Кризис кипения нанодисперсной жидкости в элементах энергетического оборудования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат наук Сироткина, Александра Львовна

• Сироткина, Александра Львовна
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Сироткина, Александра Львовна

Оглавление

Введение

Глава 1. Обзор литературы по тематике исследования

1.1 Теплообмен при кипении и кризис кипения

1.1.1 Общие сведения о процессе кипения

1.1.2 Модели, используемые для описания процесса пузырькового кипения и кризиса кипения 1го рода

1.1.2.1 Гидродинамическая модель

1.1.2.2 Модель горячих сухих пятен

1.1.3 Данные по влиянию шероховатости и смачиваемости поверхности

на теплообмен при кипении и кризис кипения

1.2 Нанодисперсные жидкости (наножидкости)

1.2.1 Общая характеристика

1.2.2 Способы приготовления НЖ и получения НЧ

1.2.3 Перспективы применения НЖ

1.3 Теплофизические свойства наножидкостей

1.3.1 Данные экспериментальных исследований

1.3.2 Некоторые теоретические модели теплофизических

свойств НЖ

1.4. Конвективный теплообмен, кипение и кризис кипения в НЖ

1.4.1 Теплообмен при вынужденной конвекции

1.4.2 Теплообмен при свободной конвекции

1.4.3 Теплообмен при кипении НЖ

1.4.4 Кризис теплообмена при кипении НЖ

1.5 Заключение по Главе 1

Глава 2. Экспериментальная установка и методика исследования

2.1 Описание экспериментальной установки

2.1.1 Подготовка (приготовление) наножидкости

2.1.2 Установка для изучения кризиса кипения

2.1.3 Постэкспериментальный анализ нанопокрытия

2.2 Методика экспериментального исследования

2.2.1 Измерение базового значения КТП (дистиллят) и оценка неопределенности результатов

2.2.2 Методика доэкспериментальных исследований

2.2.3 Методика постэкспериментальных исследований

2.2.4 Экспериментальное определение плотности критического теплового потока

2.3 Заключение по Главе 2

Глава 3. Экспериментальные исследования кризиса кипения

в нанодисперсных жидкостях

3.1 Подготовка эксперимента

3.1.1 Планирование эксперимента

3.1.2 Особенности экспериментального изучения кипения и

кризиса кипения в наножидкостях

3.2 Результаты экспериментальных исследований кризиса кипения

3.2.1 Результаты измерений КТП при кипении дистиллята

3.2.2 Результаты измерений КТП при кипении наножидкости

3.2.3 Анализ результатов

3.2.3.1 Параметры для формирования оптимального нанослоя

3.2.3.2 Гипотезы, объясняющие характер полученных кривых

3.3 Заключение по Главе 3

Глава 4. Постэкспериментальный анализ структуры и морфологии

покрытия из наночастиц

4.1 Цели и задачи анализа

4.2 Результаты постэкспериментального анализа покрытия

из наночастиц

4.2.1 Результаты исследования нанослоя на поверхности методом сканирующей электронной микроскопии

4.2.1.1 Исходное состояние поверхности и основные особенности формирования нанослоя

4.2.1.2 Изменение характеристик нанослоя при изменении параметров кипения. Анализ морфологии

4.2.2 Гипотезы, объясняющие полученные изменения морфологии покрытия при варьировании параметров кипения

4.3 Заключение по Главе 4

Глава 5. Повышение эффективности охлаждения корпуса реактора в запроектных авариях при использовании наножидкости

5.1 Модель формирования покрытия и расчетные корреляции

5.1.1 Цели и задачи теоретического моделирования

5.1.2 Модель образования нанослоя на обогреваемой поверхности

при кипении наножидкости

5.1.2.1 Описание процесса образования нанослоя на поверхности

5.1.2.2 Вычисление эмпирического коэффициента £

5.1.3 Критический тепловой поток в наножидкостях. Модификация

модели Теофануса и Дина

5.2 Повышение КТП при охлаждении реактора в запроектных авариях с использованием наножидкости

5.3 Заключение по Главе 5

Заключение

Перечень сокращений и условных обозначений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кризис кипения нанодисперсной жидкости в элементах энергетического оборудования»

Введение

Актуальность диссертационного исследования

В течение всего исторического периода развития техники и технологий присутствовала тенденция к увеличению мощности энергетического оборудования при уменьшении (или, по крайней мере, сохранении) его размеров, что приводит к необходимости отвода все большего количества теплоты с единицы поверхности. Когда речь идет о ядерной энергетике, эффективный теплоотвод и недопущение перегрева и пережога поверхностей нагрева, в частности, тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, являются необходимыми условиями безопасной эксплуатации и предупреждения тяжелых аварий с выходом радиоактивности за пределы барьеров безопасности. Кроме того, функционирование самих систем безопасности АЭС, нацеленных на отвод избыточной теплоты от элементов реакторной установки, происходит в жестких условиях, когда от способности системы отводить теплоту зависит степень тяжести последствий аварии.

Кипение, и, в особенности, пузырьковое кипение, является одним из наиболее эффективных способов теплоотвода от энергонапряженных поверхностей. При этом имеются ограничения по отводимому тепловому потоку, связанные с возникновением кризиса теплообмена. Особую важность проблема приобретает при рассмотрении таких элементов энергетического оборудования и систем безопасности, как система аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ), система охлаждения корпуса реактора в запроектных авариях, сопровождаемых плавлением активной зоны (в зарубежных проектах) и т.п.

Механизм процесса кипения и кризиса кипения (здесь и далее речь идет о кризисе кипения 1го рода [1], который представляет собой резкий переход от пузырькового кипения к пленочному, сопровождающийся скачком температуры

поверхности с возможным ее повреждением) чрезвычайно сложен. Фактически при парообразовании на твердой поверхности имеет место взаимодействие трех фаз: жидкость, пар и твердое тело. В то же время традиционные подходы к описанию этих явлений включают свойства только двух фаз: жидкости и пара Свойства поверхности, на которой происходит кипение, учитываются некоторыми поправками, базирующимися на опытных данных по кипению на этих поверхностях, либо не учитываются вовсе, несмотря на то, что влияние состояния поверхности на теплообмен при кипении и кризис кипения подчеркивалось давно, например, в пионерских работах С.С. Кутателадзе [2]. Актуальной является также задача смягчения ограничений по критической плотности теплового потока (КТП) - использование различных методов модификации поверхности теплообмена для увеличения КТП.

В последние годы, главным образом за рубежом (например, см. [3-4]) предпринимаются попытки исправить это положение и включить свойства поверхности (в частности, степень шероховатости, смачиваемость) в уравнения и в обобщающие опытные данные корреляции для расчета интенсивности теплообмена при кипении и величины критической плотности теплового потока. В частности, это связано с появлением новых типов теплоносителей, оказывающих при кипении заметное влияние на свойства поверхности нагрева. К таким теплоносителям можно отнести нанодисперсные жидкости (наножидкости -НЖ) - чаще всего водные (либо на основе различных органических жидкостей) дисперсии наночастиц (НЧ) - частиц, размеры которых составляют 100 нм и менее - различного химического состава и концентраций.

Впервые термин «наножидкость» был введен в оборот в Аргоннской Национальной лаборатории (США) группой исследователей под руководством Стивена Чой в 1995 году [5]. С тех пор ведутся активные исследования свойств наножидкостей и особенностей теплообмена в них. Был замечен рост теплопроводности НЖ относительно базовой жидкости при больших концентрациях наночастиц, что способствует некоторой интенсификации

теплоотдачи при однофазной конвекции. Однако стоит отметить, что на КТП данное повышение теплопроводности влияет пренебрежимо мало.

Одним из примечательных свойств наножидкостей является способность значительно (до двух и более раз) увеличивать значение критической плотности теплового потока при малых концентрациях НЧ (0,001 - 0,1% об.). Результаты экспериментальных исследований и наблюдений поверхности нагрева показывают, что основной причиной данного феномена является появление слоя (покрытия) из наночастиц на поверхности нагревателя, формирующегося непосредственно в ходе кипения. Стоит отметить, что в опытах с однофазным теплообменом в наножидкостях подобного осадка на поверхностях теплообмена не было замечено; поэтому при увеличении тепловой нагрузки за время, недостаточное для образования нанослоя на поверхности, кризис теплообмена наступает при значениях плотности теплового потока, соответствующей КТП при кипении базовой жидкости.

На кризис кипения слой из наночастиц влияет несколькими путями:

- он имеет специфическую морфологию поверхности, приводящую к значительному увеличению шероховатости и смачиваемости поверхности;

- за счет образования пористой структуры организуется дополнительный подсос жидкости к поверхности нагревателя, обусловленный капиллярными силами;

- с другой стороны, слой сам по себе обладает невысокой теплопроводностью и является дополнительным термическим сопротивлением на границе нагреватель-жидкость; но поскольку он имеет малую толщину - порядка единиц микрон - это не оказывает существенного влияния на величину общего термического сопротивления.

Стоит отметить, что формирование пористого слоя на поверхности нагревателя возможно не только при кипении наножидкостей, но и при использовании различных химических и прочих технологических методов. Например, группа Дж. Буонджиорно в Массачусетском Технологическом

институте (США) синтезировали пористый слой, по форме аналогичный осадку на тепловыделяющих элементах ядерных реакторов, формирующемуся в ходе эксплуатации, путем послойного осаждения частиц на подложку [6]. Для образования слоя подобной структуры может быть использован также электрофорезный метод (БРБ) [7].

Однако нанесение покрытия подобными способами имеет ряд недостатков, в частности, не позволяет получать такие же высокие значения КТП, как в случае слоя, сформированного в ходе кипения НЖ. Таким образом, для модификации высоконапряженных поверхностей нагрева в энергетическом оборудовании (например, оболочек твэлов, трубок парогенераторов и испарителей) актуальной является задача исследования кипения и кризиса кипения наножидкостей с образованием покрытия на них.

Степень разработанности проблемы

Проблема описания явления образования покрытия в ходе кипения и его влияния на процесс кипения и кризис связана с изучением физико -химических свойств поверхности и влияния поверхностных явлений на процесс формирования морфологии слоя. До настоящего момента теории этого влияния не создано; исследования по этому вопросу, как правило, носящие сугубо эмпирический характер, ограничиваются измерением краевого угла смачивания и фиксацией зависимости величин коэффициента теплоотдачи и КТП от величины этого угла, а также констатацией факта наличия нанослоя на поверхности, максимум с указанием его примерной толщины. Не отслежено влияние условий и режимов кипения НЖ на формирующуюся структуру слоя и в конечном итоге на КТП; не указывается, как зависят свойства нанослоя и величина КТП от величины плотности теплового потока, при которой формируется покрытие, времени его формирования (времени экспозиции). Кроме того, в предлагаемые в литературе корреляции для вычисления, например, критической плотности теплового потока, входят величины, которые не представляются удобными для дальнейшего

практического использования - для них необходимы дополнительные измерения и т.п. - например, время роста и «удаления» парового пузыря.

В сущности, для практического применения интересны не сами наножидкости (они недостаточно стабильны для того, чтобы использоваться в устройствах и установках, работающих постоянно в течение многих лет), а наноструктурированные поверхности - то есть поверхности нагрева с покрытием из наночастиц, о котором речь шла выше. Например, американские исследователи предлагают наносить покрытие из наночастиц на поверхность корпуса легководного реактора снаружи для улучшения аварийного охлаждения корпуса в случае тяжелых запроектных аварий с расплавлением активной зоны [8]. Считается, что подобная модификация поверхности поможет избежать плавления корпуса реактора под воздействием кориума - реализуется стратегия удержания расплавленной зоны в пределах реактора («In-Vessel Retention Strategy»). В настоящей работе также рассматривается данный случай как возможное практическое применение полученных результатов.

Осаждение частиц из дисперсии при кипении как технология получения нанопокрытий на поверхностях нагрева, по -видимому, является одним из наиболее перспективных путей формирования морфологии слоя, оптимальной для достижения наивысших значений критической плотности теплового потока Например, в работах группы исследователей Московского энергетического института (МЭИ), проводимых под руководством проф. Ю.А. Кузма-Кичта, используются наноструктурированные поверхности (их еще иногда называют поверхностями с мезорельефом), полученные осаждением частиц Al2O3 в ходе кипения с дальнейшей термообработкой покрытия (см., например, [9]).

Таким образом, можно полагать, что проблема изучения явлений, связанных с образованием, морфологией и влиянием на кризис кипения нанослоя на нагревателе приобретает большое значение, как для теории, так и для практических аспектов приложения этой теории.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию процессов, происходящих при кипении и кризисе кипения нанодисперсных жидкостей в элементах энергетического оборудования, а также оценке повышения надежности элементов энергетического оборудования при использовании наножидкостей и наноструктурированных поверхностей. Основная цель работы - выявление закономерностей формирования и влияния свойств пористого слоя, образующегося на обогреваемой поверхности в ходе кипения, на величину критической плотности теплового потока.

В ходе работы решаются следующие задачи:

1. Анализ опубликованных данных по влиянию свойств поверхности на теплообмен при кипении и кризис кипения. Анализ моделей, предлагаемых для формирования нанослоя при кипении и расчетных корреляций для определения КТП.

2. Проведение серии опытов по кипению наножидкостей с различными концентрациями частиц, при различном времени выдержки (экспозиции) при некоторых начальных значениях плотности теплового потока, соответствующих развитому пузырьковому кипению (в целях управляемого формирования нанопокрытия на поверхности нагревателя). По результатам экспериментального исследования - анализ зависимостей КТП от изменяемых параметров.

3. Исследование морфологии покрытия, образованного на нагревателе в ходе кипения, выявление зависимости таких параметров, как толщина, среднее расстояние между впадинами (порами на поверхности) и их средний радиус от концентрации НЧ в образце НЖ, времени выдержки и величины начальной плотности теплового потока.

4. Разработка теоретической модели образования нанопокрытия на поверхности нагревателя в ходе кипения.

5. Разработка теоретической модели, связывающей параметры НЖ и режимы кипения со сформированным на поверхности нагревателя слоем наночастиц и изменением КТП.

6. Оценка повышения эффективности охлаждения корпуса реактора в условиях протекания запроектной аварии, сопровождаемой плавлением активной зоны, при использовании наножидкости как теплоносителя системы безопасности и при предварительном нанесении нанопокрытия на поверхность корпуса.

Основным результатом работы является модель, описывающая влияние свойств НЖ (концентрации НЧ) и условий кипения (величины «начальной» плотности теплового потока, времени кипения) на образование и свойства нанопокрытия на поверхности нагревателя, и, далее, на величину КТП, и демонстрация возможности увеличения эффективности работы системы охлаждения корпуса в запроектных авариях с плавлением активной зоны.

Научная новизна исследования: впервые получены экспериментальные данные по влиянию режимных параметров кипения и свойств наножидкости (времени выдержки, начальной величины плотности теплового потока в режиме выдержки, концентрации частиц в дисперсии) на КТП и морфологию покрытия из наночастиц на обогреваемой поверхности. Определены закономерности формирования нанослоя и разработана новая модель, описывающая влияние этих параметров на КТП. Разработана новая модель образования нанопокрытия на обогреваемой поверхности в ходе кипения НЖ.

Теоретическая значимость исследования заключается в создании новой модели образования нанопокрытия на обогреваемой поверхности и влияния морфологии этого покрытия на кризис теплообмена, что является важным вкладом в развитие теории влияния свойств поверхности на кипение и кризис кипения.

Практическая значимость исследования заключается в возможности использования полученных корреляций для расчета КТП в НЖ в элементах энергетического оборудования (например, в испарителях, кипящих реакторах, для расчета систем САОЗ и т.д.), что продемонстрировано выполненной оценкой повышения эффективности работы системы охлаждения корпуса реактора в запроектных авариях, сопровождаемых плавлением активной зоны (критическая

плотность теплового потока, лимитирующая надежный теплоотвод от поверхности, при использовании наножидкости и наноструктурированных поверхностей может быть повышена на 30-50%). Кроме того, результаты работы могут быть полезными для дальнейшего изготовления поверхностей с покрытием оптимальной для достижения наивысшего значения КТП морфологией и толщиной, для использования в различных высоконапряженных узлах, что позволит повысить их надежность и снизить металлоемкость.

При проведении исследования в настоящей диссертационной работе использовались следующие методические средства:

1. Математическое моделирование:

- разработка модели формирования нанопокрытия на поверхности нагревателя при кипении нанодисперсных жидкостей проводилась с использованием данных, полученных при микроскопическом наблюдении образцов поверхностей после экспериментов с кипением НЖ, а также опубликованных в литературе данных; кроме того, использовались модели и научные представления о процессах такого рода, развитые в теории теплообмена и физической химии поверхностей;

- модификация модели Теофануса - Дина для расчета КТП путем включения свойств НЖ и условий кипения (концентрации НЖ, времени экспозиции, величины начальной плотности теплового потока) проводилось, основываясь на модели формирования нанопокрытия (осаждения частиц на поверхность в ходе кипения), соотношении между углом смачивания и коэффициентом шероховатости поверхности и характере полученных зависимостей КТП от режимных параметров, соотносилась с экспериментальными данными, полученными в ходе настоящей работы и опубликованными в литературе;

- оценка повышения критической плотности теплового потока при использовании в системе аварийного охлаждения корпуса реактора в условиях запроектной аварии наножидкости в качестве рабочего тела и предварительного

нанесения нанопокрытия на поверхность корпуса основывалась на полученных входе настоящей работы расчетной корреляции и экспериментальных данных. В качестве объекта рассматривался легководный корпусной реактор (прототип -АР-1000).

2. Экспериментальное исследование:

- экспериментальные исследования кризиса кипения проводились на установке, моделирующей кипение в условиях естественной конвекции. Для установления «базового» значения КТП на данной установке были проведены опыты с дистиллятом, являющимся базовой жидкостью для НЖ в настоящей работе. Варьировались следующие величины: концентрация НЖ, начальная плотность теплового потока, время экспозиции, время ультразвукового перемешивания (что, фактически, отражает размер агломератов частиц в дисперсии), диаметр проволочного нагревателя;

- анализ морфологии покрытия из наночастиц, образующегося в ходе кипения наножидкости, проводился с использованием сканирующей электронной микроскопии.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- результаты экспериментальных исследований по влиянию режимных параметров кипения и свойств наножидкости (времени выдержки, начальной плотности теплового потока в режиме выдержки, концентрации частиц в дисперсии) на КТП и морфологию покрытия из наночастиц на обогреваемой поверхности;

- модель образования нанопокрытия на обогреваемой поверхности в ходе кипения наножидкости;

- модель, описывающая влияние режимных параметров кипения на морфологию нанопокрытия и, в конечном итоге, на КТП.

Степень достоверности и апробация результатов

Диссертационная работа состоит из 137 стр., 31 рисунок и 8 таблиц; список литературы включает 87 наименований. По результатам работы опубликовано 6

статей, из них 2 в журналах, входящих в перечни ВАК и/или входящие в базу «Web of Science».

Достоверность полученных экспериментальных данных подтверждается использованием общепринятых экспериментальных методик, надежностью оборудования и расчетом неопределенности измерений по ГОСТ. Разработанная модель базируется на полученных экспериментальных данных, опубликованных в литературе данных и существующих в тепломассообмене и физической химии представлений о механизмах исследуемых процессов.

Основные результаты работы были представлены на: Международной научно-практической конференции «Неделя науки СПбПУ Петра Великого», г. Санкт-Петербург (2015), Зимней школе ПИЯФ им. Б.П. Константинова, г. Рощино (2015, 2016), конференции «Техногенные системы и экологический риск» (2015), а также обсуждались на научно -технических семинарах кафедры «Атомная и тепловая энергетика» СПбПУ Петра Великого и кафедры «Физическая химия» СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Автор выражает признательность:

- главному научному сотруднику НИТИ им.А.П. Александрова, д.т.н., профессору В.Б. Хабенскому как научному консультанту по вопросам, касающимся всей работы;

- д.т.н., профессору кафедры "Атомная и тепловая энергетика" СПбПУ Петра Великого Е.Д. Федоровичу как научному консультанту по вопросам, касающимся всей работы;

- сотрудникам кафедры физической химии СПбГЭТУ «ЛЭТИ» за предоставленное оборудование и материалы и лично к.х.н. В.И. Альмяшеву за подробные консультации по экспериментальной установке, анализу и синтезу наночастиц;

- сотрудникам НИЛ «Микроскопия и микроанализ» СПбПУ Петра Великого и лично зав. лабораторией И.К. Боричевой за помощь в проведении анализа покрытий методом сканирующей электронной микроскопии;

- коллективу лаборатории расчетно -теоретических и прикладных исследований 301 АО «ЦКБМ» и лично начальнику лаборатории А.Н. Быкову за предоставленные условия для написания диссертации и передачу ценного опыта в части инженерных тепловых расчетов.

Глава 1. Обзор литературы по тематике исследования 1.1 Теплообмен при кипении и кризис кипения 1.1.1 Общие сведения о процессе кипения

Кипение - процесс парообразования в объеме жидкости или на твердой поверхности, контактирующей с этим объемом. Он является одним из наиболее эффективных механизмов теплоотвода от энергонапряженных поверхностей.

На поверхности нагрева в зависимости от величины подводимого теплового потока могут образовываться либо отдельные паровые пузыри, и тогда имеет место т.н. пузырьковое кипение, либо сплошная паровая пленка - пленочное кипение. Наиболее интенсивно теплообмен происходит в первом случае, поскольку жидкость непрерывно подводится («подсасывается») к поверхности нагрева между действующими центрами парообразования, а ее пограничный слой, в случае однофазного теплообмена составляющий наибольшее термическое сопротивление, постоянно турбулизируется возникающими на поверхности и всплывающими паровыми пузырьками [2]. Переход от пузырькового кипения к пленочному сопровождается резким падением коэффициента теплоотдачи и соответственным резким ростом температуры поверхности, что может привести к ее повреждению (пережогу). Это явление называют кризисом кипения 1го рода, а величину соответствующего теплового потока - критической плотностью теплового потока (КТП). Описанные выше явления иллюстрируют кривые кипения, называемые иногда кривыми Нукиямы по имени исследователя, впервые их описавшего в 1935 году (рисунок 1.1):

i(W

t ы f tlfr TW? tut тж

Рисунок 1.1 - Пример кривой кипения и иллюстрация соответствующих режимов

Стоит отметить, что при достижении плотностью теплового потока значения, соответствующего критическому в заданных условиях кипения (на рисунке 1.1 - соответствует точке С) процесс резко переходит на правую ветвь кривой (что соответствует переходу с точки С сразу в точку D на рисунке 1.1); аналогично в режиме пленочного кипения при снижении плотности теплового потока до значения, соответствующего состоянию «второго кризиса» [1] (точка Е на рисунке 1.1) процесс скачкообразно переходит на правую ветвь кривой (соответствует переходу из точки Е сразу в точку F, рисунок 1.1).

В настоящей работе рассматривается левая ветвь кривой (от точки В до точки С), т.е. процесс пузырькового кипения, и кризис кипения первого рода (точка С), как наиболее интересные с точки зрения проектирования и эксплуатации энергетических установок. Когда речь идет о ядерной энергетике, эффективный теплоотвод и недопущение перегрева и пережога поверхностей нагрева (в частности, тепловыделяющих элементов ядерных реакторов) являются необходимыми условиями безопасной эксплуатации и предупреждения тяжелых аварий с выходом радиоактивности за пределы барьеров безопасности.

1.1.2 Модели, используемые для описания процесса пузырькового кипения и

кризиса кипения 1го рода 1.1.2.1 Гидродинамическая модель

Данная модель, созданная С.С. Кутателадзе, предполагает, что в некотором интервале значений плотности теплового потока, близкой к критической, существует равновесие между повышением турбулентности в жидкости и оттеснением этой жидкости от поверхности при увеличении паропроизводительности. При нарушении этого равновесия - пар обладает достаточной кинетической энергией для поддержания жидкости во взвешенном состоянии над поверхностью нагрева - наступает кризис и переход к пленочному режиму кипения [2].

Условие гидродинамической устойчивости, или равновесия двух процессов (турбулизации слоя и отталкивания жидкости от поверхности) базируется на допущении [10], что соотношение динамического напора пара и работы,

затрачиваемой на отталкивание жидкости «4§о-{р'-р"), представляет собой некоторую константу. Если выразить скорость пара V' (пропорционально объемному расходу пара с единицы поверхности) через отношение плотности теплового потока, удельной теплоты парообразования и плотности пара, то можно прийти к выражению для критической плотности теплового потока (1.1):

Я кр = к • Г• 4 Мр'-р"), (1.1)

где k - константа, по теоретическим вычислениям Зубера равная

0Д3..0Д4 [11];

г - удельная теплота парообразования, кДж/кг;

р', р" - плотность жидкости и пара соотв., кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; а - поверхностное натяжение на границе жидкость -пар. Для цилиндрической поверхности малого радиуса, а именно такого типа нагреватели используются в настоящей работе, значения дкр, полученные по формуле (1.1), должны быть домножены на поправку Б, зависящую от отношения характерного размера поверхности (в данном случае - радиуса) Я к капиллярной постоянной [12]:

Б = 0,89 + 2,27 • ехр

-3,44 •

Я

У* в •(р-Р")

(1.2)

Уменьшение критической плотности теплового потока с ростом диаметра поверхности в области малых диаметров отмечает и С.С. Кутателадзе [10]. По его данным, автомодельность КТП относительно размера для горизонтальных

цилиндров имеет место при Б > 2 •.

*

П (Р~Р")'

Из соотношения (1.1) видно, что модель учитывает только свойства жидкости и пара. При этом свойства третьей фазы, участвующей в процессе, -твердой поверхности нагревателя - учитываются в корреляционном соотношении (1.1) изменением константы к по экспериментальным данным [2]. Уже на ранних этапах развития исследований кипения было замечено, что шероховатость поверхности достаточно сильно влияет на величину КТП - большей шероховатости соответствует большее значение КТП - что может объясняться лучшим «сцеплением» жидких пленок с элементами шероховатости.

В качестве корреляции, учитывающей величину краевого угла смачивания 0, для вычисления КТП по данной модели может использоваться соотношение (1.3), предложенное Теофанусом и Дином:

Я кр =^5Р"Г •

(А")2

(1.3)

где к - некоторая константа, зависящая от краевого угла смачивания 0 следующим образом:

к =

1 -

Бтв ж/ 2 -в

2 2еоБв

(1.4)

Значения, вычисленные по (1.3), хорошо согласуются с экспериментом, а также позволяют частично учесть свойства твердой поверхности [3,13].

0.25

-0.5

1.1.2.2 Модель горячих сухих пятен

Предложена Д.А. Лабунцовым и развита В.В. Яговым (см., например, работы [14-15]) для описания процесса в некоторых «средних», «типичных» технических условиях, и состоит в предположении, что центры парообразования на обогреваемой поверхности - суть очень малые «сухие пятна», испарение жидкости в паровой пузырь (сток тепла) происходит по краям этих пятен. Кроме того, ввиду малости этих пятен, часть тепла от стенки к жидкости передается путем конвекции [14].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сироткина, Александра Львовна, 2017 год

Список литературы

1. Дорощук, В.Е. Кризисы теплообмена при кипении воды в трубах /

B.Е. Дорощук. - М.: Энергоатомиздат, 1983 - 120 с.

2. Кутателадзе, С.С. Теплопередача при конденсации и кипении /

C.С. Кутателадзе. - М.: Машгиз, 1952. - 236 с.

3. Surface wettability change during pool boiling of nanofluids and its effect on critical heat flux / S.J. Kim [et al] // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2007. -№50. - P. 4105-4116.

4. Jeong, Y.H. Wettability of heated surfaces under pool boiling using surfactant solutions and nano-fluids / Y.H. Jeong, W.J. Chang, S.H. Chang // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2008. - №51. - P. 3025-3031.

5. Choi, S.U.S. Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles /

5.U.S. Choi // Developments and Applications of Non-Newtonian Flows FED. - 1995. -231(66). - P. 99-105.

6. Coyle, C. Synthesis of CRUD and its Effect On Pool and Subcooled Flow Boiling: CASL L3 Milestone Report / C. Coyle, J. Buongiorno, T. McKrell. - USA: US Department of Energy, 2015. - 16 p.

7. Corradini, M. Improved LWR cladding performance by EPD surface modification technique: Final report of NEUP project 09-766 / M. Corradini, S. Marschman, F. Goldner. - Madison: University of Wisconsin, 2012. - 62 p.

8. Chupin, A. Applications of nanofluids to enhance LWR accidents management in in-vessel retention and emergency cooling systems / A. Chupin, L.W. Hu, J. Buongiorno // Proceedings of ICAPP'08: Paper 8043. - Anaheim, CA USA, 2008. - P. 1707-1714.

9. Экспериментальные данные по кипению воды, недогретой до температуры насыщения, на поверхностях с мезорельефом / Н.В. Васильев [и др.]// Тепловые процессы в технике. - 2016. - 8 (3). - С. 98-102.

10. Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. - М.: Атомиздат, 1979. - 416 с.

11. Zuber, N. On the stability of boiling heat transfer / N. Zuber // Trans. Of ASME. -1958. - 80 (3). - P. 711-720.

12. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справочник / Е.В. Аметистов [и др.]; под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М.: Энергоиздат, 1982. - 512 с.

13. Исследование интенсификации теплообмена при кипении воды на поверхности с микро- и нанорельефом / Ю.А. Кузма-Кичта [и др.] // Теплоэнергетика. - 2014. - №3. - С. 35-38.

14. Лабунцов, Д.А. Механика двухфазных систем: учебное пособие для вузов / Д.А. Лабунцов, В.В. Ягов. - М.: Издательство МЭИ, 2000. - 374 с.

15. Ягов, В.В. Теплообмен при развитом пузырьковом кипении жидкостей / В.В. Ягов // Теплоэнергетика. - 1988. - №2. - С. 4-9.

16. Исаченко, В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. - М.: Энергия, 1969. - 440 с.

17. Фритц, В. Вычисление максимального объема парового пузыря / В. Фритц // Phyz Z. - 1935. - 36 (11). -Р. 379-384.

18. Дмитриев, А.С. Теплофизические проблемы наноэнергетики. Часть 2 / А.С. Дмитриев // Теплоэнергетика. - 2011. - №4. - С.29-36.

19. Кузма-Кичта, Ю.А. Интенсификация теплообмена при кипении на поверхностях с микро - и нанорельефом / Ю.А. Кузма-Кичта, А.В. Лавриков, М.В. Шустов // Труды 5й Российской национальной конференции по теплообмену. Том 1. - Москва, 2010. - С. 211-214.

20. Яшнов, В.И. Влияние смачиваемости поверхности нагрева на кризис кипения / В.И. Яшнов // Кризис кипения и температурный режим испарительных поверхностей нагрева: труды ЦКТИ. - Ленинград, 1965. - №58. - С.78-84.

21. Study of two-phase heat transfer in nanofluids for nuclear application / S.J. Kim [et al]// Proceedings of ICAPP'06: Paper 6005. - Reno, NV USA, 2006. - P. 1573-1580.

22. Bang, I. Ch. Boiling heat transfer performance and phenomena of Al2O3 - water nano-fluids from a plain surface in a pool / I. Ch. Bang, S.H. Chang // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2005. - 48. - P. 2407-2419.

23. Рудяк, В.Я. О коэффициенте теплопроводности наножидкостей / В.Я. Рудяк, А.А. Белкин. Е.А. Томилина // Письма в ЖТФ. - 2010. - Т.36(14). - С.49-54.

24. Бардаханов, С.П. Исследование теплопроводности наножидкостей на основе наночастиц оксида алюминия / С.П. Бардаханов, С.А. Новопашин, М.А. Серебрякова // Наносистемы: физика, химия, математика. - 2012. - 3 (1). -С. 27-33.

25. Is it important to measure the volumetric mass density of nanofluids? / Z. Haddad [et al] // International Journal of Mathematical, Computational, Physical and Quantum Engineering. - 2014. - 8(2). - P. 310-313.

26. Нэйяк, А.К. Измерение коэффициента объемного теплового расширения для ряда наножидкостей / А.К. Нэйяк, Р.К. Сингх, П.П. Кулкарни // Письма в ЖТФ. -2010. - 36(15). - С.26-31.

27. Дмитриев, А.С. Теплофизические проблемы наноэнергетики. Часть 1 / А.С. Дмитриев // Теплоэнергетика. - 2010. - №12. - С.13-22.

28. Agop, M. The heat transport in nanofluids: a theoretical approach through the fractal theories / M. Agop, C. Bejinariu, D. Abacioaie // Materiale plastic. - 2008. - 45 (1). - P. 102-105.

29. Ramis, M.K. Heat transfer enhancement using CuO nanofluids - the effect of sonication time on the paradoxical behavior / M.K. Ramis, J. Pasha, S.A. Rahim // International Journal of Engineering Science and technology. - 2012. - 4(7). - P. 35143520.

30. Study and behavior of nanofluids on heat transfer / M.Kalaivendan [et al] // International Conference on Enginering Technology and Science (ICETS'14): Vol.3 (Special Issue 1). - Rasipuram, Tamilnadu, India, 2014. - P. 1498-1502.

31. Kostic, M.M. Critical Issues in nanofluids research and application potentials [Electronic source] / M.M. Kostic. - 2013. - 367 p. - Available at http ://www. ko stic. niu. edu (16.02.2017)

32. Thermal transport in nanofluids / J.A. Eastman [et al] // Abbual Review of Material Research. - 2004. - 34. - P. 219-246.

33. Preparation and characterization of water-based nanofluids for nuclear application / W.C. Williams [et al] // Proceedings of ICAPP'06: Paper 6145. - Reno, NV USA, 2006. - P. 1566-1572.

34. Discussion on the thermal conductivity enhancement of nanofluids [Electronic source] / H. Xie [et al] // Nanoscale Research Letters. - 2011. - 6 (124). - Available at http://www.nanoscalereslett.com/content/6/1/124 (20.01.2015).

35. Heat transfer intensification using nanofluids / Y. Ding [et al] // KONA. - 2007. -№25. - P. 23-38.

36. Bang, I.Ch. Nanotechnology for advanced nuclear thermal-hydraulics and safety: boiling and condensation / I. Ch. Bang, J.H. Jeong // Nuclear engineering and technology. - 2011. - 43(3). - P. 217-242.

37. Investigation the use of nanofluids to improve high heat flux cooling systems / T.R. Barrett [et al] // Fusion Engineering and Design. - 2013. - 88(9-10). - P. 2594-2597.

38. Wang, X.Q. A review on nanofluids experiments and applications / X.Q. Wang, A.S. Mujumdar // Brazilian Journal of Chemical Engineering. - 2008. - 25 (04). -P. 631-648.

39. Bozorgan, N. Numerical study on application of CuO-Water nanofluid in automotive diesel engine radiator / N. Bozorgan, K. Krishnakumar, Nar. Bozorgan // Modern Mechanical Engineering. - 2012. - №2. - P. 130-136.

40. Gholami, H. Optimized channel's aspect ratio for heat transfer applicant of nanofluid in various fin thickness / H. Gholami, S. Ehsani, S.K. Asadi // Life Science Journal. - 2013. - 10(8s). - P. 264-267.

41. Li, J. Thermal performance of nanofluid flow microchannels / J. Li, C. Kleinstreuer // International Journal of Heat and Fluid Flow. - 2008. - №29. - P. 1221-1232.

42. Khanafer, K.M. The role of nanoparticle suspensions in thermo/fluid and biomedical applications [Electronic source] / K.M. Khanafer, K. Vafai // Available at http ://www. engr. ucr. edu/ (16.02.2017)

43. Tiwari, A.K. Solar water heating using nanofluids - a comprehensive overview and environmental impact analysis / A.K. Tiwari, P. Ghosh, J. Sarkar // International Journal of Engineering Technology and Advanced Engineering. - 2013. - 3 (3). - P. 221-224.

44. Heat transfer performance of silver/water nanofluid in a solar flat-plate collector / S. Roy [et al] // Journal of Thermal Engineering. - 2014. - 1(2). - P. 104-112.

45. Kundan, L. Performance evaluation of a nanofluid (CuO-H2O) based low flux solar collector / L. Kundan, P. Sharma // International Journal of Engineering Research. -

2013. - 2(2). - P. 108-112.

46. Mehta, B. Two-phase closed thermosyphon with nanofluids [Electronic source] / B. Mehta, S. Khandekar // 14th International Heat Pipe Conference (14th IHPC). -Brazil, 2007. - Available at http://home.iitk.ac.in/ (16.02.2017).

47. Wang, X. Thermal conductivity of nanoparticle - fluid mixture / X. Wang, X. Xu, S.U.S. Choi // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. - 1999. - 13(4). - P. 474480.

48. Ismael, L.W. Experimental investigation of thermal conductivity and pressure drop for water-nanofluid mixture / L.W. Ismael, K.F. Sultan // The Iraqi Journal For Mechanical And Material Engineering. - 2013. - 13(3). - P. 570-586.

49. An experimental investigation into the thermal properties of nano-fluid / T. Anand [et al] // International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. -

2014. - 4 (10). - P. 289-293.

50. Mukesh Kumar, P.C. Theoretical model to determine the thermal conductivity of nanofluids / P.C. Mukesh Kumar, J. Kumar, S. Sendhilnathan // International Journal of Engineering Science and Technology. - 2010. - 2(7) - P. 2846-2852.

51. Nanofluid's thermal conductivity enhancement investigation by equilibrium molecular dynamics simulation / N. Wang, L. Shi // 2012 International Conference on

Fluid Dynamics and Thermodynamics Technologies (FDTT 2012): Vol.33. -Singapore, 2012. - P. 25-30.

52. A new heat propagation velocity prevails over Brownian particle velocities in determining the thermal conductivities of nanofluids [Electronic source] / K.D. Kihm [et al]// Nanoscale Research Letters. - 2011. - Available at http://www.nanoscalelett.com/content/6/1/361 (16.12.2014).

53. Jiang, W. Measurement and model on thermal conductivities of carbon nanotube nanorefrigerants / W. Jiang, G. Ding, H. Peng // International Journal of Thermal Sciences. - 2009. - 48. - P. 1108-1115.

54. Sanjo George, C. An experimental investigation on the enhancement of forced convection heat transfer using TiO2 - water nanofluids in turbulent regime / C. Sanjo George, T.S. Krishnakumar // Proceedings of International Conference on Energy and Environment - 2013 (ICEE 2013): Vol 2, Special Issue 1. - Kottayam, Kerala, India, 2013. - P. 598 - 603.

55. Rach, S. Heat transfer enhancement in shell and tube heat exchanger by using iron oxide nanofluid / S. Rach, P. Patel, Dr. D.A. Deore // International Journal of Engineering Development and Research. - 2014. - 2(2). - P. 2422-2432.

56. Heat transfer to a silicon carbide / water nanofluid / W. Yu [et al] // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2009. - №52. - P. 3606-3612.

57. Zeinali Heris, S. CuO/water nanofluid heat transfer through triangular ducts / S. Zeinali Heris, E. Talaii, S.H. Noie // Iranian Journal of Chemical Engineering. -2012. - 9(1). - P. 23-32.

58. Nasiri-Lohesara, M. Two-phase simulation of nanofluid in a heat exchanger in turbulent flow regime / M. Nasiri-Lohesara, M. Goj-Bandpy // European Online Journal of Natural and Social Sciences. - 2014. - 3 (3). - P. 95-104.

59. Терехов, В.И. Механизм теплопереноса в наножидкостях: современное состояние проблемы (обзор). Часть 2. Конвективный теплообмен / В.И. Терехов, С.В. Калинина, В.В. Леманов // Теплофизика и аэромеханика. - 2010. - 17 (2). - С. 173-188.

60. Hosseinalipour, S.M. Heat transfer enhancement using nanofluids in a chaotic configuration [Electronic source] / S.M. Hosseinalipour, P.R. Mashaei, M.M. Khalili // 1st Iranian Thermal Science Conference. - Mashhad, Iran, 2011. - Available at http://www.iust.ac.ir/ (16.02.2017).

61. Senthilraja, S. Experimental investigation of heat transfer coefficient of CuO/Water nanofluid in double pipe heat exchanger with or without electric field / S. Senthilraja, KCK. Vijayakumar, R. Gangadevi // International Journal of Engineering and Technology (IJET). - 2014. - 6(1). - P. 460-466.

62. Ho, C.J. Numerical simulation of natural convection of nanofluid in a square enclosure: Effects due to uncertainties of viscosity and thermal conductivity / C.J. Ho, M.W. Chen, Z.W. Li // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2008. - №51. - P. 4506-4516.

63. Sharma, S. Numerical simulation of heat transfer of nanofluids in an enclosure / S. Sharma, A.K. Gupta // Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries. - Melbourne, Australia, 2009. - P. 1-6.

64. Heat and mass transfer in external boundary layer flows using nanofluids [Electronic source] / C. Popa [et al] // Heat and mass transfer - modeling and simulation. - Available at http://www.intechopen.com/ (16.12.2014)

65. White, S.B. Enhancement of boiling surfaces using nanofluids particle deposition: a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy (Mechanical Engineering) / S.B. White. - Michigan, USA, 2010. - 100 p.

66. Suriyawong, A. Nucleate pool boiling heat transfer correlation for TiO2-water nanofluids [Electronic source] / A. Suriyawong, A.S. Dalkilic, S. Wongwises // Journal of ASTM International. - 2012. - 9(5). - Available at http://www.astm.org/ (16.12.2014).

67. Theofanous, T.G. High heat flux boiling and burnout as microphysical phenomena: mounting evidence and opportunities / T.G. Theofanous, T.N. Dinh // Multiphase Science Tech. - 2006. - 18(1). - P.361-364.

68. Ciloglu, D. Effect of nanofluids on the saturated pool film boiling [Electronic source] / D. Ciloglu, A. Bolukbasi, K. Comakli // International Scholarly and Scientific Research & Innovation. - 2012. - 6 (7). - P. 53-55.

69. Chung, J.N. A review of recent progress on nano\micro scale nucleate boiling fundamentals [Electronic source] / J.N. Chung, T. Chen, S.C. Maroo // Frontiers in Heat and Mass Transfer (FHMT). - 2011. - 2. - Available at http:// www.ThermalFluidsCentral.org (16.12.2014)

70. Hedge, R.N. Flow visualization and study of critical heat flux enhancement in pool boiling with Al2O3 - water nanofluids / R.N. Hedge, S.S. Rao, R. Reddy // Thermal Science. - 2012. - 16 (2). - P. 445-453.

71. Puli, U. Effect of Al2O3 - water nano fluid on bubble size in subcooled flow boiling in a horizontal annulus / U. Puli // International Journal of Advanced Engineering Applications. - 2013. - 6(5). - P. 48-53.

72. Pool boiling heat transfer characteristics of ZrO2 - water nanofluids from a flat surface in a pool / M. Chopkar [et al] // Heat Mass Transfer. - 2008. - №44. - P. 9991004.

73. Forced boiling of nanofluids, effects of contact angle and surface wettability

rd

[Electronic source] / M. Hasheminia [et al]// 3 Micro and Nano Flows Conference. -Thessaloniki, Greece, 2011. - Available at http://www.citeseerx.ist.psu.edu (16.02.2017).

74. Vassallo, P. Pool boiling heat transfer experiments in silica-water nano-fluids / P. Vassalo, R. Kumar, S. D'Amigo // International Journal of Heat and Mass Transfer. -2004. - №47. - P. 407-411.

75. Kim, H. Enhancement of critical heat flux in nucleate boiling of nanofluids: a state-of-art review [Electronic source] / H. Kim // Nanoscale Research Letters. - 2011. -Available at http://www.nanoscalelett.com/content/6/1/415 (16.12.2014)

76. Измерение критической плотности теплового потока при кипении наножидкостей на цилиндрическом нагревателе / А.В. Минаков [и др.] // Письма в ЖТФ. - 2014. - 13 (40) - С.44-51.

77. Горелик, П.В. Исследование кризиса теплового потока при кипении водных дисперсий наночастиц / П.В. Горелик // Ресурсосберегающие и энергоэффективные технологии в химической и нефтехимической промышленности. III Международная конференция Российского химического общества им. Д.И. Менделеева: тезисы докладов. - Москва, 2011. - С.37-38.

78. Критический тепловой поток при кипении водной дисперсии наночастиц / Б.С. Фокин [и др.] // Письма в ЖТФ. - 2009. - 35(10). - С. 1-5.

79. Critical heat flux enhancement in flow boiling of Al2O3 and SiC nanofluids under low pressure and low flow conditions / S.W. Lee [et al]// Nuclear Engineering and Technology. - 2012. - 44(4). - P. 429-436.

80. Методические особенности изучения процессов кипения в свободном объеме нанофлюида изопропанол/А203 / В.П. Железный [и др.] // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2014. - 2/5 (68). - С.39-45.

81. Kim, H. Experimental study on CHF characteristics of water - Ti02 nano-fluids / H. Kim, J. Kim, M. Kim // Nuclear engineering and technology. - 2006. - 38(1). -P. 61-68.

82. Nucleate boiling of water using nanostructured surfaces [Electronic source] / L.V. Heitich [et al] // Available at http://abcm.org.br (16.02.2017).

83. Buongiorno, J. Towards an explanation of the mechanism of boiling critical heat flux enhancement in nanofluids / J. Buongiorno, L.-W. Hu, I. Ch. Bang // Proceedings of the Fifth International Conference on Nanochannels, Microchannels and Minichannels (ICNMM2007). - Puebla, Mexico, 2007.

84. Введение в физику поверхности / К. Оура [и др.]. - М.: Наука, 2006. - 490 с.

85. Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон. - М.: МИР, 1979. -568 с.

86. Кнотько А.В. Основы рентгеновской дифракции в материаловедении: методическая разработка к программам повышения квалификации / А.В. Кнотько. - М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2011. - 41 с.

87. Kandlikar, S.G. A theoretical model to predict pool boiling CHF incorporating effects of contact angle and orientation / S.G. Kandlikar // J. Heat Transfer. - 2001. -123. - P.1071-1079.