Интенсификация теплообмена при кипении широкого класса жидкостей в различных гидродинамических условиях с использованием аддитивной технологии SLM/SLS 3D-печати

В результате выполнения комплекса экспериментальных исследований получены новые данные по интенсификации теплообмена и повышению критического теплового потока при кипении жидкостей различных классов (вода, криогенные жидкости, фреоны, н-додекан) на основе создания микроструктурированных капиллярно-пористых покрытий с применением универсальной аддитивной технологии SLM/SLS 3D-печати.

Фотографии микроструктурированного капиллярно-пористого покрытия (материал: медь, латунь, бронза, нержавеющая сталь) и процесса пузырькового кипения на нем в горизонтальном слое н-додекана.

Степень интенсификации теплообмена при кипении азота (P = 100 кПа) на покрытиях толщиной 0.7 мм: № 1 – расстояние между гребнями покрытия 1.5 мм; толщина остаточного слоя покрытия – 0.14 мм; № 2 – 0.5 мм; 0.35 м, соответственно. Справа: кипение фреона R21 на микроструктурированном покрытии из латуни: расстояние между гребнями покрытия 1.5 мм; высота покрытия 0.7 мм, толщина остаточного слоя покрытия – 0.14 мм (q = 1000 Вт/м²).

Разработаны рекомендации по эффективному использованию данных покрытий для условий кипения в тонких горизонтальных слоях жидкостей (в том числе, в слоях вращающейся жидкости в поле массовых сил значительной интенсивности), в погружных системах большого объема, в стекающих пленках жидкости и апробированы в широком диапазоне изменения приведенного давления. Показано, что в зависимости от приведенного давления степени увеличения коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении на данных покрытиях могут достигать 6 раз, критического теплового потока – до 2-х раз.

Впервые разработаны карты режимов и выявлены закономерности теплообмена, структурообразования и развития кризисных явлений при кипении и испарении на гладких и микроструктурированных поверхностях в горизонтальных слоях жидкости для различных областей изменения приведенного давления при переходе от тонких пленок к условиям большого объема жидкости. Показано, что максимальная степень интенсификации теплообмена при кипении, реализуемая в области инверсии кривой кипения, достигается на микроструктурированных капиллярно-пористых покрытиях из низкотеплопроводного материала и существенно зависит от безразмерной толщины слоя жидкости.

Опытные данные по кривой кипения в слое н-додекана h = 10 мм (h/l_σ = 5.56) при давлении P_s = 20 кПа  (P_s/P_cr = 1.1•10^-2): 1 – расстояние между гребнями покрытия из нержавеющей стали 3.5 мм; 2 – из бронзы с 3.5 мм; 3 – из бронзы с 1.7 мм; 4 – для гладкой поверхности.

Полученные результаты важны для разработки современных высокоэффективных методов интенсификации теплообмена при кипении. Практическое значение связано с разработкой новых способов повышения эффективности теплообмена в системах охлаждения различного назначения, тепловых трубах и паровых камерах, включая микро- и силовую электронику, ВТСП-оборудование, в энергетическом оборудовании, аппаратах химической, криогенной промышленности.

ИТ СО РАН. Руководитель работы член-корреспондент РАН Александр Никлаевич Павленко. Тел. +7 (383) 328-43-87.