Факторы интенсификации кипения в двухфазных системах терморегулирования

Abstract

Работа посвящена экспериментальному и теоретическому решению важной научно-технической задачи интенсификации теплообмена в микроструктурных элементах систем терморегулирования с целью повышения их теплотехнической эффективности, надежности, уменьшения массы и габаритов. Рассмотрены основные структурные характеристики капиллярно-пористых тел, такие как эффективная пористость, кривая распределения пор по радиусу, проницаемость и т.д. Определены основные механизмы переноса массы вещества в пористой среде. Выполнен анализ особенностей модельных представлений для процессов кипения жидкости на пористых и на развитых поверхностях теплообмена и обоснованы физические факторы, позволяющие обеспечить высокие тепловые потоки при малых разностях температур. Реализованный комплекс экспериментальных и расчётных исследований характеристик процессов двухфазного теплообмена при кипении в микроканальных тонкопленочных испарителях позволил определить специфику влияния структуры поверхности на интенсивность процесса теплоотдачи, установлены зависимости их теплопередающей способности от формы поперечных сечений и соотношений между глубиной и шириной прямоугольных микроканалов. Проведён теоретический анализ особенностей гидродинамических и теплообменных процессов, протекающих в микроструктурах, продемонстрировавший возможности интенсификации теплообмена при кипении путём оптимизации теплотехнических характеристик микроструктуры и использования гибридных микроструктур различной пористости. Установлено, что процесс теплообмена при испарении и кипении жидкостей в капиллярно-пористых телах и на развитых поверхностях, покрытых сетью капиллярных каналов, обладает рядом особенностей по сравнению с кипением жидкости в большом объеме над гладкой поверхностью, а также в каналах и трубах с гладкими стенками. Пористая структура и капиллярные канавки интенсифицируют процесс теплообмена в широком диапазоне тепловых потоков и позволяют производить плавный переход от режима испарения к режиму кипения. Процесс наступления кризиса кипения сглаживается, при этом кривая кипения не имеет ярко выраженных максимумов. Покрытие пористыми структурами или микроканалами поверхности теплообмена с целью интенсификации процесса особенно эффективно для криогенных жидкостей (гелий, водород и т. д.), а также в низкотемпературных тепловых трубах и термосифонах.