Повышение эффективности теплообменных устройств при фазовых переходах

Аннотация

В многочисленных исследованиях для интенсификации двухфазного теплообмена и повышения критических тепловых потоков используются развитые поверхности как средство воздействия на процесс кипения. Для определения оптимальной геометрии новых структурированных поверхностей теплопередачи необходимы детальные экспериментальные исследования для каждого отдельного случая. В настоящее время отсутствует методика расчета подобных теплообменных поверхностей, применимая к широкому диапазону параметров потока. Исследована интенсификация теплообмена с применением модифицирования поверхности при кипении фреонов в моделях теплообменных устройств, которые можно использовать в холодильной технике, микроэлектронике, тепловых насосах. Для модифицирования поверхности теплообмена, представляющей собой пластину из коррозионно-стойкой стали, использованы лазерное и плазменное воздействия. Изготовлены пять рабочих участков. Исследования выполнены при кипении двух фреонов (R125, RC318) со значениями приведенного давления p_r = 0,43, 0,13 в диапазоне значений параметров потока G = 30...150 кг/(м² • с), T_s = 30 °С. Представлены экспериментальные данные о теплообмене при кипении на модифицированных поверхностях, проведено сравнение с данными, измеренными на немодифицированной поверхности. Показана возможность увеличения плотности теплового потока до 18 %

Работа выполнена при поддержке РНФ (грант РНФ № 19-19-00410)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Тупотилова А.В., Гареев Э.И., Беляев А.В., и др. Повышение эффективности теплообменных устройств при фазовых переходах. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 4 (115), с. 63--76. EDN: WYSOWH

Литература

[1] Дедов А.В. Обзор современных методов интенсификации теплообмена при пузырьковом кипении. Теплоэнергетика, 2019, № 12, с. 18--54. EDN: ADYDJW. DOI: https://doi.org/10.1134/S0040363619120014

[2] Володин О.А., Печеркин Н.И., Павленко А.Н. Интенсификация теплообмена при кипении и испарении жидкостей на модифицированных поверхностях. ТВТ, 2021, № 2, т. 59, с. 280--312. EDN: BVREHB. DOI: https://doi.org/10.31857/S0040364421020149

[3] Singh S.K., Sharma D. Review of pool and flow boiling heat transfer enhancement through surface modification. Int. J. Heat Mass Transf., 2021, vol. 181, pp. 122--142. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.122020

[4] Dedov A.V., Budaev V.P. Heat transfer on micro and nanostructured rough surfaces synthesized by plasma. Symmetry, 2022, vol. 14, iss. 11, art. 2346. DOI: https://doi.org/10.3390/sym14112346

[5] Yuan X., Du Y., Su J. Approaches and potentials for pool boiling enhancement with superhigh heat flux on responsive smart surfaces: a critical review. Renew. Sust. Energ. Rev., 2021, vol. 156, pp. 111--121. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111974

[6] Nguyen D.H., Ahn H.S. A comprehensive review on micro/nanoscale surface modification techniques for heat transfer enhancement in heat exchanger. Int. J. Heat Mass Transf., 2021, vol. 178, pp. 121--138. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121601

[7] Liang G., Mudawar I. Review of nanoscale boiling enhancement techniques and proposed systematic testing strategy to ensure cooling reliability and repeatability. Appl. Therm. Eng., 2021, vol. 184, pp. 115--124. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115982

[8] Dedov A.V., Khaziev I.A., Laharev D.A., et al. Study of nucleate pool boiling heat transfer enhancement on surfaces modified by beam technologies. Heat Transf. Eng., 2022, vol. 43, iss. 7, pp. 598--607. DOI: https://doi.org/10.1080/01457632.2021.1896834

[9] Попов И.А., Щелчков А.В., Гортышов Ю.Ф. и др. Интенсификация теплоотдачи и критические тепловые потоки при кипении на поверхностях с микрооребрением. ТВТ, 2017, № 4, т. 55, с. 537--548. DOI: https://doi.org/10.7868/S0040364417030206

[10] Surtaev А., Kuznetsov D., Serdyukov V., et al. Structured capillary-porous coatings for enhancement of heat transfer at pool boiling. Appl. Therm. Eng., 2018, vol. 133, pp. 532--542. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.01.051

[11] Fedorovich S.D., Dedov A.V., Khaziev I.A. Creating heat exchange surfaces using laser, electronic, and plasma energy fluxes. High Temp. Mater. Process., 2021, vol. 25, iss. 1, pp. 81--93. DOI: https://doi.org/10.1615/HighTempMatProc.2021038265

[12] Павленко А.Н. Плазменные, лазерные технологии и метод микродугового оксидирования для интенсификации теплообмена при кипении и испарении. Неравновесные процессы: плазма, горение, атмосфера. М., Торус-Пресс, 2022, с. 201--204. EDN: CYNYUK. DOI: https://doi.org/10.30826/NEPCAP10A-61

[13] Zhang C., Zhang L., Xu H., et al. Performance of pool boiling with 3D grid structure manufactured by selective laser melting technique. Int. J. Heat Mass Transfer, 2019, vol. 128, pp. 570--580. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.09.021

[14] Sallal A.S., Ghassan F.S., Thahab S.M. The heat transfer from fined perforated pipe improved due to nano-fluid. J. Phys.: Conf. Ser., 2021, vol. 1973, art. 012075. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1973/1/012075

[15] Volodin O.A., Pecherkin N.I., Pavlenko A.N. Combining microstructured surface and mesh covering for heat transfer enhancement in falling films of refrigerant mixture. Energies, 2023, vol. 16, iss. 2, pp. 782--794. DOI: https://doi.org/10.3390/en16020782

[16] Serdyukov V., Volodin O.A., Bessmeltsev V., et al. Heat transfer enhancement during pool water boiling using 3D printed capillary-porous coatings. J. Engin. Thermophys., 2022, vol. 31, no. 2, pp. 201--209. DOI: https://doi.org/10.1134/S1810232822020011

[17] Moharana S., Das M., Pecherkin N.I., et al. Experimental assessment of enhanced 2×3 semi-closed microstructure tube bundle as an alternative in shell and tube heat exchangers. Appl. Therm. Eng., 2023, vol. 11, pp. 120--132. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120966

[18] Belyaev A.V., Dedov A.V., Sidel’nikov N.E., et al. Flow boiling heat transfer intensification due to inner surface modification in circular mini-channel. Water, 2022, vol. 14, iss. 24, pp. 40--54. DOI: https://doi.org/10.3390/w14244054

[19] Крапивин И.И., Беляев А.В., Дедов А.В. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении в условиях вынужденного течения фреонов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2022, № 4 (103), с. 59--79. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2022-4-59-79

[20] Александров А.А., Бармин И.В., Павлов С.К. и др. Исследование параметров теплообмена витого теплообменника в двухфазной среде. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2019, № 3 (84), с. 22--33. EDN: FRLCND. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2019-3-22-33