НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

Тимощенко Андрій Володимирович

УДК 536.24

ГІДРОДИНАМІКА ТА ТЕПЛООБМІН ПОТОКУ РІДИНИ
В ЩІЛИННИХ МІКРОКАНАЛАХ

05.14.06 – Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики НАН України

Науковий керівник –

доктор технічних наук, професор Малкін Едуард Семенович,

Київський національний університет будівництва і архітектури,

професор кафедри „Теплотехніки”.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук Авраменко Андрій Олександрович,

Інститут технічної теплофізики НАН України, завідувач відділу „Тепломасообміну і гідродинаміки в елементах теплоенергетичного устаткування”;

заслужений працівник народної освіти України,

доктор технічних наук, професор Луцик Ростислав Володимирович,

Київський національний університет технологій та дизайну, завідувач кафедри „Тепломасообмінних процесів”.

Провідна установа –

Національний університет харчових технологій, кафедра „Теплотехніки” Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться 05.06. 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 26.224.01 в Інституті технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2-а.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2-а.

Автореферат розісланий 04.05. 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д26.224.01,

кандидат технічних наук Чайка О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний стан розвитку промисловості характеризується різким підвищенням викидів низькопотенційної теплоти, ефективний відбір якої можна забезпечити шляхом застосування теплообмінників нового покоління, котрі забезпечують можливість інтенсивного тепловідведення (б=10000ч50000 Вт/(м2оС)) за умови невеликих гідравлічних втрат. Іншою важливою проблемою суспільства, особливо в умовах енергетичної кризи, є підвищення енергоефективності технологій в різних галузях господарства, які в значній мірі залежать від раціонального використання первинних і вторинних енергоресурсів (ПЕР, ВЕР). Однією з причин низького енергетичного ККД існуючих систем парового теплопостачання є неповне спрацьовування потенціалу теплоносія, який потрапляє у вигляді пролітної пари в систему відведення конденсату. За існуючими даними, відсоток пролітної пари в працюючих системах паропостачання та відведення конденсату сягає 30ч70%. Враховуючи велику поширеність парових систем теплопостачання в різних галузях промисловості (легкій, харчовій, хімічній, металургійній), пошук та створення ефективних рішень поставленої задачі – усунення проскоків пари, ефективне відділення та відведення конденсату – є важливим та актуальним питанням, розв’язання якого дозволить збільшити енергетичний ККД систем теплопостачання та зменшити фактичне споживання ПЕР.

Аналіз літературних даних показує, що перспективним шляхом досягнення високих коефіцієнтів тепловіддачі без фазових перетворень є перехід на канали для руху теплоносія, що мають товщину меншу за товщину ламінарного підшару при технічно доцільних швидкостях руху в каналі. Крім цього, застосування таких каналів дозволяє за рахунок великої різниці між гідравлічними опорами при русі рідинної та парової фаз, ефективно їх використовувати в запірно-дроселюючих органах конденсатовідвідників. Проте в світовій літературі відсутні дані по теоретичному і експериментальному обґрунтуванню механізму гідродинаміки і теплообміну при русі теплоносія в таких каналах. Тому теоретичне і експериментальне вивчення механізму та закономірностей гідродинаміки і теплообміну при русі теплоносія в щілинних мікроканалах є актуальною задачею. Проведені в рамках дисертаційної роботи дослідження процесів гідродинаміки та теплообміну потоку рідини в щілинних мікроканалах, сприяють визначенню закономірностей протікання цих процесів та дозволяють розробити науково обґрунтовані способи їх інтенсифікації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках НДР „Розробка наукових основ комплексної технології ефективного використання пари з виробкою додаткової електроенергії” (номер держреєстрації 0199U003774), та НДДКР „Створення теплообмінного обладнання на базі щілинних мікроканалів для електронної промисловості” (номер держреєстрації 0106U010131), в ІТТФ НАН України.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є теоретичне і експериментальне обґрунтування механізму та закономірностей гідродинаміки і теплообміну при русі рідини у мікроканалах і створення на цій основі високоефективного теплотехнічного обладнання.

Для досягнення поставленої мети розв’язувались наступні задачі:

- теплофізичне дослідження гідродинаміки руху рідини у щілинних мікроканалах;

- розробка розрахунково-експериментальної методики досліджень гідродинаміки і теплообміну в щілинних мікроканалах;

- експериментальні дослідження механізму руху недогрітої рідини в щілинних мікроканалах з гладкими стінками;

- експериментальні дослідження впливу шорсткості та ефекту змочування поверхонь каналів на механізм руху рідини та величину гідродинамічних характеристик;

- експериментальні дослідження механізму руху перегрітої води в щілинних мікроканалах та її скипання при витіканні в атмосферу;

- експериментальні дослідження процесу теплообміну рідини при одно- та двосторонньому підведенні теплоти та вимушеному русі;

- створення методик розрахунку теплотехнічного обладнання, яке використовує в своїй конструкції щілинні мікроканали;

- створення та випробування дослідно-промислових зразків обладнання.

Об'єкт дослідження – щілинні мікроканали з товщиною 59ч300 мкм.

Предмет дослідження – гідродинаміка і теплообмін в щілинних мікроканалах.

Методи дослідження – поставлені задачі реалізовувались методами обчислювального та натурного експериментів. Обчислювальний експеримент дозволив вивчити локальні зміни дослідних величин, розглянути якісну та кількісну картини течії рідини. Однак обмеженість завдання граничних умов, складність математичної моделі, а також верифікація результатів обчислювального експерименту викликало необхідність проведення натурних досліджень. Натурні дослідження дозволили отримати інтегральні характеристики течії та теплообміну в досліджуваних системах. Представлення результатів досліджень, їх узагальнення та аналіз проводились методами теорії подібності. Одержані критеріальні рівняння використовувались при створенні інженерних методик розрахунку теплообмінного та спеціального обладнання.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше одержано наступні результати:

- розроблено та апробовано розрахунково-експериментальну методику дослідження каналів з малими геометричними розмірами, яка дозволила одержати інтегральні характеристики течії та теплообміну в них;

-

-

-

-

-

-

Достовірність одержаних результатів. Наукові положення, висновки і рекомендації, сформульовані в дисертації, теоретично обґрунтовані теплофізичними моделями, розробленими на основі фундаментальних законів збереження, а їх адекватність підтверджена результатами натурних експериментальних досліджень. Розроблені зразки обладнання пройшли як лабораторні, так і дослідно-промислові випробування.

Практичне значення одержаних результатів. В роботі одержані наступні практично важливі результати:

-

-

-

-

Практичне значення результатів дисертаційної роботи підтверджується одержаними патентами України на спеціальне та теплообмінне обладнання, характеристики якого визначаються рухом рідини в щілинних мікроканалах.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати роботи одержано безпосередньо автором. Проведено критичний аналіз стану проблеми, на основі якого було визначено напрям та методи досліджень, виконано комплекс обчислювальних та натурних експериментальних досліджень, розроблено інженерні методики розрахунку нового обладнання. На базі одержаних результатів при безпосередній участі автора створено та впроваджено дослідні зразки нового обладнання.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи докладалися на I, II, IV Міжнародних конференціях „Проблеми промислової теплотехніки”, Київ 1999, 2001, 2005 рр.; Ювілейній міжнародній науково-технічнічній конференції „Сучасні екологічно безпечні тепломасообмінні процеси в технологіях легкої промисловості”, Київ 2006 р.

Публікації. Основний зміст роботи відображений в 9 наукових працях, зокрема в 5 статтях, 2 патентах України на винахід, 2 тезах доповідей на конференціях.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновку, списку цитованої літератури та додатків. Загальний об'єм дисертаційної роботи складає 164 сторінки машинописного тексту з яких: 146 сторінок основної текстової частини, яка містить 54 рисунки та 19 таблиць; 9 сторінок списку використаних джерел з 95 бібліографічними найменуваннями; 9 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Розділ 1 ГІДРОДИНАМІКА ТА ТЕПЛООБМІН В ЩІЛИННИХ КАНАЛАХ ПРИ ГРАДІЄНТНІЙ ТЕЧІЇ РІДИНИ (стан питання та задачі дослідження)

Аналіз робіт по гідродинаміці та теплообміну в трубах і каналах виявив, що інтенсивність конвективного теплообміну визначається величиною гідродинамічного та теплового примежових шарів. Так, при сталому турбулентному русі рідини, величина середнього коефіцієнту тепловіддачі в значній мірі визначається товщиною ламінарного в’язкого підшару – , який має, в порівнянні з радіусом труби, розмір порядку 1%. Відмічено, що існуючі методи інтенсифікації конвективного теплообміну спрямовані на зменшення, руйнування або відрив примежового шару.

Запропонований в роботі метод інтенсифікації процесів перенесення кількості руху та теплоти полягає в переході до каналів з геометричними розмірами, меншими за геометричні розміри гідродинамічного та теплового примежових шарів. Змикання примежових шарів характеризує собою встановлення стабілізованих умов течії та теплообміну, при цьому вже при ламінарній течії виконуються умови , . Показано, що незалежність інтенсивності теплообміну від середньої швидкості потоку дозволяє при малих градієнтах тиску досягати величини середніх коефіцієнтів тепловіддачі порівняних з величинами при фазових переходах. Крім того, з’являється можливість регулювання динамічних та теплових величин шляхом зміни товщини каналу.

Використовуючи залежність товщини гідродинамічного примежового шару від середньої швидкості потоку та геометричних розмірів каналу при ламінарній течії визначено граничні значення товщин каналів, при яких виконується умова перекриття примежових шарів. Для потоку рідини цей діапазон виявився рівним (60ч300) мкм, для повітряних потоків – (400ч600) мкм. Умова перекриття примежових шарів забезпечувалась в плоских щілинних та концентричних кільцевих (d1/d2>1) мікроканалах. Аналіз залежностей середніх коефіцієнтів опору тертя та середніх коефіцієнтів тепловіддачі показав, що при умові d1/d2>1 концентричні кільцеві мікроканали можуть розглядатись як плоскі щілинні мікроканали. Зроблений висновок використовувався для обробки та узагальнення результатів досліджень.

В розділі відмічено, що дослідження течії та теплообміну в щілинних каналах з розмірами 60ч300 мкм не проводились. Огляд та аналіз літературних джерел дозволив виявити, що суттєвий вплив на процеси перенесення кількості руху та теплоти в мікроканалах можуть мати такі фактори як умови входу та виходу потоку, початковий розподіл швидкості та температури на вході, величина шорсткості поверхонь, крім того, співмірність розмірів мікроканалу з лінійними масштабами турбулентності в діапазоні чисел Рейнольдса може обумовлювати затягування ламінарної течії в області з більшими числами Рейнольдса. Окремо розглянуто випадок течії перегрітої рідини в щілинному мікроканалі. Відмічено, що співмірність парових зародків з лінійним розміром мікроканалу може призводити до ускладнення в ньому процесу фазового переходу. Результати аналізу стану питання дозволили сформулювати напрямок, мету та задачі досліджень.

Розділ 2 МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ІЗОТЕРМІЧНОЇ ТЕЧІЇ РІДИНИ В ЩІЛИННОМУ МІКРОКАНАЛІ

В рамках розділу розв’язувалась двовимірна задача руху ламінарного ізотермічного потоку нестисливої рідини, яка підлягає закону в’язкого тертя Ньютона, в кільцевих мікроканалах шириною 59ч300 мкм та довжиною 10ч20 мм. Досліджувалась поведінка потоку рідини за умови рівномірного розподілу поздовжньої швидкості на вході в канал.

Граничні умови до задачі мали наступний вигляд: 1) r = R1, 0<z<L: u(r) = 0, v(r) = 0; 2) r = R2, 0<z<L: u(r) = 0, v(r) = 0; 3) z = 0, R1<r<R2: u(r) = Uo = const, v(r) = 0; 4) z = L, R1<r<R2: v(r) = 0, p = 0 (надлишковий).

Розв’язання системи диференційних рівнянь проводилось шляхом їх заміни дискретними аналогами у вигляді скінченно-різницевих рівнянь, дискретизація вихідної системи виконувалась методом контрольного об’єму. Чисельне інтегрування виконувалось за неявною різницевою схемою. Рішення системи дискретних рівнянь виконувалось методом матричної прогонки. Програмування системи дискретних алгебраїчних рівнянь виконувалось в середовищі Delphi. Поля значень поздовжньої та радіальної швидкостей, тиску, середнього тиску, узагальнювались методами теорії подібності, та використовувались для аналізу та порівняння з результатами експериментальних досліджень.

Рис. Відносні профілі поздовжньої (u(r)) та поперечної (v(r)) швидкостей в кільцевому мікроканалі при різних значеннях відносної довжини (ширина 59 мкм, довжина 20 мм, Re=1000): 1 – вхід в канал, відносна довжина ; 2 – ; 3 – ; 4 – вихід з каналу .

На рис. 1 подаються відносні профілі поздовжньої (u(r)) та поперечної (v(r)) компонент швидкості побудовані для різних перерізів мікроканалу (1-4). На ділянці деформації профілів швидкостей одержано завищені втрати тиску відносно режиму усталеної течії (рис. 2).

Рис. Розрахункові значення зміни середнього за перерізом тиску в мікроканалах довжиною 20 мм, температура рідини 20 оС, Re=1000: 1 – канал шириною 59 мкм; 2 – 140 мкм; 3 – 300 мкм.

Методами теорії подібності та найменших квадратів результати обчислювальних експериментів узагальнені критеріальним рівнянням виду (рис. 3) -

, де , А і В деякі числові коефіцієнти:

, , (1)

, . (2)

Рис. Узагальнююча залежність повних втрат тиску в щілинних мікроканалах при ламінарній течії та рівномірному початковому розподілі швидкості (u(r))

Проведене дослідження показало, що вибраний діапазон зміни ширини каналу охоп-лює як випадки для яких вплив початкової гідродинамічної ділянки може не враховуватись при визначенні загальних втрат тиску, так і випадки, для яких цей вплив призводить до багатократного збільшення втрат.

Розділ 3 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ГІДРОДИНАМІКИ ІЗОТЕРМІЧНОГО ПОТОКУ РІДИНИ В ЩІЛИННОМУ МІКРОКАНАЛІ

Ізотермічна течія в мікроканалах ставить задачі двох видів. З одного боку, малі геометричні розміри каналів призводять до зростаючого впливу властивостей поверхні та якості її обробки на величину втрат тиску в каналі, з іншого боку, технічне застосування мікроканалів обмежується їх малою довжиною, при цьому відношення L/X, де L довжина каналу, а Х його еквівалентний діаметр, змінюється в діапазоні , що, в свою чергу, призводить до зростаючого впливу на загальні втрати тиску в каналі умов входу потоку, а саме початкового профілю поздовжньої компоненти швидкості. Проведений комплекс експериментальних досліджень дозволив якісно та кількісно визначити ступінь впливу зазначених факторів. Дослідження проводились на водопровідній воді в діапазонах масових швидкостей (0,75102; 2,49104) кг/(м2с) та температур [18; 122]°С, що відповідало наступним діапазонам чисел Рейнольдса, та Ейлера: , . Геометричні розміри кільцевих мікроканалів приводяться в табл. 1. Внутрішня поверхня каналу виконувалась з латуні (Л63) та фторопласту, зовнішня – з сталі (12Х18Н10Т).

Таблиця

Характеристики щілинних мікроканалів

№ п/п | Ширина, д, 10-6 м | Довжина, L, 10-3 м | Діаметр, 10-3 м | d1/d2 | D/de | L/de

внутрішній, d1 | зовнішній, d2 | еквівалент., de

Канали гідравлічно-гладкі, (Д – величина абсолютної шорсткості)

1 | 63 | 20 | 14,934 | 15,060 | 0,126 | 0,992 | 0 | 158,7

2 | 170 | 5ч20 | 14,720 | 0,340 | 0,977 | 0 | 14,7ч58,8

3 | 190 | 5ч20 | 14,680 | 0,380 | 0,975 | 0 | 13,2ч52,6

4 | 300 | 5ч20 | 14,460 | 0,600 | 0,960 | 0 | 8,3ч33,3

Канали шорсткі,

5 | 130 | 5ч20 | 14,790 | 15,050 | 0,260 | 0,983 | 0,108 | 19,2ч76,9

6 | 175 | 5ч20 | 14,700 | 0,350 | 0,977 | 0,080 | 14,3ч57,1

7 | 225 | 5ч20 | 14,600 | 0,450 | 0,970 | 0,062 | 11,1ч44,4

Внутрішня поверхня фторопластова,

8 | 59 | 25 | 14,942 | 15,060 | 0,118 | 0,992 | 0 | 211,9

9 | 140 | 25 | 14,780 | 15,060 | 0,280 | 0,981 | 0 | 89,3

Рис. 4 Ескіз робочої ділянки експериментального стенду: а) спосіб концентричного розташування поршня на ділянці; б) місця відбору імпульсів статичного тиску та середньої температури потоку.

В розділі надається опис експериментального стенду для дослідження гідродинаміки ізотермічного потоку рідини в гідравлічно гладких та шорстких концентричних кільцевих мікроканалах (рис. 4). Вивчення умов течії в мікроканалах проводилось з використанням розрахунково-експериментальної методики, суть якої полягала в послідовному вимірюванні повних втрат тиску в групі мікроканалів однієї товщини та різної довжини при різних масових витратах рідини. Відніманням з втрати тиску, одержаної для каналу з більшою довжиною, втрати тиску в каналі з меншою довжиною та діленням одержаної остачі на різницю довжин каналів, визначалась питома втрата тиску в каналі . При цьому висловлювалось наступне припущення – якщо питомі втрати тиску, одержані для різних комбінацій експериментальних даних, тотожні (в рамках точності проведених вимірювань), умови та режим течії в розглянутій групі каналів однакові. Шляхом порівняння одержаної питомої втрати тиску з втратою тиску, одержаною для умови усталеного руху, визначається вплив на втрату тиску в каналі початкової гідродинамічної ділянки. Після знаходження, для групи каналів однієї товщини, середньої питомої втрати тиску, для кожного з каналів розраховувався перепад тиску, обумовлений дією сил в’язкого тертя. Відніманням з повного перепаду тиску втрати тиску на тертя знаходились втрати, обумовлені місцевими опорами – деформацією потоку на вході та виході з мікроканалу. Враховуючи, що достовірність висновків, зроблених з використанням розробленої методики обумовлювалась як точністю вимірювальної системи так і загальним числом вимірювань, число експериментальних точок для кожної з розглянутих задач дорівнювало , при цьому одержаний довірчий інтервал дорівнював . Розрахунково-експериментальна методика використовувалась як для гідравлічно-гладких мікроканалів, так і для мікроканалів з шорсткими поверхнями.

Повні втрати тиску в гідравлічно гладких щілинних мікроканалах, аналогічно результатам обчислювального експерименту, будувались в логарифмічній системі координат – L/(ReX)-Eu – рис. 5. Узагальнююче критеріальне рівняння повних втрат тиску в гідравлічно гладких щілинних мікроканалах в діапазоні зміни числа Рейнольдса та безрозмірного аргументу мало вигляд:

. (3)

Рис. 5 Повні втрати тиску в гідравлічно гладких щілинних мікроканалах, результати натурних експериментальних досліджень: товщина 63ч300 мкм, довжина 5ч20 мм, температура потоку 18ч122 оС.

З використанням розрахунково-експериментальної методики виокремлено втрати тиску на тертя (рис. 6) та місцеві опори (рис. 7).

Рис. 6 Втрати тиску на тертя в гідравлічно гладких щілинних мікроканалах, результати натурних експериментальних досліджень

Рис. 7 Втрати тиску на місцевих опорах (вхід та вихід з мікроканалу, початкова гідродинамічна ділянка)

На рис. 8 наведено результати вимірювань в гідравлічно гладких концентричних кільцевих мікроканалах, внутрішню поверхню яких виконано з фторопласту. Дослідження виявило, що одержана сукупність експериментальних даних задовільно описується критеріальним рівнянням 3. Таким чином, встановлювалась відсутність впливу ефекту змочування поверхні на інтегральні гідравлічні характеристики течії.

Рис. 8 Натурні експериментальні дослідження пов-них втрат тиску в гідравлічно гладких кільцевих мікроканалах внутрішня поверхня яких виконувалась з фторопласту: товщина 59, 140 мкм; довжина 25 мм; температура потоку 15 оС.

Шорсткість поверхні забезпечувалась шляхом чистової токарної обробки внутрішньої та зовнішньої поверхонь деталей, які утворюють мікроканал (ГОСТ 2789-73) Rz [20; 40] мкм, базова довжина l = 2,5 мм, див. табл. 1 пп. 5-7. Контроль та вимірювання виконувались оптичним методом по збільшеному зображенню профілю. Величина абсолютної шорсткості дорівнювала ? = 28 мкм, середній шаг нерівностей Sm = 109 мкм. Повні втрати тиску в щілинних мікроканалах з шорсткими поверхнями подаються на рис. 9. З використанням розрахунково-експериментальної методики встановлено, що в розглянутому діапазоні зміни числа Рейнольдса спостерігався ламінарний режим руху. Виявлено, що збільшення втрат тиску на тертя в шорстких мікроканалах прямопропорційне збільшенню площі його бічної поверхні.

Рис. 9 Повні втрати тиску в шорстких концентричних кільцевих мікроканалах

Одержана сукупність експериментальних точок апроксимована критеріальним рівнянням виду:

. (4)

Проведене дослідження дозволило встановити, що: по-перше, величина втрат тиску на місцеві опори не залежить від ширини та довжини мікроканалу, а визначається лише умовами входу та виходу потоку; по-друге, втрати тиску на деформацію потоку, викликані початковим розподілом швидкості на вході в мікроканал, відрізняються від значень, одержаних в обчислювальному експерименті, та представляють собою величину більшого порядку малості ніж значення втрат на вході та виході; в-третіх, довжина початкової гідродинамічної ділянки, в розглянутому діапазоні зміни безрозмірного аргументу (L/(ReX)), менша мінімальної довжини мікроканалу - 5 мм.

Розділ 4 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ГІДРОДИНАМІКИ ПЕРЕГРІТОГО ПОТОКУ РІДИНИ В ГІДРАВЛІЧНО ГЛАДКОМУ ЩІЛИННОМУ МІКРОКАНАЛІ

В розділі розглянуто особливості течії перегрітого потоку рідини в гідравлічно гладких щілинних мікроканалах. Перевірялась можливості адіабатного скипання рідини по довжині мікроканалу. Наводиться опис експериментального стенду, характеристики мікроканалів, див. табл. 1, пп. 1-4. Витік перегрітого потоку рідини здійснювався в об’єм з атмосферним тиском. В якості робочої рідини використовувалась вода водопровідна, дослідження проводились в діапазоні масових швидкостей . Температура рідини на вході в канал змінювалась в діапазоні оС. Різниця між надлишковим тиском на виході з мікроканалу та атмосферним тиском не перевищувала 4400 Па. Вказані абсолютні величини відповідали наступним діапазонам чисел Рейнольдса та Ейлера – , (, , де Х – характерний лінійний розмір, який дорівнював еквівалентному діаметру каналу). З всієї сукупності експериментальних даних виділялись випадки в яких ступінь перегріву адіабатного потоку, обумовлена втратою тиску в мікроканалі, становила 3ч8 оС. Обробка експериментальних даних виконувалась з використанням розрахунково-експериментальної методики, що викладена в розділі 3. Вона дозволила розділити повні втрати тиску в мікроканалі, рис. 10, на шляхові та місцеві.

Рис. 10 Порівняння повних втрат тиску одержаних при течії перегрітого потоку рідини з втратами тиску, одержаними при течії однофазного ізотермічного потоку

Порівняння натурних втрат тиску на місцеві опори з розрахунковою величиною при адіабатному скипанні потоку, при його витіканні з отворів та коротких насадків, одержаною з використанням кореляції Кіндемана, Уейлса, дозолило встановити, що експериментально одержані величини задовільно описуються розрахунковою кривою, рис. 11. Незалежність втрат тиску на місцеві опори від довжини мікроканалів та їх задовільна апроксимація розрахунковою кривою для втрат тиску при адіабатному скипанні потоку, дозволили зробити висновки відносно характеру течії перегрітого потоку рідини в мікроканалах.

Рис. 11 Порівняння сукупності експериментальних даних з кореляцією, одержаною для витікання перегрітого потоку рідини з отворів та насадків малої довжини

Фазовий перехід в потоці перегрітої рідини по довжині мікроканалу ускладнюється, повні втрати тиску в мікроканалі можуть розраховуватись як адитивна величина шляхових втрат однофазного потоку рідини та місцевих втрат тиску на виході з мікроканалу, обумовлених її фазовим переходом. Для випадку витікання перегрітого потоку рідини в середовище з атмосферним тиском для повних втрат тиску одержано критеріальне рівняння:

, . (5)

Розділ 5 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ВИВЧЕННЯ ТЕПЛООБМІНУ В ЩІЛИННОМУ МІКРОКАНАЛІ З ОДНО- ТА ДВОБІЧНИМ ОБІГРІВОМ ПРИ ВИМУШЕНОМУ РУСІ РІДИНИ

Вивчення теплообміну в щілинних мікроканалах з одно- та двостороннім обігрівом та вимушеним рухом рідини проводилось експериментальним методом. Односторонній теплообмін досліджувався в вертикальних концентричних кільцевих мікроканалах (табл. 1, пп. 8, 9); а двосторонній – в плоскому щілинному мікроканалі товщиною 200 мкм та довжиною 15 мм. Мета дослідження полягала в визначенні середніх інтегральних коефіцієнтів тепловіддачі в щілинних мікроканалах при градієнтній течії рідини. Температура стінок каналу підтримувалась постійною – tc=const. Як характерний лінійний розмір використовувався еквівалентний діаметр. Осереднення коефіцієнтів тепловіддачі проводилось методом, суть якого полягала в діленні середнього інтегрального теплового потоку по довжині на середній інтегральний температурний напір по довжині. Як визначаюча температура використовувалась величина, що дорівнює середньому арифметичному між середньою температурою потоку та температурою стінки: . Дослідження одностороннього теплообміну проводилось в широкому діапазоні зміни параметрів – , , . Число Пекле визначалось як добуток числа Рейнольдса на число Прандтля . Розглянута як початкова термічна ділянка, так і ділянка стабілізованого теплообміну.

Середні коефіцієнти тепловіддачі в щілинних мікроканалах різної товщини при односторонньому теплообміні наведено на рис. 12. Дослідження показало незалежність середнього коефіцієнту тепловіддачі від середньої швидкості потоку в діапазоні м/с. На рис. 13 наводяться результати досліджень одностороннього теплообміну в безрозмірному вигляді разом з розрахунковою кривою, що одержана Б.С. Пєтуховим для умов одностороннього стабілізованого теплообміну при ламінарній течії рідини в концентричному кільцевому каналі. Задовільний збіг результатів натурного експериментального дослідження з розрахунковою кривою дозволив зробити висновок відносно характеру теплообміну та можливості його визначення в розглянутому діапазоні зміни безрозмірного аргументу – L/(PeX).

Рис. 12 Залежність середнього коефіцієнту тепловіддачі від середньої швидкості теплоносія, при ламінарній течії та односторонньому теплообміні

Двосторонній теплообмін досліджувався в плоскому щілинному мікроканалі за умов tc=const та рівності густин теплових потоків на поверхнях теплообміну q1=q2 Вт/м2. Зміна середнього коефіцієнту тепловіддачі від зміни середньої швидкості, м/с, наведена на рис. 14.

Рис. 13 Результати експериментальних досліджень одностороннього теплообміну

В безрозмірному вигляді інтенсивність теплообміну, яка визначається числом Нуссельта, в плоскому щілинному мікроканалі (?=200 мкм) при двосторонньому підводі теплоти, подається на рис. 15.

Рис. 14 Результати експериментальних досліджень теплообміну в плоскому щілинному мікроканалі (?=200 мкм) при двосторонньому підводі теплоти

Спостерігається задовільний збіг результатів експериментальних досліджень з розрахунковою кривою, одержаною Б.С. Пєтуховим, для умов двостороннього стабілізованого теплообміну при ламінарній течії рідини в плоскому каналі. На рис. 13, 15 наводяться межи довірчого інтервалу одержаних експериментальних даних, похибка обчислювання числа Нусельта становила 8,6ч25,9 %.

Рис. 15 Узагальнення ре-зультатів експериментальних досліджень двостороннього теплообміну в плоскому щілинному мікроканалі: ?=200 мкм, tc=const, q1=q2 Вт/м2.

Результати досліджень одно- та двостороннього теплообміну в щілинних мікроканалах показали, що у випадку стабілізованого теплообміну середній коефіцієнт тепловіддачі не залежить від середньої швидкості руху рідини. Умова виконується тим точніше, чим більше значення безрозмірного комплексу L/(PeX). Для знаходження середніх коефіцієнтів тепловіддачі в розглянутому діапазоні зміни безрозмірної координати можуть використовуватися вирази: , .

Розділ 6 ІНЖЕНЕРНЕ ЗАСТОСУВАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕННЯ

Якісні та кількісні результати досліджень лягли до основи інженерних методик розрахунку теплогідравлічних характеристик нового обладнання. В розділі наводиться теплотехнічне обладнання характеристики якого в значній мірі визначаються умовами руху теплоносія через щілинні мікроканали. Гідравлічні характеристики пристроїв автоматичного відділення та відведення конденсату, різної продуктивності, для систем парового теплопостачання подаються на рис. 16.

Рис. 16 Гідравлічні характеристики конденсатовідвідників типу КПГД, для різних положень робочого органу та різних умов витікання середовища

Суцільна крива – Н = 0; штрихова крива (великий штрих) – Н = 0,010; штрихпунктирна крива – Н = Н max; штрихова крива (малий штрих, характеристики одержані для однофазного потоку конденсату) – Н = Н max (Н – ход поршня в конденсатовідвіднику). Розроблено та впроваджено в складі вимірювального комплексу компактний теплообмінний апарат потужністю 250ч400 кВт (Dt = 50ч80 оС – ефективний температурний напір), теплогідравлічні характеристики якого подаються на рис. 17.

Рис. 17 Теплогідравлічні характеристики теплообмінника КВТ-250: 1 – характеристика одержана для однофазного потоку рідини; 2 – характеристика одержана для двохфазного однокомпонентного потоку (х = 0,05ч0,10 – ступінь сухості середовища).

Розроблені та пройшли лабораторні випробування компактні конвективно - кондуктивні теплообмінники для охолодження теплонапружених вузлів ЕОМ, (рис. 18, 19).

Рис. 18 Теплогідравлічні характеристики теплообмінника КВТ-0,3 одержані для різних граничних умов: 1–tст/tвх=65/15oC; 2–tст/tвх=55/15 oC; 3–tст/tвх=40/15oC.

tст – температура стінки каналу, оС; tвх – середня температура потоку рідини на вході в канал, оС.

Рис. 19 Робочі ескізи конвективно - кондуктивного теплообмінника типу КВТ-0,3 малої потужності

ВИСНОВКИ

1. Вперше обґрунтована практична доцільність використання щілинних мікроканалів з товщиною щілини 59ч300 мкм для високоефективного теплотехнічного обладнання.

2. Вперше розроблено розрахунково-експериментальну методику та створено експериментальні стенди, які дозволили провести дослідження в щілинних мікроканалах з товщинами 59ч300 мкм в практично доцільному діапазоні чисел Рейнольдса - .

3. Вперше розкрито механізм ізотермічної течії рідини в щілинних мікроканалах з різною ступінню обробки поверхонь, встановлено існування ламінарного режиму течії до числа Рейнольдса Re = 1,0·104ч1,2·104 включно.

4. Вперше експериментально встановлено, що вплив шорсткості поверхні мікроканалу на середньоінтегральний коефіцієнт опору тертя в області ламінарного режиму течії прямопропорційний збільшенню прощі бічної поверхні каналу.

5. Експериментально доведено відсутність впливу властивості змочування поверхні щілинних мікроканалів на середньоінтегральний коефіцієнт опору тертя.

6. Вперше експериментально доведено відсутність адіабатного скипання перегрітого потоку рідини (ступінь перегріву не перевищувала 3ч8 оС) в щілинних мікроканалах товщиною 59ч300 мкм.

7. Вперше експериментально визначено середні коефіцієнти тепловіддачі при одно- та двохсторонньому теплообміні і градієнтній течії рідини в щілинних мікроканалах товщиною 59ч300 мкм. В умовах стабілізованого теплообміну значення середнього коефіцієнту тепловіддачі не залежить від середньої швидкості руху рідини.

8. Вперше за результатами проведеного комплексного дослідження, створено теплообмінники з коефіцієнтами тепловіддачі 10000ч50000 Вт/(м2оС) (коефіцієнтами теплопередачі 5000ч25000 Вт/(м2оС)) та розроблено пристрої автоматичного відділення та відведення конденсату з виконавчим органом у вигляді неущільненої поршневої пари.

9. Вперше створено компактний конвективно-кондуктивний теплообмінник для охолодження інтегральних мікросхем ЕОМ, який забезпечує високу питому теплову потужність (15-20 Вт/см2) в площі основи.

10. Пристрої автоматичного відділення та відведення конденсату широко впроваджуються в парових системах теплопостачання (більше 2000 шт.). Встановлено, що енергетичний ККД систем при їх застосуванні наближається до свого номінального значення 90ч95%. Загальний економічний ефект від впровадження складає 2 млн. грн.

11. Компактний високоефективний теплообмінник потужністю 250ч400 кВт (Dt=50ч80 оС) пройшов дослідно промислове випробування в складі вимірювального комплексу по визначенню кількості пролітної пари після паровикористовуючого обладнання. Очікуваний економічний ефект складає 200 тис. грн.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ, ОПУБЛІКОВАНІ В НАУКОВИХ ЖУРНАЛАХ І ВИДАННЯХ

1. Малкін Е.С., Тимощенко А.В. Дослідження процесів руху і теплообміну рідини і насиченої водяної пари в кільцевих мікроканалах // Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. – 2001. – №1. – С. 53-57.

(Особистий внесок – розробка та створення експериментального стенду для експериментального вивчення гідродинаміки та теплообміну потоків в щілинних мікроканалах, проведення постановочних дослідів).

2. Малкін Е.С., Тимощенко А.В. Перспективність використання щілинних мікроканалів в запірних та теплообмінних пристроях // Промышленная теплотехника. – 2003. – Т.25, №4. – С. 159-160.

(Особистий внесок – аналіз і узагальнення існуючих відомостей про течії в щілинних каналах, підготовка матеріалів до друку).

3. Малкин Э.С., Тимощенко А.В., Коваленко А.Н., Приймак А.В. Использование вторичных энергоресурсов в энергоэффективных системах технологического горячего водоснабжения предприятий // Промышленная теплотехника. – 2003. – Т.25, №4. – С. 161-163.

(Особистий внесок – приймав участь в розробці варіантів підвищення енергетичного ККД промислових систем теплопостачання).

4. Малкін Е.С., Тимощенко А.В. Особливості гідродинаміки кільцевих мікроканалів з нормальною шорсткістю поверхні // Промышленная теплотехника. – 2004. – Т.26, №6. – С. 83-88.

(Особистий внесок – аналіз і узагальнення результатів експериментальних досліджень гідродинаміки потоку рідини в щілинних мікроканалах).

5. Малкін Е.С., Тимощенко А.В. Експериментальне вивчення теплообміну в вертикальних кільцевих мікроканалах з однобічним обігрівом та вимушеним рухом рідини // Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. – 2006. – Вип. 9. – С. 11-23.

(Особистий внесок – постановка експериментальних досліджень, аналіз і узагальнення результатів).

6. Малкін Е.С., Фуртат І.Е., Тимощенко А.В., Турос Г.А. Деклараційний патент на винахід "Конденсатовідвідник" № 99063083 від 15.02.2001 р.

(Особистий внесок – приймав участь в обговоренні та розробці нового зразка обладнання, промислові випробування зразка).

7. Малкін Е.С., Тимощенко А.В., Ніколаєнко Ю.Є., Ніколаєнко Т.Ю. Деклараційний патент на корисну модель "Рідинний теплообмінник для охолодження потужного мікропроцесора" № u 2006 02264 від 15.09.2006 р.

(Особистий внесок – приймав участь в обговоренні та розробці нового зразка обладнання, лабораторні випробування зразка).

8. Малкин Э.С., Давыденко Б.В., Тимощенко А.В. Гидродинамика потока несжимаемой жидкости в кольцевых микроканалах с различной степенью обработки поверхности // Тр. междунар. конф. „Проблемы промышленной теплотехники”. – Киев: ИТТФ НАН Украины, 2005. – С. 62-63.

(Особистий внесок – порівняння результатів натурного та обчислювального експериментів, одержання узагальнюючих залежностей втрат тиску в каналах з різною ступінню обробки поверхонь).

9. Малкін Е.С., Тимощенко А.В. Гідродинаміка та теплообмін в концентричних кільцевих мікроканалах з різним ступенем обробки поверхонь, стосовно компактних тепломасообмінних апаратів // Зб. наук. праць ювілейної міжнар. науково-технічної конференції „Сучасні екологічно безпечні тепломасообмінні процеси в технологіях легкої промисловості”. – Київ: КНУТД, 2006. – С. 50-52.

(Особистий внесок – аналіз і узагальнення результатів експериментальних досліджень, приймав участь в розробці конструкцій теплообмінних апаратів).

АНОТАЦІЇ

Тимощенко А.В. Гідродинаміка та теплообмін потоку рідини в щілинних мікроканалах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, Київ 2007.

У дисертаційній роботі вивчені гідродинаміка і теплообмін потоку рідини в плоских щілинних і концентричних кільцевих мікроканалах при ламінарному режимі течії. Методами теплофізичного і натурного моделювання розглянута ізотермічна течія рідини в мікроканалах з гідравлічно гладкими і шорсткими поверхнями. Проведене натурне дослідження гідродинаміки перегрітого потоку рідини в гідравлічно гладких мікроканалах. Експериментальними методами досліджені одно- та двосторонній теплообмін при вимушеному ламінарному русі рідини. Результати досліджень узагальнені критерійними рівняннями. На основі проведених досліджень розроблені розрахункові методики і створені зразки нового високоефективного теплотехнічного обладнання.

Ключові слова: гідродинаміка, теплообмін, мікроканал, ізотермічний потік, перегрітий потік, шорсткість, теплотехнічне обладнання, енергозбереження.

Тимощенко А.В. Гидродинамика и теплообмен потока жидкости в щелевых микроканалах. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 – Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Институт технической теплофизики Национальной академии наук Украины, Киев 2007.

В диссертационной работе изучены гидродинамика и теплообмен потока жидкости в плоских щелевых и концентрических кольцевых (d1/d2>1) микроканалах толщиной 59ч300 мкм при ламинарном режиме течения. Методами теплофизического и натурного моделирования рассмотрено изотермическое течение жидкости в микроканалах с гидравлически гладкими поверхностями для различных условий входа потока. Проведено натурное исследование гидродинамики изотермического потока жидкости в микроканалах с шероховатыми поверхностями, исследовано влияние свойства смачивания поверхности на общую картину течения. Экспериментально исследована гидродинамика адиабатного перегретого потока жидкости в гидравлически гладких микроканалах при его истекании в среду с атмосферным давлением. Экспериментальными методами исследованы одно- и двухсторонний теплообмен в щелевых микроканалах при вынужденном ламинарном течении жидкости и граничных условиях первого рода. Результаты исследований обобщены методами теории подобия в виде критериальных уравнений. На основе проведённых исследований разработаны расчётные методики и созданы образцы нового высокоэффективного теплотехнического оборудования (устройства автоматического отделения и отведения конденсата устойчиво работающие в широком диапазоне изменения расхода и перепада давления, кондуктивно-конвективний теплообменник обеспечивающий плотность теплового потока в плоскости основания 10ч20 Вт/см2, компактный теплообменник тепловой мощностью 250ч400 кВт при величине температурного напора Dt=50ч80 оС).

Ключевые слова: гидродинамика, теплообмен, микроканал, изотермический поток, перегретый поток, шероховатость, теплотехническое оборудование, энергосбережение.

Timoshchenko A.V. Hydrodynamics and heat exchange of fluid flow in slit microducts. – Manuscript.

Thesis for Candidate Degree of Technical Science on Speciality 05.14.06 – Engineering Thermophysics and Industrial Thermoenergetics. – Institute of Engineering Thermophysics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2007.

Hydrodynamics and heat exchange of fluid flow in flat slit and concentric annular microducts at the laminar flow regime is studied in dissertation work. Isothermal fluid flow is considered the methods of mathematical and full-scale modeling in microducts with hydraulically smooth and rough surfaces. Full-scale investigation of superheated water flow in hydraulically smooth microducts is carried out. By experimental methods unidirectional and two-sided heat exchange is investigated at the forced laminar flow regime. The results of researches are generalized by criterion equalizations. On the basis of the conducted researches calculation methods are developed and the standards of a new high-performance heating engineering equipment are created.

Keywords: hydrodynamics, heat exchange, microduct, isothermal flow, superheated water flow, roughness, heating engineering equipment, energy saving.