. Yakut Ali, Jamil A. Khan, Chen Li. Enhanced flow boiling in a microchannel with integration of nanowires. AppliedThermalEngineering 32 (2012) 68-75

86.D. Klein, G. Hetsroni, A. Mosyak. Heat transfer characteristics of water and APG surfactant solution in a micro-channel heat sink. InternationalJournalofMultiphaseFlow 31 (2005) 393-415

87.Koichi Suzuki, Akira Oshima, Chungpyo Hong AndMasataka Mochizuki. Subcooled Flow Boiling in a Minichannel. Heat Transfer Engineering, 32(7-8):667-672, 2011

88.K.Muhle, K.Domasch. Stability of particle aggregates in fluctuation with polymers. Chem.Ehg.Process, 29, pp 1-8, 1991.

89.F.Torres, W.Russel, W.Schowalter. Floc structure and growth kinetics fro rapid shear coagulation of polystyrene colloids, J.Colloid Interface Sci. 142. 554574. 1991.

90.Д.А.Лабунцов. Приближенная теория теплообмена при развитом пузырьковом кипении. Изв.АН СССР, ОТН, Сер.Энергетика и Транспорт. 1963. №1 с.58.

91.D.Liu, S.V.Garimella. Flow Boiling Heat Transfer in Microchannels. J.Heat Transfer. Oct.2007, vol.129. 1321-1332.

92.Yu.Kuzma-Kuchta, A.Lavrikov, M.Shustov, D.Tsurikov, V.Zhukov. BoilingHeatTransferEnhancementOnMacro-, Micro- AndNano-Scales. JournalOfNuclearEngineering&Technology, vol 2, no 2 - 3 (2012)

93.Кузма-КичтаЮ.А., ЖуковВ.М., ЛавриковА.В., СтенинаН.А., ЧистяковаА.В., ЧурсинП.С., ШолльШ., ШустовМ.В. ИССЛЕДОВАНИЕ КРАЕВЫХ УГЛОВ И КРИЗИСА КИПЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ С ИСКУССТВЕННЫМ НАНОРЕЛЬЕФОМ. Тепловые процессы в технике. 2013. № 7. С. 290-294.

94.Yu.A. Kuzma-Kichta*, A.V. Lavrikov, M.V. Shustov, P.S. Chursin, A.V. Chistyakova. BOILING CHARACTERISTICS AT NANOPARTICLE COATED SURFACE. ECI 8th International Conference on Boiling and Condensation Heat Transfer. Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, 3-7 June 2012 Lausanne, Switzerland

95.Сузуки К., Кузма-Кичта Ю.А., Лавриков А.В., Шустов М.В., Чурсин П.С. Исследование теплообмена и гидродинамики при кипении недогретой воды в канале малого диаметра. Тепловые процессы в технике. 2012. № 7. С. 307-311.

96.Ю.Кузма-Кичта, А.Лавриков, М.Шустов, П.Чурсин, А.Чистякова, Ю.Звонарев, В.Жуков, Л.Васильева. Исследование интенсификации теплообмена при кипении воды на поверхности с микро- и нанорельефом. Теплоэнергетика. 2014. №3. С35.

97.Ю.А.Кузма-Кичта, А.В.Лавриков, М.В.Шустов, П.С.Чурсин, Н.А.Стенина. Исследование паросодержания при кипении в микроканале с покрытием из наночастиц. Тепловые процессы в технике №4 за 2015.

98.Yuri Kuzma-Kichta, AleksandrLeontyev, AleksandrLavrikov, Mikhail Shustov, Koichi Suzuki. BOILING INVESTIGATION IN THE MICROCHANNEL WITH NANOPARTICLES COATING.. Proceedings of the 15th International Heat Transfer Conference, IHTC-15 August 10-15, 2014, Kyoto, Japan.

99.Yu. Kuzma-Kichta, K. Suzuki, A. Lavrikov, M. Shustov, S. Scholl.HEAT TRANSFER INVESTIGATION IN THE MICROCHANNEL WITH NANO-RELIEF/ The 24th International Symposium on Transport Phenomena. 1-5 November 2013, Yamaguchi, Japan

100. Kuzma- Kichta, Y., Ustinov, A.K., Ustinov, A.A., Kholpanov, L. Investigationbylaserandacousticmethodofinterfaceoscillationsduringboiling. In: ProceedingsoftheEngineeringFoundationConferenceonBoilingPhenomenaandE mergingApplications, 2000, Alaska, USA, , pp. 100-115

101. Ю.А.Кузма-Кичта, А.И.Леонтьев, В.М.Жуков, А.В.Лавриков, М.В.Шустов, П.С.Чурсин. Исследование кипения на поверхности с рельефом из наночастиц. Всероссийская конференция XXXI «Сибирский теплофизический семинар». 17-19 ноября 2014. Новосибирск.

102. Г.Ф.Смирнов, А.Д.Цой. Теплообмен при парообразовании в капиллярах и капиллярно-пористых структурах. Москва. Издательство МЭИ. 1999.

103. Ю.А.Кузма-Кичта, А.В.Лавриков, Н.А.Стенина, Й.Хаммершмит, Ш.Шолль. Исследование кипения при естественной циркуляции в трубе с рельефом из наночастиц. Шестая Национальная Конференция по теплообмену. 27-31 октября 2014. Москва.

104. A.N.Varava, A.V.Dedov, A.T.Komov, S.A.Malakhovskii. Experimental investigation of critical heat flux under boiling in subcooled swirling flow under conditions of one-sided heating. High temperature, 2009, vol.47, #6. pp 843848.

105. А.С.Дмитриев. Введение в нанотеплофизику. Бином. 2015. ISBN: 9785-9963-0843-9.

106. Andrey Mityakov, Sergey Sapozhnikov, Vladimir Mityakov, Andrei Snarskii, Maxim Zhenirovsky, Juha Pyrhonen. Gradient heat flux sensors for high temperature environments. Sensors and Actuators A: Physical. Volume 176, April 2012, Pages 1-9

107. С. А. Бурцев, Н. А. Киселёв, А. И. Леонтьев. Особенности исследования теплогидравлических характеристик рельефных поверхностей. ТВТ, 52:6 (2014), 895-898.

108. А.С.Фрейдин. Свойства и расчет адгезионных соединений. М.:Химия.1990

109. A.J.Kinloch. Adhesion and Adhesives. Science and Technology. ISBN 98790-481-4003-9. 1987

110. H.Luth. Solid surfaces, interfaces and thin films. Fifth edition. Springer. 2010.

Приложение 1.

Оценка погрешности измерения тепловой нагрузки и температуры стенки при кипении в микроканале.

Погрешность определения плотности теплового потока: Sq = SgradT + SÄ

Погрешность табличного значения теплопроводности: SÄ = 5%

Погрешность определения перепада температуры:

SgradT = ЖТприборное +Sx + Случайное

Погрешность измерения перепада температуры тепловизором: SAT =01

1 приборное д ,

где AT градиент температуры на рабочем участке от нагревателя до поверхности кипения, min = 13 0С max =40 0C

для исследованных условий данная величина варьируется от 0.2 до 0.7 Разброс температур на термограмме:

Л

£ (Тср - T )2

N_

N

СД ГГ

д'Л1 случайное д^ '

Для исследуемых условий данная величина варьируется от 1,7% (при высоких тепловых потоках) до 8,1% (при низких тепловых потоках)

Погрешность определения координаты:

дс = дВр1 + ЗВр2 + дп

Погрешность определения ширины рабочего участка на картинке:

В = ^ = 2пикс. + 2пикс. х 100% = 5 8%

р В ! 69пикс

Погрешность определения ширины рабочего участка с помощью микрометра:

Ж = ^1 = ^^ х 100%=0.3%

В 2 15 мм

Sn = 0, т.к это дискретная величина.

Таким образом, погрешность определения координаты составляет 6.1%, погрешность определения перепада температуры составляет от 8% до 14.9%,

погрешность определения плотности теплового потока составляет от 13% до 19.9%.

Погрешность определения температурного напора: SdT = STs + STcm

Погрешность измерения температуры жидкости:

STs = 05,

S ГТ! '

T s

для исследованных условий данная величина составляет 0,5%. Погрешность определения температуры стенки:

SТст = STтепло визора + SL2 + SL1

Погрешность определения температуры с помощью тепловизора: ST = А-х 100% = М х 100% = 0.6%

тепловизора гр Ю0 w * ~

тепловизор!

Погрешность определения расстояния между последней контрольной точкой, показываемой тепловизором, и поверхностью нагрева:

SL2 = Жпод, + SLp + SLp 2 + SBP1 + SBp 2

Погрешность определения ширины подложки: SBnoóJl = ^ х 100% = 005мм х 100% = 0.5%

Вподл 10 мм

Погрешность определения расстояния от метки до подложки:

дЬ =^ х 100% = 0 1мм + 0 1мм х 100°% = 1.8°%

р Ьр 11мм

Погрешность определения расстояния от метки до первой контрольной точки:

ЛЬ ~ 2 пик с

дЬр2 = —^ х 100% = х 100% = 3%

Ьр2 66пикс

дЬ1 = 0, т.к это дискретная величина

Таким образом, погрешность определения расстояния между последней контрольной точкой. показываемой тепловизором, и поверхностью нагрева составляет 12%.

Погрешность определения температурного напора составляет 12.5% Погрешность определения коэффициента теплоотдачи изменяется от 25,5% до 31.9%

Приложение 2.

Оценка погрешности измерения температуры и плотности теплового потока при кипении в большом объеме.

Погрешность определения коэффициента теплоотдачи Относительная погрешность определения коэффициента теплоотдачи:

Аа _ Ад + А(АТ) а д АТ

относительная погрешность определения плотности теплового потока:

А±~ А1+Аи+АЛщ, +

Я 1 и ЛНАР 8 '

где относительная погрешность измерения силы тока (из паспорта):

А- = 0,15

I '

готносительная погрешность измерения падения напряжения (из паспорта):

Аи = 0.15%

Аи

Относительная погрешность измерения наружного диаметра рабочего участка:

^^ = 0.5%

^НАР

Примем

— = 2.5»% £

Относительная погрешность определения температурного напора: АТ = 11»%

T

Подставив все эти выражения получим:

ЛЯ = 3,3% Я

В итоге, погрешность определения коэффициента теплоотдачи составит:

Ла

= 14,3%

а