Исследование кризиса теплообмена при кипении воды в микроканале без покрытия и с покрытием из наночастиц


DOI: 10.34759/tpt-2020-12-6-252-259

Авторы

Кузма-Кичта Ю. А.1*, Лавриков А. В.1, Shustov M. 2, Кустова Е. А.3, Иванов Н. С.1**, Кулешов Е. А.3, Киселев А. С.3

1. Национальный исследовательский университет «МЭИ», Красноказарменная ул., 14, Москва, 111250, Россия
2. Technion–Israel Institute of Technology, Haifa, Israel
3. Московский энергетический институт (национальный исследовательский университет), ул. Красноказарменная,14, Москва, 111250, Россия

*e-mail: kuzma@itf.mpei.ac.ru
**e-mail: ivanovniks@mpei.ru

Аннотация

Проведено исследование кризиса теплообмена при кипении воды в микроканале без покрытия и с покрытием из наночастиц оксида алюминия. Эксперименты выполнены на усовершенствованной установке в горизонтально расположенном микроканале с размерами 12.5×3×0.2 мм, изготовленном с жесткими подводящей и отводящей линиями, что привело к уменьшению пульсаций тепловой нагрузки. Обнаружено, что при кипении в микроканале с разомкнутым контуром циркуляции с уменьшением длины выходного участка критическая тепловая нагрузка растет. Расчет критической тепловой нагрузки в микроканале без покрытия и с покрытием из наночастиц проведен с использованием формул, полученных ранее при исследовании кризиса теплообмена в горизонтальной трубе с микропористым покрытием и односторонним нагревом. Для микроканала с покрытием из наночастиц в расчете не учитывается влияние недогрева жидкости и начального участка. Расчет критической тепловой нагрузки в микроканале с покрытием из наночастиц проведен в предположении, что толщина покрытия равна 500 нм, за характерный размер принят размер частиц, равный 50 нм. Получено удовлетворительное согласование опытных и расчетных данных. Однако существующих опытных данных по критической тепловой нагрузке при кипении воды в микроканале с покрытием из нано- частиц очень мало, чтобы сделать более обоснованный расчет.

Ключевые слова:

микроканал, наночастицы, критическая тепловая нагрузка, кризис теплообмена, интенсификация теплообмена, пористое покрытие.

Библиографический список

  1. Suzuki K., Inagaki R. 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. CDROM, CHE2005- 37, 2005. P. 295–299.

  2. 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. Т. 4. № 7. С. 307–311.

  3. Qu W., Mudawar I. Measurement and correlation of criti- cal heat fluxin two-phase micro-channel hat sinks // Int. J. Heat Mass Transfer. 2004. V. 47. N 10-11. P. 2045–2059,

  4. Ховалыг Д.М. Закономерности динамики двуфазных потоков и теплообмена при кипении хладагента R134 в микроканалах. Дисс...канд. техн. наук. Санкт-Петер- бургский НИУ информационных технологий, механики и оптики. 2013. 149 c.

  5. Kuznetsov V.V., Shamirzaev A.S. The influence of the mass flow rate on the critical heat flux during subcooled deio- nized water boiling in a microchannel cooling system // Technical Physics Letters. 2018. V. 44. N 10. P. 938–941.

  6. 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. М.: ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2008. 532 с.

  7. Giraudona R., Lipsa S., Fabrègueb D., Gremillardb L., Maireb E., Sartrea V. Fabrication and characterization of efficient wicks for loop heat pipes // Joint 18th IHPC and 12th IHPS, Jeju, Korea, June 12-16, 2016. P. 7.

  8. Gangtao Liang, Issam Mudawar. Review of channel flow boiling enhancement by surface modification, and instability suppression schemes // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020. V. 146. Art. 118864.

  9. Wen D., Ding Y. Experimental investigation into the pool boiling heat transfer of aqueous based γ-alumina nano- fluids // Journal of Nanoparticle Research. 2005. V. 7. P. 265–274.

  10. Kuzma-Kichta Yu.A., Lavrikov A.V., Shustov M.V., Chursin P.S., Chistyakova A.V. Boiling characteristics at nanoparticle coated surface // ECI 8th International Confer- ence on Boiling and Condensation Heat Transfer. Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, 3-7 June 2012. Lau- sanne, Switzerland.

  11. Milanova D., Kumar R. Role of ions in pool boiling heat transfer of pure and silica nanofluids // Applied Physics Let- ters. 2005. V. 87. Paper 233107, 3 p.

  12. Kim S.J., Bang I.C., Buongiorno J., Hu L.W. Surface wettability change during pool boiling of nanofluids and its effect on critical heat flux // Int. J. Heat Mass Transfer. 2007. V. 50. N 19-20. P. 4105 —4116.

  13. Kim H., KimM. Experimental study of the characteristics and mechanism of pool boiling CHF enhancement using nanofluids // J. Heat Mass Transfer. 2009. V. 45. P. 991–998.

  14. Кузма-Кичта Ю., Лавриков А., Шустов М., Чурсин П., Чистякова А., Звонарев Ю., Жуков В., Васильева Л. Исследование интенсификации теплообменапри кипении воды на поверхности с микро- и нано- рельефом // Теплоэнергетика. 2014. № 3. С. 35–38.

  15. Kuzma-Kichta Yu., Leontiev A. Heat and mass tranfer en- hancement on macro-, micro-, and nanoscales choice and jus- tification of the heat transfer intensification methods // Jour- nal of Enhaced Heat Transfer, 2018. V. 25. Iss. 6. P. 465–565.

  16. Kuzma-Kichta Y.A., Lavrikov A.V., Kustova E.A., Kule- shov E.A. Research of water boiling in microchannel // Journal of Physics: Conference Series 2019. V. 1370(1). Art. 012058.

  17. Dzyubenko B.V., Kuzma-Kichta Ya. A., Leontiev A.I., Fedik I.I., Kholpanov L.P. Intensification of Heat and Mass Transfer on Macro-, Micro-, and Nanoscales. Begell House, 2016. 630 p.

  18. Кузма-Кичта Ю.А., Иванов Н.С., Лавриков А.В., Ки- селев Д.С. Способ получения наночастиц оксида алюминия. Патент № РФ 2665524. Опубл. 30 августа 2018 г.

  19. Волчков Э.П., Дзюбенко Б.В., Драгунов Ю.Г., Исаев С.А., Коротеев А.А., Кузма-Кичта Ю.А., Леон- тьев А.И., Попов И.А., Терехов В.И., Алексенко С.В. Вихеревые технологии для энергетики. М.: Издательский дом МЭИ, 2017. 350 с.

  20. 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.

  21. Kuzma-Kichta Yu., Leontyev A., Lavrikov A., Shus- tov M., Suzuki K. Boiling investigation in the microchan- nel with nanoparticles coating // Proceedings of the 15th In- ternational Heat Transfer Conference, IHTC-15 August 10-15, 2014, Kyoto, Japan.

  22. Kandlikar S.G. A theoretical model to predict pool boiling CHF incorporating effects of contact angle and orientation // J. Heat Transfer. 2001. V. 123. N 6. P. 1071–1079.

  23. Kureta M., Akimoto H. Critical heat flux correlation for subcooled boiling flow in narrow channels // Int. J. of Heat and Mass Transfer. 2002. V. 45. P. 4107–4115.

  24. Seok Bin Seo, In Cheol Bang. Effects of Al2O3 nanoparticles deposition on critical heat flux of R-123 in flow boiling heat transfer // Nucl. Eng. Technol. 2015. V. 47. N 4. P. 398–406.

  25. Khairnasov S., Andraka C.E., Baturkin V., Zaripov V., Nishchyk O. Development of advanced high porosity wicks for the high temperature heat pipes of concentrating solar power // Joint 18th IHPC and 12th IHPS, Jeju, Korea, June 12-16, 2016. SAND2016-2627C. P. 58–65.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024