Исследование охлаждения сфер с облунением и покрытием


DOI: 10.34759/tpt-2021-13-8-347-356

Авторы

Жуков В. М.1, Кузма-Кичта Ю. А.2*

1. Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 125412, Москва, ул. Ижорская, 13/19
2. Национальный исследовательский университет «МЭИ», Красноказарменная ул., 14, Москва, 111250, Россия

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

Аннотация

Представлен обзор работ, выполненных Жуковым В.М., по исследованию теплообмена при пленочном и переходном кипении азота и воды на сфере с облунением и покрытием. Полусферические лунки диаметром 3 мм и отношением глубины к диаметру h/d = 0.17 наносились на медную сферу. Плотность распределения лунок на поверхности сферы составляла 45%. Малотеплопроводное покрытие в виде пленки толщиной 10 мкм наносилось на облуненные участки поверхности сферы. Обнаружено, что минимальное время охлаждения сферы с лунками и малотеплопроводным покрытием в 2.5 раза меньше, чем при охлаждении сферы без облунения. Микропористые керамические покрытия наносились на сферы из алюминиевого сплава ДТ16 методом микродугового оксидирования. Обнаружено, что формирование МДО-покрытий на поверхности сферы приводит к сокращению времени охлаждения вследствие роста теплоотдачи при пленочном и переходном кипении и более раннему прекращению пленочного кипения. Сравниваются эффекты структурирования поверхности при охлаждении нагретых сфер в воде и азоте. Показано, что формирование МДО-покрытий ‒ это и способ интенсификации теплообмена при фазовых превращениях и повышения коррозионной стойкости в элементах техники. Рассмотрены особенности охлаждения сферы, нагретой выше температуры Лейденфроста, в наножидкости. Во-первых, на сфере образуется покрытие из наночастиц и оно будет изменяться с увеличением длительности процесса, что приводит к деформации кривой кипения. Влияние наночастиц на теплообмен при пленочном и переходном кипении сильно зависит от недогрева жидкости. Обсуждается корреляция для определения температуры Лейденфроста, учитывающая недогрев жидкости и теплофизические свойства материала стенки и среды.

Ключевые слова:

полусферические лунки, пленочное кипение, МДО-покрытия, интенсификация теплообмена

Библиографический список

  1. Кикнадзе Г.И., Краснов Ю.К., Подымака Н.Ф., Хабенский В.Б. Самоорганизация вихревых структур при обтекании водой полусферических лунок // ДАН СССР. 1986. Т. 291. № 6. С. 1315‒1318.
  2. Щукин А.В., Козлов А.П., Агачев Р.С., Чудновский Я.П. Интенсификация теплообмена сферическими выемками при воздействии возмущающих факторов / Под ред. В.Е. Алемасова. Казань: Изд-во КГТУ, 2003. 143 с.
  3. Исаев С.А., Леонтьев А.И. Проблемы моделирования смерчевого теплообмена при турбулентном обтекании рельефа с лунками на стенке узкого канала // Инженерно-физический журнал. 2010. Т. 83. № 4. С. 733‒742.
  4. Коваленко Г.Ф., Халатов А.А., Терехов В.И. Режимы течения в одиночной лунке, расположенной на поверхности канала // Прикладная механика и техническая физика. 2010. Т. 51. № 6(304). С. 78‒88.
  5. Дзюбенко Б.В., Кузма-Кичта Ю.А., Леонтьев А.И., Федик И.И., Холпанов Л.П. Интенсификация тепломассообмена на макро-, микро- и наномасштабах / Под ред. Ю.А. Кузма-Кичты. М.: ФГУП ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2008. 532 с.
  6. Кикнадзе Г.И., Крючков И.И., Чушкин Ю.В. Кризис теплоотдачи при самоорганизации смерчеобразных структур в потоке теплоносителя. Препринт ИАЭ—4841/1. М.: ЦНИИатоминформ, 1989. 29 с.
  7. Мостинский И.Л., Гешеле В.Д., Горяинов Д.А., Раскатов И.П. Теплоотдача от поверхности со сферическими впадинами при кипении воды и пароводяной смеси в закризисной области // ИФЖ. 2001. Т. 74. № 3. С. 13‒19.
  8. Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Борисов А.М. и др. Синтез керамикоподобных покрытий при плазменно-электролитической обработке вентильных металлов // Известия АН. Серия Физическая. 2000. Т. 64. № 4. С. 763‒766.
  9. Седлов А.С., Кузма-Кичта Ю.А. Гидродинамика и теплообмен при кипении водных растворов. М.: МЭИ, 2007. 164 с.
  10. Леонтьев А.И., Алексеенко С.В., Волчков Э.П., Коротеев А.А., Кузма-Кичта Ю.А., Дзюбенко Б.В., Драгунов Ю.Г., Исаев С.А., Попов И.А., Терехов В.И. Вихревые технологии для энергетики. М.: Издательский дом МЭИ, 2016. 324 с.
  11. 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. 564 с.
  12. Жуков В.М., Елагина О.Ю., Кузма-Кичта Ю.А. Лавриков А.В., Леньков В.А., Слободянников Б.А., Стенина Н.А. Интенсификация теплообмена при кипении жидкого азота с помощью нанесения субмикронных керамических покрытий на поверхности тел из сплава алюминия // Тепловые процессы в технике. 2014. Т. 6. № 12. С. 553‒559.
  13. Шумаков Н.В. Метод последовательных интервалов в теплометрии нестационарных процессов. М.: Атомиздат, 1979. 216 с.
  14. Аметистов Е.В., Клименко В.В., Павлов Ю.М. Кипение криогенных жидкостей. М.: Энергоатомиздат, 1995. 400 с.
  15. Мерт Х., Кларк Дж. Теплоотдача при кипении криогенных жидкостей в условиях нормальной, пониженной и близкой к нулю силе тяжести // Теплопередача. 1964. Т. 86. № 3. С. 3‒14.
  16. Кириченко Ю.А., Козлов С.М., Русанов К.В. и др. Теплообмен при кипении азота и вопросы охлаждения высокотемпературных сверхпроводников. Киев: Наукова думка, 1992. 278 с.
  17. Жуков В.М., Кузма-Кичта Ю.А. Теплообмен при переходном и пленочном кипении жидкостей на сферах и цилиндрах с облунением и малотепроводным покрытием // Труды 6-й Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-6). 24–31 октября 2014, Москва, МЭИ. С. 670–678.
  18. Zhukov V., Kuzma-Kichta Yu., Lenkov V., Lavrikov A., Shustov M. Enhancement of heat transfer at transition and film boiling of nitrogen on spheres with dimples and low conductivity coating // Proceedings of the 15th International Heat Transfer Conference, IHTC-15. August 10-15, 2014, Kyoto, Japan.
  19. Жуков В.М., Кузма-Кичта Ю.А., Лавриков А.В., Белов К.И., Леньков В.А. Исследование теплообмена при кипении азота и фреона 113 на сфере с покрытием на основе Al2O3, полученным микродуговым оксидированием (МДО) // Тепловые процессы в технике. 2016. Т. 8. № 8. С. 353‒361.
  20. Жуков В.М., Кузма-Кичта Ю.А., Лавриков А.В., Белов К.И., Леньков В.А. Интенсификация теплообмена при кипении различных жидкостей на сферах с покрытием, сформированным методом микродугового оксидирования (МДО) // Тепловые процессы в технике. 2017. Т. 9. № 12. С. 537‒543.
  21. Патент РФ 2517795. Способ формирования нанорельефа на теплообменной поверхности изделий / Кузма-Кичта Ю.А., Лавриков А.В., Жуков В.М., Леньков В.А., Штефанова О.Ю. www.freepatent.ru. 27 февраля 2020.
  22. Lavrikov A.V., Kuzma-Kichta Ya.A., Shustov M.V., Stenina N.A., Levashov Yu.A., Stefanov Yu.P., Prokopenko I.F., Zhukov V.M. Investigation of heat transfer enhancement and thermal resistance of weak inclined thermostabilizer // Institute of Physics Publishing: The International Conference «Problems of Thermal Physics and Power Engineering» (PTPPE-2017) 9–11 October 2017, MEI, Moscow, Russian Federation. P. 989–996.
  23. Кузма-Кичта Ю.А., Лавриков А.В., Шустов М.В., Чурсин П.С., Жуков В.М. Исследование кипения на поверхности с покрытием из наночастиц // XX Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках». 25–29 мая 2015. Звенигород. С. 185–187.
  24. Ковалев С.А., Жуков В.М., Кузма-Кичта Ю.А. Методика исследования колебаний границы раздела фаз при пленочном кипении жидкости с помощью оптического квантового генератора // ИФЖ. 1973. Т. 25. № 1. С. 20–25.
  25. Жуков В.М., Казаков Г.М., Ковалев С.А., Кузма-Кичта Ю.А. Теплообмен при кипении жидкости на поверхностях с малотеплопроводными покрытиями. В сб.: Теплообмен и физическая газодинамика. М.: Наука, 1974. С.116‒129.
  26. Petukhov B.S., Kovalev S.A., Zhukov V.M., Kuzma-Kichta Yu.A. Investigation of the mechanism of heat transfer upon film boiling of liquid // Proc. 5th Int. Heat Transfer Conf. Tokyo: 1974. N 4. P. 96.
  27. Кузма-Кичта Ю.А., Бондур В.Г. Исследование колебаний границы раздела фаз в хаотических процессах. Обзор ряда исследований // Тепловые процессы в технике. 2020. Т. 12. № 11. С. 503–514.
  28. Михайлов Е.М., Кузма-Кичта Ю.А., Базюк С.С., Паршин А.В., Попов Е.Б. Обобщение данных по температуре Лейденфроста и скорости фронта смачивания при повторном заливе модельных ТВС ВВЭР и PWR // Труды 6-й Российской национальной конференции по теплообмену (РНКТ-6). 24–31 октября 2014, Москва, МЭИ. С. 790–793.


mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024