Обобщение экспериментальных данных по теплоотдаче и критическим тепловым потокам на микроструктурированных поверхностях при кипении различных жидкостей


DOI: 10.34759/tpt-2020-12-7-301-313

Авторы

Аксянов Р. А. *, Коханова Ю. С. **, Куимов Е. С. ***, Лэй Р. А. ****, Попов И. А. *****

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева, КНИТУ - КАИ, ул. Карла Маркса, 10, Казань, 420111, Россия

*e-mail: raaksyanov@kai.ru
**e-mail: yulkoh@yandex.ru,
***e-mail: egor1997-08@mail.ru
****e-mail: regina.ulyanova.ley@gmail.com
*****e-mail: popov-igor-alex@yandex.ru

Аннотация

На основе имеющихся в литературных источниках экспериментальных данных по теплоотдаче и критическому тепловому потоку при кипении различных жидкостей на микроструктурных поверхностях, полученных методом деформирующего резания, получены рекомендации по прогнозированию коэффициентов теплоотдачи и критических тепловых потоков. Микроструктурные поверхности позволяют интенсифицировать теплообмен до 4-5 раз. Из-за переменной смачиваемости элементов микроструктурных поверхностей критические тепловые потоки увеличиваются до 6 раз. Предложенные критериальные уравнения позволяют прогнозировать коэффициенты теплоотдачи с погрешностью 30% и критические тепловые потоки с погрешностью ±(30‒35)%. С целью повышения точности прогнозирования показана возможность использования модели искусственной нейронной сети по обобщению коэффициентов теплоотдачи. Прогнозирование с использованием модели искусственной нейронной сети позволяет определить коэффициенты теплоотдачи с погрешностью ±20%. Уравнения представляют интерес при проектировании систем охлаждения микроэлектронных устройств, тепломассообменных устройств, зон кипения тепловых труб и термосифонов и др.

Ключевые слова:

кипение, теплоотдача, критические тепловые потоки, микроструктурированные поверхности, системы охлаждения.

Библиографический список

  1. Дедов А.В. Обзор современных методов интенсификации теплообмена при пузырьковом кипении // Теплоэнергетика. 2019. № 12. С. 18–54.

  2. Popov I.A., Shchelchkov A.V., Gortyshov Yu.F., Zubkov N.N. Heat transfer enhancement and critical heat fluxes in boiling of microfinned surfaces // High Temperature. 2017. V. 55. N 4. P. 524–534.

  3. Зубков Н.Н. Оребрение труб теплообменных аппаратов подрезанием и отгибкой поверхностных слоев // Новости теплоснабжения. 2005. № 4. С. 51–53.

  4. Зубков Н.Н., Трофимович А.С., Овчинников А.И., Цфасман Г.Ю., Городников В.В. Получение штырьковых структур для кипения азота // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2013. № 1. C. 100–109.

  5. Зубков Н.Н. Получение подповерхностных полостей деформирующим резанием для интенсификации пузырькового кипения // Вестник машиностроения. 2014. № 11. С.75—79.

  6. Гортышов Ю.Ф., Попов И.А., Зубков Н.Н., Каськов С.И., Щелчков А.В. Кипение воды на микроструктурированных поверхностях // Труды Академэнерго. 2012. № 1. С.14—31.

  7. Popov I.A., Shchelchkov A.V., Zubkov N.N., Kas`kov S.I. Heat transfer during the boiling of liquid on microstructured surfaces. Part 1: Heat transfer during the boiling of water // Thermal Engineering. 2013. V. 60. N 3. P. 157–165.

  8. Кузма-Кичта Ю.А., Лавриков А.В. Интенсификация теплообмена при кипении на микро- и наномасштабах // Альтернативная и интеллектуальная энергетика. Материалы Международной научно-практической конференции. 2018. С. 63–64.

  9. Шустов М.В., Кузма-Кичта Ю.А., Лавриков А.В. Покрытие микроканала наночастицами — эффективный метод повышения критической тепловой нагрузки // Теплоэнергетика. 2017. № 4. С. 72–78.

  10. Аксянов Р.А., Коханова Ю.С. Влияние параметров шероховатости и смачиваемости микроструктурированных поверхностей на теплоотдачу и критические тепловые потоки // Сборник докладов Международной молодежной научной конференции «XXIV ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ (школа молодых ученых)». 2019. T. 2. С. 160–166.

  11. Суртаев А.С., Сердюков В.С., Павленко А.Н., Лиу М., Туманов В.В., Селищев Д.С., Козлов Д.В. Влияние свойств смачивания на микрохарактеристики и теплообмен при кипении жидкости // Труды седьмой российской национальной конференции по теплообмену. 2018. T. 2. С. 410–413.

  12. Сердюков В.С., Суртаев А.С., Павленко А.Н., Чернявский А.Н. Исследование локального теплообмена в окрестности контактной линии под паровыми пузырями при кипении жидкостей // Теплофизика высоких температур. 2018. Т. 56. № 4. С. 571–579.

  13. Марчук И.В., Чеверда В.В., Стрижак П.А., Кабов О.А. Определение поверхностного натяжения и контактного угла смачивания по форме поверхности осесимметричных пузырей и капель // Теплофизика и аэромеханика. 2015. Т. 22. № 3. С. 311–317.

  14. Зайцев Д.В., Кириченко Д.П., Кабов О.А. Влияние смачиваемости подложки на разрыв локально нагреваемой пленки жидкости // Письма в Журнал технической физики. 2015. Т. 41. № 11. С. 79-85.

  15. Сукомел Л.А., Ягов В.В. Возможности повышения критических тепловых потоков при кипении на поверхностях с пористыми покрытиями (обзор) // Вестник Московского энергетического института // Вестник МЭИ. 2017. № 4. С. 55–67.

  16. Зубков Н.Н., Битюцкая Ю.Л. Влияние параметров теплообменных штырьковых структур на их эксплуатационные характеристики // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение. 2017. № 2 (113). С. 108–120.

  17. Абросимов А.И., Сысоев В.К., Верлан А.А., Зубков Н.Н., Булкин Ю.Н. Продольные капиллярные каналы для тепловых труб // Прикладная физика. 2010. № 1. С. 123–125.

  18. Volodin O., Pecherkin N., Pavlenko A., Zubkov N. Surface microstructures for boiling and evaporation enhancement in falling films of low-viscosity fluids // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020. V. 155. P. 119722.

  19. Лабунцов Д.А. Физические основы энергетики. Избранные труды по теплообмену, гидродинамике, термодинамике. М.: Издательство МЭИ, 2000. 388 с.

  20. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Новосибирск : Наука, 1970. 660 с.

  21. Толубинский В.И. Теплообмен при кипении в условиях свободной конвекции // Труды ин-та теплоэнергетики. 1950. № 2. С. 19–29.

  22. Боришанский В.М. Шлейфер В.А. Обобщенная формула для расчета теплоотдачи при пузырьковом кипении различных жидкостей // Тепло- и массоперенос при фазовых превращениях: материалы IV Всесоюз. конф. По теплообмену и гидродинамике при движении двухфаз. потока в элементах энергет. машин и аппаратов. Ин-т тепло- и массообмена АН БССР. Минск, 1974. Ч. 1. С. 202–210.

  23. Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных систем. М.: Изд-во МЭИ, 2000. 374 с.

  24. Popov I.A., Shchelchkov A.V., Zubkov N.N., Kas`kov S.I. Heat transfer during the boiling of liquid on microstructured surfaces. Part 2: Visualization of boiling and critical heat fluxes // Thermal Engineering. 2013. V. 60. N 4. P. 285–294.

  25. Shchelchkov A.V., Popov I.A., Zubkov N.N. Boiling of a liquid on microstructured surfaces under free-convection conditions // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2016. V. 89. N 5. P.1152—1160.

  26. Passos J.C., Reinaldo R.F. Analysis of pool boiling within smooth and grooved tubes // Experimental Thermal and Fluid Science. 2000. V. 22. P.35—44.

  27. Popov I.A., Shchelchkov A.V., Zubkov N.N., Lei R.A., Gortyshov Y.F. Boiling heat transfer of different liquids on microstructured surfaces // Russian Aeronautics. 2014. V. 57. N 4. P. 395–401.

  28. Popov I.A., Shchelchkov A.V. Boiling of various liquids on microstructurized surfaces // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2014. Т. 87. № 6. С. 1420–1432.

  29. Kaniowski R., Pastuszko R., Nowakowski L. Effect of geometrical parameters of open microchannel surfaces on pool boiling heat transfer // EPJ Web of Conferences. 2017. V. 143. P.02049.

  30. Kedziersci M.A. Calorimetric and Visual Measurements of R123 Pool Boiling on Four Enhanced Surfaces. NISTIR 5732. 1995. 59 p.

  31. Kim Nae-H., Kim J.-W., Kim T.-H. Effect of Pore Size on the Nucleate Pool Boiling of Structured Enhanced Tubes // J. of Thermal Science. 2000. V. 9. N 3. P.230—235.

  32. Ravigururajan T.S., Bergles A.E. Development and verification of general correlations for pressure drop and heat transfer in single-phase turbulent flow in enhanced tubes // Experimental Thermal and Fluid Science. 1996. V. 13. N 1. P. 55–70.

  33. Webb R.L. Kim Nae-H. Principles of Enhanced Heat Transfer. cRC Press. 818 p.

  34. Poniewsky M.P., Thome J.R. Nucleate Boiling on Micro-Structure Surfaces. Heat Transfer Research. E-book. 2008. 376 p.

  35. Гогонин И.И. Теплообмен при пузырьковом кипении. Новосибирск : Изд-во Сиб. отд-ния Рос. акад. наук, 2018. 225 с.

  36. MacKay D.J.C. Bayesian interpolation // Neural computation. 1992. V. 4. N 3. P. 415–447.

  37. Foresee F.D., Hagan M.T. Gauss-Newton approximation to Bayesian learning // Proceedings of International Conference on Neural Networks (ICNN’97), Houston, TX, USA, 1997. V. 3. P. 1930–1935.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2020