Экспериментальное исследование механизмов кипения эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой : диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук : 01.04.14

Эмульсии представляют собой смесь из двух взаимно нерастворимых жидкостей, в которых капельки дисперсной фазы распределены в непрерывной дисперсионной среде. Рассматриваются эмульсии, у которых капельки дисперсной фазы имеют температуру кипения ниже температуры кипения дисперсионной среды. Механизм кипения эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой отличается от кипения однородных жидкостей и является достаточно сложным как для экспериментальных, так и теоретических исследований.
Кипение жидкостей как эффективный способ отвода тепла, широко используется в различных энергетических устройствах и теплообменных аппаратах. Для интенсификации теплоотдачи и повышения критических тепловых потоков применяются традиционные методы интенсификации теплообмена [1- 10], такие как: увеличение площади теплоотдающей поверхности, использование нано- и микрошероховатых поверхностей для увеличения интенсивности образования и отрыва пузырьков пара, кипение в условиях вынужденного течения жидкости, турбулизация и закрутка потока и др. Интенсифицировать теплообмен при кипении можно и путем введения в теплоноситель различных добавок в виде твердых, жидких и газообразных веществ (наночастиц, поверхностно-активных веществ, высокомолекулярных соединений и др.) [15-21].
Принципиально иной подход решения задачи интенсификации теплоотдачи к жидкому теплоносителю связан с введением в него нерастворимой низкокипящей жидкости и образованием из полученной смеси эмульсии, причем внутренней, дисперсной фазой эмульсии, является вводимая добавка. Режим конвективного теплообмена у таких эмульсий мало отличается от аналогичного режима дисперсионной среды. При пузырьковом кипении проявляется ряд особенностей: высокие перегревы капелек дисперсной фазы, широкие, по сравнению с однокомпонентными жидкостями, интервалы пузырькового кипения,
6
высокие значения коэффициента теплоотдачи от нагревателя к эмульсии при температурах ниже температуры кипения дисперсионной среды. На характер теплообмена при кипении эмульсии оказывает влияние концентрация и размер капелек дисперсной фазы.
С развитием новых технологий, в различных областях техники наблюдается миниатюризация теплообменных устройств с малыми каналами (мини и микро размеров) для подвода или отвода теплоты [18-29]. Использование эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой в качестве теплоносителя в таких устройствах может оказаться эффективным способом охлаждения теплонапряженных элементов.
Степень разработанности темы исследования. На сегодняшний день достаточно хорошо изучен предельный случай взрывного вскипания жидкости, возникающий при температурах близких к температурам предельного перегрева [30-33]. Недостаточно изучен механизм взрывного вскипания жидкости при ее малых перегревах, когда лавинообразно активируются готовые центры кипения. Выявления механизмов активации центров гетерогенной природы остается важной задачей физики кипения.
Теплообмен при кипении эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой исследован в ряде работ [34-39]. В этих работах отмечаются особенности кипения эмульсий на различных поверхностях нагрева. В работах [40-41] численно моделируется процесс пузырькового кипения эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой. Недостаток модели состоит в том, что ее трудно реализовать, так как она требует больших вычислительных затрат и содержит много упрощающих допущений. При построении модели пузырькового кипения эмульсий основной проблемой является выявление закономерностей зародышеобразования как на теплоотдающей поверхности, так и тепловом пограничном слое. Для этого необходима визуализация процесса пузырькового кипения с применением скоростной видеосъемки, что в эмульсиях затруднено из- за их непрозрачности.

7
Для выявления механизма взрывного вскипания капелек эмульсии на низкотемпературных центрах кипения и практического применения этого способа интенсификации теплообмена, необходимо подобрать жидкости пригодные в качестве добавок, определить интервалы концентраций и температур, в которых проявляется эффект интенсификации теплоотдачи. Также актуально получить в эксперименте характеристики теплообмена и структуры режимов двухфазного потока при кипении в условиях вынужденного течения эмульсий в миниканале. Решению этих взаимосвязанных задач посвящена настоящая работа.
Цель работы
Экспериментальные исследования взрывного вскипания диспергированной жидкости на низкотемпературных центрах кипения и теплоотдачи к эмульсиям с низкокипящей дисперсной фазой при их кипении в условиях свободной конвекции и в вынужденном потоке в миниканале. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
1. Создать экспериментальные установки для регистрации взрывного вскипания
капелек жидкости на низко- и высокотемпературных центрах кипения, установки для исследования теплоотдачи к эмульсиям с низкокипящей дисперсной фазой.
2. Экспериментально в широком интервале температур и концентраций исследовать теплоотдачу к эмульсиям.
3. Разработать методику визуализации процесса пузырькового кипения эмульсий с применением скоростной видеосъемки.
4. Разработать модель пузырькового кипения эмульсий и получить расчетные соотношения для коэффициента теплоотдачи и плотности теплового потока.
5. Создать экспериментальные установки для визуализации структуры
двухфазного потока и синхронного измерения пульсаций давления в потоке, температуры стенки и температуры исследуемой жидкости на входе и двухфазного потока на выходе из миниканала.

8
6. Экспериментально исследовать теплообмен при кипении эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой в миниканале. Визуализировать режимы течения двухфазного потока.
Научная новизна
1. Исследовано взрывное вскипание перегретых капелек жидкости на низко- и высокотемпературных центрах кипения. Показано, что зависимость импульсов давления, возникающие при взрывном вскипании капелек перегретой жидкости, подчиняется закономерностям теории точечного взрыва. Экспериментально доказана возможность цепной активации низкотемпературных центров кипения, предложен механизм цепного зародышеобразования.
2. Впервые, экспериментально исследован теплообмен при кипении ряда теплоносителей, представляющих собой эмульсии с низкокипящей дисперсной фазой. Определены режимы теплообмена, при которых коэффициент теплоотдачи в 1.2 – 4 раза превышает значения, наблюдаемые в чистых жидкостях. Впервые с применением скоростной видеосъемки визуализирован процесс пузырькового кипения эмульсий. Предложены способы управления интенсивностью теплоотдачи при пузырьковом кипении эмульсий.
3. Предложена модель пузырькового кипения эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой. Получены расчетные формулы для определения коэффициента теплоотдачи и плотности теплового потока.
4. Получены новые экспериментальные данные о характеристиках теплообмена и режимах течения двухфазного потока при кипении эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой в миниканале круглого сечения с внутренним диаметром 1.1 мм. Исследован механизм возникновения нестабильности двухфазного потока. Выявлены режимы течения двухфазного потока, при которых коэффициент теплоотдачи к эмульсиям н-пентан/вода и фреон-11/вода на 25 % выше, чем к воде. Показано, что при кипении только капелек дисперсной фазы эмульсии в

9
широком диапазоне тепловых нагрузок отсутствует нестабильность двухфазного потока.
Научная и практическая значимость
Полученные результаты развивают представления о механизме взрывного вскипания перегретых капелек жидкости на низкотемпературных центрах кипения. Предложен способ интенсификации теплообмена за счет кипения капелек низкокипящей жидкости, который позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи и расширить температурный интервал высокоэффективного пузырькового кипения. Предложены способы управления числом центров кипения за счет введения в эмульсию различных добавок (ПАВ, активированный уголь, цеолиты и др.). Получены расчетные соотношения, позволяющие определить как плотность теплового потока, так и температурный напор при кипении эмульсий с низкокипящей дисперсной фазой. Результаты исследований характеристик теплообмена и режимов течения двухфазного потока при кипении эмульсий в миниканале могут быть использованы при проектировании компактных теплообменных устройств.
Методология и методы исследования
В работе использовались экспериментальные методы исследования теплообмена при кипении жидкостей; метод перегрева капелек одной жидкости в другой жидкой среде, нагрев электрическим током платиновой проволоки, внешней стенки трубы и миниканала. Для визуализации применялся микроскоп Альтами СМ II с увеличением до 200 крат и скоростная видеокамера Fasvideo-250 (до 5000 кадров в секунду). Экспериментальные данные обрабатывались методом наименьших квадратов и представлялись в виде критериальных уравнений.
Положения, выносимые на защиту
1. Взрывное вскипание перегретой капельки эмульсии на низкотемпературном центре кипения способствует активации нескольких соседних центров кипения. Движущей силой цепной активации центров кипения являются импульсы давления, возникающие при взрывном вскипании капелек.

10
2. Коэффициент теплоотдачи к эмульсии в 1.2 – 4 раза превышает значения, полученные для чистой дисперсионной среды. В кипящей эмульсии существенно расширяется температурный интервал пузырькового кипения, который в отдельных случаях превышает 150 0С. Вскипанию капелек дисперсной фазы эмульсии всегда предшествует ее перегрев выше температуры насыщенных паров жидкости, образующих дисперсную фазу.
3. Интенсивность теплоотдачи к эмульсии зависит от размера капелек дисперсной фазы и концентрации эмульсии. Путем введения в эмульсию адсорбентов можно управлять числом центров кипения, а, следовательно, интенсивностью теплоотдачи. Капельки дисперсной фазы эмульсии взрывообразно вскипают в тепловом пограничном слое, что приводит к изменению тепловой и гидродинамической обстановке у поверхности нагрева и к интенсивности теплоотдачи.
4. В рамках модели пузырькового кипения эмульсий получены уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи с учетом влияния на интенсивность теплоотдачи дисперсионного состава эмульсии.
5. Кипение капелек дисперсной фазы эмульсии в миниканале увеличивает коэффициента теплоотдачи на 25 % по сравнению с дисперсионной средой. Нестабильность двухфазного потока проявляется при совместном кипении дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Степень достоверности
Достоверность полученных данных подтверждается современными
методами исследования, оценкой погрешностей экспериментов, сравнением полученных экспериментальных данных с результатами других исследований, использованием апробированных методик и средств измерения, воспроизводимостью экспериментальных данных. Научные положения и выводы подкреплены экспериментальными данными и теоретическими выкладками.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены на Российских и Международных конференциях, симпозиумах, совещаниях и т.д.: 1 – 7

11
Российская национальная конференция по теплообмену, г. Москва, 1994, 1998, 2002, 2006, 2010, 2014, 2018 гг., Минский международный форум по тепло- и массобмену, г. Минск, 1996, 2004, 2012, 2016 гг., World Congress on Emulsions, Lyon, France, 2010, Школа-семинар под руководством академика А.И. Леонтьева, г. С.-Петербург, 2001 г., г. Рыбинск, 2003 г., г. Калуга, 2005 г., Международный симпозиум по энергетике, окружающей среде и экономике, г. Казань 1998 г., Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, диагностика, экология, г. Казань, 2001, 2008, 2009 гг., Метастабильные состояния и флуктуационные явления, г. Екатеринбург, 2007, 2017 гг., Современные проблемы термодинамики и теплофизики, г. Новосибирск, 2009 г., Сибирский теплофизический семинар, г. Новосибирск, 2014 г., Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике, г. Екатеринбург, 2013 г.
Результаты, представленные в диссертации, включались в перечень важнейших достижений ИТФ УрО РАН (2013 и 2018 г.)