ВОЗМОЖНОСТИ СУБМИЛЛИМЕТРОВОЙ СОНОГАЛЬВАНОПЛАСТИКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

УДК [544.4:546](075.6)

Ловцова Л.Г.

Кандидат технических наук, Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И.Вавилова

ВОЗМОЖНОСТИ СУБМИЛЛИМЕТРОВОЙ СОНОГАЛЬВАНОПЛАСТИКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Аннотация

В статье рассмотрено – возможности создания искусственной шероховатости с элементами рельефа субмиллиметровых размеров на поверхности металлических пластин-матриц с перспективами технических решений повышения эффективности технологических кипятильников и испарителей.

Ключевые слова: соногальванопластика, теплообмен, субмиллиметровые размеры, кипение и испарение жидкостей.

Lovtsova L.G.

PhD in Engineering, Saratov State Agrarian University named after N.I. Vavilov

FEATURES OF SUBMILLIMETRIC SONOGALVANOPLASTIKA TO CREATE HIGH HEAT EXCHANGE SURFACE

Abstract

The article considers the possibility of creating an artificial roughness elements of the relief on the surface of sub-millimeter sizes of metal plates matrices with the prospects of technical solutions to increase the efficiency of technological boilers and evaporators.

Keywords:  sonogalvanoplastika, heat transfer , sub-millimeter sizes, boiling and evaporating liquids.

С помощью соногальванопластики (стимулированного ультразвуком электрохимического осаждения металлов) можно создавать искусственную шероховатость с элементами рельефа субмиллиметровых размеров на поверхности металлических пластин-матриц. Поскольку субмиллиметровые размеры выступов отвечают толщине слоя Прандля в жидкостях, то субмиллиметровая соногальванопластика может быть использована для создания высокоэффективных теплообменных поверхностей.

Кипячение и испарение жидкостей широко используется во всех отраслях народного хозяйства, поэтому интенсификация этих процессов представляет большой практический интерес.

Одним из возможных технических решений является при этом создание на металлических поверхностях нагревательных элементов искусственной шероховатости, которая при субмиллиметровых размерах выступов нарушает целостность пограничного динамического слоя в натекающем потоке жидкости и вызывает ее  локальные завихрения с усилением теплообмена. Показано, что решающим фактором влияния на теплообмен является отношение высоты выступов h к расстоянию между ними S (h/S), а также параметры искусственной шероховатости, тогда как форма и размеры поперечного сечения выступов играют второстепенную роль [1].

Вместе с тем, влияние искусственной шероховатости на теплообмен в режимах свободной естественной конвекции и пузырькового кипения, насколько нам известно, ранее не изучалось.

Нами был рассмотрен процесс кипячения воды нагревателем, на поверхности которого создана искусственная шероховатость в виде большого количества цилиндрических столбиков субмиллиметровых размеров [2]. В одном из вариантов этого метода на поверхность нагревательного элемента наносится медный подслой и цинковое покрытие с толщиной порядка h=0,1 – 1 мм, в котором через защитный слой лака выполняются цилиндрические отверстия диаметром 2r₀=0,3–0,5 мм, таким образом, что они образуют правильную пространственную решетку, элементарная ячейка которой представляет собой квадрат из четырех отверстий, расположенных на расстоянии S друг от друга. Затем производится ультразвуковое электроосаждение меди в каналы отверстий и, после снятия защитного лака, селективное растворение цинка в крепкой щелочи. При этом на поверхности образуются элементы шероховатости в виде цилиндрических «столбиков» на медном подслое и в финишной обработке вся поверхность покрывается никелем или серебром с помощью химического никелирования или серебрения.

Проведено математическое моделирование нагрева воды в рамках теплообмена естественной свободной конвекции и развитого пузырькового кипения [3].

Показано, что в общий средний теплообмен естественной конвекции  при h/S=0 (гладкая поверхность) равен 2640 Вт/(м²·К). С ростом величины h/S происходит увеличение  по некоторому параболическому закону [4].

Рассмотрение в режиме пузырькового кипения показало, что при больших искусственных шероховатостях h/s=2 и пороговой интенсивности теплового потока, мы имеем наиболее облегченное выделение пузырьков пара на элементах шероховатости поверхности нагревателя, обеспечивающих эффективную толщину жидкостных прослоек, в которых идет передача тепла посредством теплопроводности, до 4,2·1^-6 м. Напротив, при критической интенсивности и всех шероховатостях наблюдается затрудненность теплообмена, при увеличении эффективной толщины жидкостной прослойки до 17,1∙10-6 м, что можно связать с блокировкой углублений поверхности крупными паровыми пузырьками.

При малых шероховатостях h/s=0-0,5 происходит закономерное снижение коэффициента теплообмена с интенсивностью тепловыделения вплоть до достижения эффективной толщины жидкостной прослойки диффузии тепла 62,2∙10^-6 м, характерной для гладкой поверхности.

Показано, что коэффициент ускорения кипячения К_У определяется влиянием шероховатости поверхности выделения тепла на процесс естественной конвекции.  Коэффициенты ускорения увеличиваются с h и при h=2мм могут достигать величин К_у=40-60 для h/S=2.  Реальные коэффициенты ускорения должны быть несколько ниже из-за неадиабатичности кипячения.

Таким образом, создание субмиллиметровой шероховатости тепловыделяющей поверхности представляется весьма перспективным техническим решением повышения эффективности технологических кипятильников и испарителей.

Литература

1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.:1977. – 343 с.
2. Фоменко Л.А., Ловцова Л.Г. Теплообмен при нагреве поверхности с искусственной субмиллиметровой шероховатостью // Поверхность. Рентгеновские, синхронные и нейтронные исследования.  №_2. С. 109-112.
3. Ловцова Л.Г. Катодное осаждение меди и выделение водорода в узких формообразующих углублениях и отверстиях в условиях ультразвуковой кавитации для технологии субмиллиметровой гальванопластики и водородной энергетики: дис. канд. тех. наук. – Саратов, 2011. – С. 62.
4. Ловцова Л.Г., Фоменко Л.А. //Искусственная субмиллиметровая шероховатость для интенсификации теплообменных процессов // в сборнике: Вавиловские чтения-2009. Саратов, 2009. С. 276-277.

References

1. Mikheev M.A., Mikheev I.M. Fundamentals of heat transfer. M.: 1977. - 343 p.
2. Fomenko L.A., Lovtsova L.G. Heat transfer by heating the surface with submillimeter artificial surface roughness //. X-ray, and neutron synchronous study. 2010. №_2. Pp 109-112.
3. Lovtsova L.G. Cathode copper deposition and hydrogen evolution in shaping the narrow recesses and holes in the conditions of ultrasonic cavitation technology submillimeter electroforming and hydrogen energy: dis. cand. those. Sciences. - Saratov, 2011. - S. 62.
4. Lovtsova L.G., Fomenko L.A. // Artificial submillimeter roughness for the intensification of heat exchange processes // In the collection Vavilov Reading 2009. Saratov, 2009. pp 276-277.