Исследование локальной и средней теплоотдачи при конденсации на горизонтальной трубе с микро- и наноразмерным покрытием


DOI: 10.34759/tpt-2022-14-11-507-514

Авторы

Кузма-Кичта Ю. А.1*, Иванов Н. С.1**, Чугунков Д. В.1, Лавриков А. В.1, Комендантов А. С.1, Митяков А. В.2

1. Национальный исследовательский университет «МЭИ», Красноказарменная ул., 14, Москва, 111250, Россия
2. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, 195251, Россия

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

Аннотация

Исследована локальная и средняя теплоотдача при конденсации водяного пара на горизонтальной медной трубе без покрытия и с гидрофобным покрытием при наличиии неконденсирующихся газов. Покрытие образовано комбинированной структурой, состоящей из слоя наночастиц углерода, микрошероховатости и силиконового масла. Микрошероховатость формировалась обработкой струей абразивного песка. Нанесение слоя наночастиц углерода привело к увеличению краевого угла до 160°. Исследование конденсации проводилось на экспериментальной установке, которая состояла из основного и вспомогательного контуров. В рабочей камере установлены труба из меди диаметром 12 мм и нагреватель. Приведены описания экспериментальной установки и методики исследования. Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при конденсации на трубе находились тепловая нагрузка на рабочем участке и температурный напор. Подводимая тепловая мощность к воде, охлаждающей рабочий участок, определялась по разнице температур теплоносителя на его входе и выходе. Перед проведением опытов проводилась тарировка тепловых потерь. Перепад температуры в пограничном слое со стороны жидкости определялся с использованием для коэффициента теплоотдачи формулы Б.С. Петухова при течении жидкости в канале. Локальная и средняя теплоотдача при конденсации на трубе водяного пара исследованы в диапазоне температурных напоров от 10 до 40 ℃, газосодержаний – от 20 до 80 % и давлений – от 0.009 до 0.1 МПа. Для определения температуры стенки использовались платиновые термометры сопротивления и термопары. При измерении локального теплового потока при конденсации на горизонтальной трубе использован градиентный датчик теплового потока на основе монокристалла висмута. Получены опытные данные и зависимости для расчета осредненной и локальной теплоотдачи при конденсации водяного пара на горизонтальной трубе без покрытия и с разработанным покрытием в исследованных условиях. Разработанное покрытие приводит к росту средней теплоотдачи при конденсации на горизонтальной трубе в два раза.

Ключевые слова:

локальная и средняя теплоотдача, конденсация, гидрофобность, наночастицы, неконденсирующийся газ

Библиографический список

  1. Nusselt W. Die Oberflächenkondensation des Wasserdampfes. Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure. Z. VDI, Frankfurt, 60, 1916

  2. Кутателадзе С.С. Теплопередача при кипении и конденсации. Москва; Ленинград: Мешгиз, 1952. 232 с.

  3. Лабунцов Д.А. Обобщение теории конденсации Нуссельта на условия пространственно-неравномерного поля температур теплообменной поверхности // Труды МЭИ «Теплообмен и гидравлическое сопротивление». Вып. 63. 1965. С. 79–84.

  4. Henderson C.L., Marchello, J.M. Film Condensation in the Presence of a Noncondensable Gas. Journal of Heat Transfer, 1969, vol. 91, no. 3, pp. 447–450.

  5. Комендантов А.С., Ковалев А.С., Петухов Б.С. Экспериментальное исследование теплоотдачи при конденсации пара четырехокиси азота, частично прошедшего вторую стадию диссоциации // Теплофизика высоких температур. 1971. Т. 9. № 1. С. 184–187.

  6. Solodov A.P., Isachenko V.P. Statistical model for dropwise condensation. High Temperature Physics, 1967, vol. 5, no. 6, pp. 1032–1040.

  7. Rose J., Glicksman L. Dropwise condensation – the distribution of drop size. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1973, vol. 16, no. 2, pp. 411–425.

  8. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. Москва: Энергия, 1977. 240 с.

  9. 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 Nanoscale. New York, Begell House, 2016, 630 p.

  10. Kuzma-Kichta Y.A., Ivanov N.S., Chugunkov D.V. et al. Wetting of Hydrophobic and Hydrophilic Coatings. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2021, vol. 94, no. 6, pp. 1549–1556.

  11. Kuzma-Kichta Y.A., Ivanov N.S., Chugunkov D.V. et al. Studying the wetting of a surface with combined structure. Thermophysics and Aeromechanic, 2021, vol. 28, no. 6, pp. 849–856.

  12. Способ формирования гидрофобной текстуры на поверхности металла: пат. Российская Федерация / Кузма-Кичта Ю.А., Чугунков Д.В., Лавриков А.В. – № 2750831; заявл. 23.11.2020; опубл. 05.07.2021. Бюл. № 19.

  13. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков А.В. Основы градиентной теплометрии. Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета, 2012. 215 с.

  14. Зайнулина Э.Р. Градиентная теплометрия в исследовании теплообмена при конденсации пара на наружной поверхности трубы: дисс. ... канд. тех. наук. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2019. 117 с.

  15. Sapozhnikov S.Z., Mityakov V.Y., Mityakov A.V. et al. An Investigation into Film Condensation of Saturated Steam on Tube Surfaces by a Gradient Heatmetry. Thermal Engineering, 2021, vol. 68, iss. 10, pp. 794–801. URL: https://doi.org/10.1134/S004060152109007X

  16. Способ формирования комбинированной супергидрофобной структуры поверхности: пат. Российская Федерация / Кузма-Кичта Ю.А., Чугунков Д.В., Лавриков А.В., Иванов Н.С. — № 2769107 ; заявл. 17.06.2021; опубл. 28.03.2022. Бюл. № 10.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024