Інтенсивність теплообміну при кипінні води на пористих поверхнях з волокнистою структурою
Наведено результати експериментальних досліджень впливу способів приєднання металевих волокнистих структур до суцільних технічних поверхонь на інтенсивність теплообміну при кипінні води. Коефіцієнти тепловіддачі на поверхнях із притиснутими пористими структурами мають значення, менші за аналогічні д...
Збережено в:
| Дата: | 2011 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2011
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/44174 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Інтенсивність теплообміну при кипінні води на пористих поверхнях з волокнистою структурою / А.А. Шаповал // Доп. НАН України. — 2011. — № 12. — С. 66-71. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-44174 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-441742013-05-27T03:09:30Z Інтенсивність теплообміну при кипінні води на пористих поверхнях з волокнистою структурою Шаповал, А.А. Теплофізика Наведено результати експериментальних досліджень впливу способів приєднання металевих волокнистих структур до суцільних технічних поверхонь на інтенсивність теплообміну при кипінні води. Коефіцієнти тепловіддачі на поверхнях із притиснутими пористими структурами мають значення, менші за аналогічні для припечених матеріалів, проте вони вищі, порівняно зі значеннями, типовими для гладких поверхонь. Запропоновано емпіричні формули для розрахунків інтенсивності двофазного теплообміну в зонах нагрівання теплових труб і термосифонів із пористими волокнистими структурами. The results of experimental researches in the influence of the connection of the metal fibrous structures to technical smooth surfaces on the intensity of heat transfer at water boiling are presented. The heat transfer coefficients on surfaces with pressed porous structures have values smaller than those for sintered materials. Nevertheless, they are higher than those typical of smooth surfaces. Empirical formulas for calculations of the intensity of two-phase heat transfer in the heating zones of heat pipes and thermosiphons with porous fibrous structures are offered. 2011 Article Інтенсивність теплообміну при кипінні води на пористих поверхнях з волокнистою структурою / А.А. Шаповал // Доп. НАН України. — 2011. — № 12. — С. 66-71. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/44174 536.24:536.423.1 uk Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Теплофізика Теплофізика |
| spellingShingle |
Теплофізика Теплофізика Шаповал, А.А. Інтенсивність теплообміну при кипінні води на пористих поверхнях з волокнистою структурою Доповіді НАН України |
| description |
Наведено результати експериментальних досліджень впливу способів приєднання металевих волокнистих структур до суцільних технічних поверхонь на інтенсивність теплообміну при кипінні води. Коефіцієнти тепловіддачі на поверхнях із притиснутими пористими структурами мають значення, менші за аналогічні для припечених матеріалів, проте вони вищі, порівняно зі значеннями, типовими для гладких поверхонь. Запропоновано емпіричні формули для розрахунків інтенсивності двофазного теплообміну в зонах нагрівання теплових труб і термосифонів із пористими волокнистими структурами. |
| format |
Article |
| author |
Шаповал, А.А. |
| author_facet |
Шаповал, А.А. |
| author_sort |
Шаповал, А.А. |
| title |
Інтенсивність теплообміну при кипінні води на пористих поверхнях з волокнистою структурою |
| title_short |
Інтенсивність теплообміну при кипінні води на пористих поверхнях з волокнистою структурою |
| title_full |
Інтенсивність теплообміну при кипінні води на пористих поверхнях з волокнистою структурою |
| title_fullStr |
Інтенсивність теплообміну при кипінні води на пористих поверхнях з волокнистою структурою |
| title_full_unstemmed |
Інтенсивність теплообміну при кипінні води на пористих поверхнях з волокнистою структурою |
| title_sort |
інтенсивність теплообміну при кипінні води на пористих поверхнях з волокнистою структурою |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Теплофізика |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/44174 |
| citation_txt |
Інтенсивність теплообміну при кипінні води на пористих поверхнях з волокнистою структурою / А.А. Шаповал // Доп. НАН України. — 2011. — № 12. — С. 66-71. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT šapovalaa íntensivnístʹteploobmínuprikipínnívodinaporistihpoverhnâhzvoloknistoûstrukturoû |
| first_indexed |
2025-07-04T02:34:45Z |
| last_indexed |
2025-07-04T02:34:45Z |
| _version_ |
1836682036469825536 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
12 • 2011
ТЕПЛОФIЗИКА
УДК 536.24:536.423.1
© 2011
А.А. Шаповал
Iнтенсивнiсть теплообмiну при кипiннi води
на пористих поверхнях з волокнистою структурою
(Представлено академiком НАН України А. Г. Косторновим)
Наведено результати експериментальних дослiджень впливу способiв приєднання ме-
талевих волокнистих структур до суцiльних технiчних поверхонь на iнтенсивнiсть
теплообмiну при кипiннi води. Коефiцiєнти тепловiддачi на поверхнях iз притиснути-
ми пористими структурами мають значення, меншi за аналогiчнi для припечених ма-
терiалiв, проте вони вищi, порiвняно зi значеннями, типовими для гладких поверхонь.
Запропоновано емпiричнi формули для розрахункiв iнтенсивностi двофазного теплооб-
мiну в зонах нагрiвання теплових труб i термосифонiв iз пористими волокнистими
структурами.
Мета роботи. Дослiдження двофазного теплообмiну, зокрема, процесiв кипiння на су-
цiльних металевих поверхнях iз приєднаними до них пористими капiлярними структурами
(KC), є актуальними теплофiзичними задачами. Металевi пористi покриття i структури [1]
мають ряд фiзичних характеристик (структурних, геометричних, теплофiзичних тощо), якi
iстотно впливають на параметри кипiння (початок закипання рiдини, iнтенсивнiсть двофа-
зного теплообмiну, критичнi густини теплового потоку). Особливостi впливу характеристик
волокнистих структур на теплообмiн дослiджувалися авторами робiт [2, 3], однак реальний
вплив рiзних умов приєднання КС на iнтенсивнiсть теплообмiну при кипiннi до теперiш-
нього часу грунтовно не вивчений. Проблема є актуальною для розробок i конструювання
теплових труб i термосифонiв — високотеплопровiдних пристроїв, перспективних для су-
часного теплообмiнного обладнання i систем енергозбереження.
Стан проблеми. Процеси кипiння на пористих поверхнях iстотно вiдрiзняються вiд
аналогiчних процесiв, типових для гладких технiчних поверхонь. Застосування пористих
матерiалiв у теплових трубах, в яких вони є капiлярними структурами, що виконують
функцiї транспортування рiдин-теплоносiїв та iнтенсифiкацiї двофазного теплообмiну, зу-
мовило необхiднiсть експериментального вивчення процесiв. Дослiдження рiзних авторiв [4–
6] пiдтвердили факт значної iнтенсифiкацiї двофазного теплообмiну на пористих поверх-
нях (рис. 1). Високi значення коефiцiєнтiв тепловiддачi при кипiннi води в умовах вiль-
66 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №12
Рис. 1. Iнтенсивнiсть теплообмiну при кипiннi води на поверхнях з пористими структурами рiзних типiв:
1 — кипiння води на гладкiй технiчнiй поверхнi; 2, 3 — кипiння на поверхнях з сiтчастими КС [4, 5]; 4 —
мiднi порошковi КС [6]; 5 — максимальна iнтенсивнiсть теплообмiну на поверхнях iз волокнистими КС [3];
тиск насичення — атмосферний
ної конвекцiї забезпечують високотеплопровiднi (мiднi) волокнистi i порошковi капiлярнi
структури (порiвняно iз сiтчастими КС). Варто вiдзначити, що бiльшiсть авторiв не вка-
зують детальнi умови приєднання КС до поверхонь нагрiвання.
Особливостi комплексного впливу основних характеристик КС (пористостi Θ, теплопро-
вiдностi λ, товщини δ) в умовах, типових для роботи теплових труб (капiлярний транспорт
рiдини) та роботи термосифонiв (вiльний рух рiдини), грунтовно дослiджено в [2, 3, 7].
Отриманi нами результати для обох умов узагальнено емпiричними формулами, якi мають
такий вигляд:
α = cqnΘmλpδbDsK, (1)
де розрахунковий параметр α — коефiцiєнт тепловiддачi; визначальнi параметри: q — гус-
тина теплового потоку; Θ — пористiсть КС; λ — коефiцiєнт теплопровiдностi КС; δ — тов-
щина КС; D — середнiй дiаметр пор; K — комплекс теплофiзичних характеристик рiдини
(K = λ2
рiд/(νрσрTнас)); c — коефiцiєнт пропорцiональностi.
Коефiцiєнти та показники ступенiв для рiзних умов двофазного теплообмiну такi: 1) для
вiльного руху рiдин (умови, типовi для термосифонiв) c = 2 · 104: n = 0,15δ−0,14
кс при δкс <
< 0,8 · 10−3 м; n = 0,05δ−0,28
кс при δкс > 0,8 · 10−3 м; m = 0,5; p = 0,6; b = 1,0; s = 0,15; 2) для
капiлярного руху рiдин (умови, типовi для теплових труб): c = 200; b = 0,65 при 0,4 ·10−3 <
< δкс < 1,2 · 10−3 м; c = 0,5; b = −0,2 при 1,2 · 10−3 < δкс < 9,0 · 10−3 м; n = 0,6; m = 0,15;
p = 0,25; s = 0,1; значення визначальних параметрiв мають бути у системi вимiрювань СI.
Ефект iстотного, у рядi випадкiв, збiльшення коефiцiєнтiв тепловiддачi α порiвняно
з гладкими технiчними поверхнями деякi автори пояснюють впливом рiзних чинникiв. За-
пропоновано ряд наближених моделей двофазного теплообмiну на пористих поверхнях [8, 9],
в яких здiйснено спроби iнтерпретацiї впливу КС на процеси пароутворення. Проте бiль-
шiсть моделей побудована з використанням невеликих об’ємiв експериментальних даних,
отриманих у незначних дiапазонах змiни визначальних характеристик КС; здебiльшого цi
моделi мають емпiричний характер.
У наших роботах [10] запропоновано напiвемпiричну модель двофазного теплообмiну
при пароутвореннi на поверхнях з пористими КС. Сутнiсть моделi полягає у наступному:
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №12 67
Рис. 2. Схема експериментальної установки для дослiджень теплообмiну при кипiннi на поверхнях з по-
ристими капiлярними структурами: 1 — блок пiдведення тепла до зразка пористої структури; 2 — зона
кипiння рiдини на поверхнi з пористою капiлярною структурою; 3 — система конденсацiї пари; 4 — система
пiдведення, регулювання i вимiрювання електричної потужностi; 5 — система вимiрювання температур;
6 — система охолодження конденсату; 7 — система вакуумування та пiдтримання тиску
вiдведення тепла вiд гладкої поверхнi з приєднаною КС здiйснюється трьома основними
шляхами — 1) конвекцiєю рiдини у порах КС (у цих порах парова фаза вiдсутня); 2) ви-
паровуванням мiкрошару рiдини в основi парогенеруючих пор (цей мiкрошар є аналогом
мiкрошару, що знаходиться пiд зростаючим паровим пухирцем); 3) випаровуванням мiкро-
плiвки рiдини, яка знаходиться на бокових стiнках парогенеруючих пор. Загальний термiч-
ний опiр зазначених трьох складових опорiв залежить як вiд густини теплового потоку q,
так i вiд вищезазначених фiзичних характеристик КС (див. формулу (1)). Реальнi процеси
пароутворення у парогенеруючих каналах є дещо складнiшими, проте розрахунки, виконанi
за даною моделлю, пiдтверджують її дiєздатнiсть.
В останнiй час з’явилися роботи вiтчизняних авторiв, в яких запропоновано оригiнальнi
пiдходи до розвитку теорiї кипiння (зазначимо, що до теперiшнього часу загальноприйнят-
на теорiя кипiння вiдсутня; iснують лише певнi пiдходи рiзних дослiдникiв). Теорiя кипiння
цих авторiв, детально описана в [11], базується на дискретному введеннi порцiй енергiї (пу-
хирцями) в однофазну рiдину, що забезпечує iнтенсивне вiдведення тепла вiд поверхнi.
Iстотну роль при зростаннi пухирця вiдiграють граничнi умови теплообмiну на його верх-
нiй поверхнi (власне, рiзниця температур води у мiсцi виникнення пухирцевого зародку та
у верхнiй точцi пухирцевого куполу). Запропонована нами модель пароутворення, за рядом
чинникiв, задовiльно корелює з теорiєю авторiв [11].
Експериментальне обладнання i методика експерименту. Задачi в нашiй роботi
розв’язано таким чином: 1) створено експериментальне обладнання для дослiджень тепло-
обмiну при кипiннi на поверхнях з пористими покриттями i структурами (рис. 2) в умовах
вiльного руху рiдини та її капiлярного транспорту; 2) розроблено i виготовлено ряд до-
слiдних зразкiв КС з такими характеристиками: матерiал КС — мiдь та корозiйностiйка
сталь 9Х18Н10Т; пористiсть Θкс = 40–90%; товщина КС δ = 0,2–2,0 мм; 3) для перевiр-
68 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №12
Рис. 3. Вплив умов приєднання волокнистих структур на iнтенсивнiсть двофазного теплообмiну при кипiннi
води в умовах її капiлярного транспорту: 1 — притиснута мiдна волокниста КС (Θ = 40%; δ = 0,8 мм);
припеченi мiднi волокнистi КС (Θ = 40%: 2 — δ = 0,8 мм; 3 — δ = 1,0 мм; 4 — δ = 2,0 мм; 5 — δ = 0,4 мм);
крива — iнтенсивнiсть кипiння води на гладкiй технiчнiй поверхнi
ки достовiрностi експериментальних даних проведено тарування обох експериментальних
робочих дiльниць (дослiджено iнтенсивнiсть теплообмiну при кипiннi води на металевiй
технiчнiй поверхнi).
Методика експериментiв полягала у наступному: 1) дослiднi зразки iз припеченими по-
ристими структурами i мiкротермопарами припаювали легкоплавким припоєм до торця
мiдного клина-нагрiвача; 2) заповнювали внутрiшнiй об’єм експериментальної дiльницi ро-
бочою рiдиною-теплоносiєм; 3) вмикали систему пiдведення i регулювання електричної по-
тужностi; 4) за допомогою автотрансформатора встановлювали певне значення необхiдної
густини теплового потоку q (Вт/м2); 5) пiсля досягнення стацiонарного теплового режиму
вимiрювали значення температури металевої поверхнi та температуру насичення киплячої
рiдини (з урахуванням необхiдних поправок); 6) отримували значення рiзниць темпера-
тур несучої поверхнi та киплячої рiдини, також — значення коефiцiєнтiв тепловiддачi α
(Вт/(м2
· К)); 7) в подальшому дослiдження повторювали з неприпеченими КС за допомо-
гою спецiальних притискуючих (голчастих) пристроїв.
Результати та узагальнення. Ряд отриманих експериментальних даних наведено на
рис. 3 i 4. Iнтенсивнiсть теплообмiну при кипiннi води на поверхнях iз мiдними припеченими
КС (у дiапазонi товщин пористих структур δкс = 0,3–1,5 мм) є значно (майже на порядок)
вищою порiвняно iз технiчними гладкими поверхнями.
В умовах капiлярного транспорту води (рис. 3) коефiцiєнти тепловiддачi α для КС се-
редньої пористостi (Θ = 40%) у 5–8 разiв перевищують значення, типовi для кипiння на
технiчних гладких поверхнях. Початок кипiння рiдини в крупних порах КС (яке фiксува-
лося вiзуально) настає при значно менших значеннях густин теплових потокiв q порiвняно
з вiльним рухом води. Неприпеченi (притиснутi) волокнистi структури забезпечували зна-
чення коефiцiєнтiв α у 3–5 разiв меншi, порiвняно з аналогiчними КС, якiсно припеченими
до гладкої поверхнi.
При кипiннi рiдин в умовах їх вiльного руху (“великого об’єму”) показники максимальної
iнтенсивностi теплообмiну для аналогiчних КС (рис. 4) мають ще бiльшi значення коефi-
цiєнтiв тепловiддачi (бiльшi у 9–10 разiв для води та у 12–13 разiв — для ацетону). Рiдина
у даних умовах додатково транспортується до центрiв пароутворення за рахунок сил гравi-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №12 69
Рис. 4. Вплив умов приєднання волокнистих структур на iнтенсивнiсть двофазного теплообмiну при кипiннi
води в умовах її вiльного руху: 1 — технiчна гладка поверхня; 2 — припечена мiдна волокниста КС (Θ =
= 40%; δ = 0,8 мм); 3 — припечена корозiйностiйка волокниста КС (Θ = 40%; δ = 0,8 мм); 4 — притиснута
корозiйностiйка волокниста КС (Θ = 84%; δ = 0,4 мм); 5 — притиснута мiдна волокниста КС (Θ = 84%;
δ = 0,5 мм); 6 — притиснута мiдна волокниста КС (Θ = 71%; δ = 1,0 мм); крива — iнтенсивнiсть кипiння
води на гладкiй технiчнiй поверхнi
тацiї, якi значно перевершують капiлярнi сили (для першого випадку). КС, що притиснутi
до гладкої поверхнi (рис. 4), також дають меншi значення коефiцiєнтiв α порiвняно з на-
дiйно припеченими КС. Проте цi значення значно перевищують величини α, типовi для
гладких поверхонь. Важливим результатом експериментальних дослiджень є той факт, що
iнтенсивнiсть теплообмiну при кипiннi на поверхнях з неприпеченими пористими капiляр-
ними структурами залишається досить високою (порiвняно з гладкою поверхнею). Тенден-
цiя зберiгається як для високотеплопровiдних мiдних КС, так i для низькотеплопровiдних
структур iз корозiйностiйкої сталi.
Таким чином, для практичних розрахункiв iнтенсивностi теплообмiну при кипiннi води
на технiчних поверхнях з металевими волокнистими структурами рекомендовано застосо-
вувати формули типу (1) вiдповiдно до умов кипiння. Для притиснутих КС отриманi за
розрахунками значення коефiцiєнтiв тепловiддачi α потрiбно зменшувати на 20–30%, зале-
жно вiд умов приєднання пористих капiлярних структур до суцiльної поверхнi.
1. Косторнов А.Г. Материаловедение дисперсных и пористых металлов и сплавов. В 2-х т. – Киев:
Наук. думка, 2003. – Т. 2. – 550 с.
2. Шаповал А.А., Зарипов В.К. и др. К расчетам интенсивности теплообмена при кипении на поверхно-
стях с пористыми покрытиями // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. – 1989. – № 3. – С. 63–68.
3. Шаповал А.А., Косторнов А. Г. О влиянии характеристик пористых структур из металловолокон на
закипание воды в условиях, характерных для тепловых труб и термосифонов // Тепломассообмен
ММФ – 2000. – Т. 5. Тепломассообмен в двухфазных системах. – Минск, 2000. – С. 348–351.
4. Афанасьев Б.А., Смирнов Г.Ф. Исследование теплообмена и предельных тепловых потоков при ки-
пении в капиллярно-пористых структурах // Теплоэнергетика. – 1979. – № 5. – С. 67–69.
5. Ferrell J., Dawis W., Winston H. Heat transfer in heat pipe wicks materials // Proc. Intern. Heat Pipe
Conf. – Stuttgart: FRG, 1973. – 64 p.
6. Васильев Л.Л., Конев С. В, Штульц П. и др. Экспериментальное исследование теплообмена при
кипении жидкости в высокотеплопроводных капиллярных структурах // Инж.-физ. журн. – 1982. –
42, № 6. – С. 893–898.
7. Смирнов Г.Ф., Цой А.Д. Теплообмен при парообразовании в капиллярах и капиллярно-пористых
структурах. – Москва: МЭИ, 1999. – 440 с.
8. Ковалев С.А., Соловьев С.Л. Испарение и конденсация в тепловых трубах. – Москва: Наука, 1989. –
112 с.
70 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №12
9. Поляев В.М., Кичатов В. В. Модель кипения жидкости на пористой поверхности // Теплофизика
выс. температур. – 1997. – № 5. – С. 500–503.
10. Шаповал А.А. К моделированию процессов теплообмена при кипении на поверхностях с неупоря-
доченными пористыми структурами // Тепломассообмен ММФ – 2000. – Т. 5: Тепломассообмен в
двухфазных системах. – Минск, 2000. – С. 198–204.
11. Долинский А.А., Иваницкий Г.К. Тепломассобмен и гидродинамика в парожидкостных дисперсных
средах. Теплофизические основы дискретно-импульсного ввода энергии. – Киев: Наук. думка, 2008. –
382 с.
Надiйшло до редакцiї 10.05.2011Iнститут проблем матерiалознавства
iм. I.М. Францевича НАН України, Київ
A.A. Shapoval
Intensity of heat transfer at water boiling on porous surfaces with
fibrous structure
The results of experimental researches in the influence of the connection of the metal fibrous struc-
tures to technical smooth surfaces on the intensity of heat transfer at water boiling are presented.
The heat transfer coefficients on surfaces with pressed porous structures have values smaller than
those for sintered materials. Nevertheless, they are higher than those typical of smooth surfaces.
Empirical formulas for calculations of the intensity of two-phase heat transfer in the heating zones
of heat pipes and thermosiphons with porous fibrous structures are offered.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №12 71
|