Покрытия из природных материалов для охлаждения элементов энергооборудования

Проведены исследования зависимости теплопередачи систем охлаждения с покрытиями из природных материалов от параметров детонационного факела термоинструмента и теплофизических свойств природных материалов. Определены условия для создания камер сгорания, сопел, термоинструмента и принципы напыления материала на поверхность нагрева. Зарегистрировано явление спиновой детонации факела при коэффициенте избытка окислителя меньше единицы, процесс напыления интенсифицировался от 2 до 6 раз. Покрытия показали высокую надежность по сравнению с другими форсированными системами. Максимальный удельный тепловый поток на покрытии составил (2…15)?106 Вт/м2, а частота колебания — 200 Гц. Зафиксировано положение факела к поверхности воздействия (структура, пятно торможения, расстояние горелки до покрытия) для режима плавления и без него. Диапазон перегрева покрытия составил 20…75 К. Путем моделирования и эксперимента определены термодинамические характеристики кислородно-керосиновых термоинструментов для генерации сверхзвуковых высокотемпературных детонационных факелов при напылении покрытий из природных материалов. Получен гранулометрический состав материалов, подобраны гидродинамические режимы работы горелок (способ сжигания топлива, длина и угол наклона струи). Установлены время полета частиц, оптимальная толщина покрытий, диаметр порошка, предельные напряжения сжатия и растяжения покрытия. Получены зависимости перемещений в покрытиях при тепловом воздействии, что важно для диагностики и прогнозирования установок и продления их ресурса.
EDN: JTRJRH, https://elibrary/jtrjrh

Литература

[1] Polyaev V.M., Kichatov B.V. Boiling of a liquid on surfaces with porous coatings. J. Eng. Phys. Thermophys., 2000, vol. 73, no. 2, pp. 253–258, doi: https://doi.org/10.1007/BF02681726

[2] Polyaev V.M., Zhdanov V.M., Kichatov B.V. Study of the operation of a gas-liquid atomizer with a porous mixing element. J. Eng. Phys. Thermophys., 2000, vol. 73, no. 3, pp. 465–469, doi: https://doi.org/10.1007/BF02681785

[3] Alim Khan S., Sezer N., Koç M. Design, fabrication and nucleate pool-boiling heat transfer performance of hybrid micro-nano scale 2-D modulated porous surfaces. Appl. Therm. Eng., 2019, vol. 153, pp. 168–180, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.02.133

[4] Wang W., Gao J., Shi X. et al. Cooling performance analysis of steam cooled gas turbine nozzle guide vane. Int. J. Heat Mass Transf., 2013, vol. 62, pp. 668–679, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.02.080

[5] Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю., Шалгинский А.Я. Исследование наноразмерных и микромасштабных структурированных поверхностей охлаждения теплоэнергоустановок. Надежность и безопасность энергетики, 2022, т. 15, № 1, с. 38–44, doi: https://doi.org/10.24223/1999-5555-2022-15-1-38-44

[6] Wang W. Efficiency study of a gas turbine guide vane with a newly designed combined cooling structure. Int. J. Heat Mass Transf., 2015, vol. 80, pp. 217–226, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.09.024

[7] Yang X., Liu Z., Liu Z. et al. Turbine platform phantom cooling from airfoil film coolant, with purge flow. Int. J. Heat Mass Transf., 2019, vol. 140, pp. 25–40, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.05.109

[8] Moon S.W., Kwon H.M., Kim T.S. et at. A novel coolant cooling method for enhancing the performance of the gas turbine combined cycle. Energy, 2018, vol. 160, pp. 625–634, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.035

[9] Boubaker R., Platel V. Dynamic model of capillary pumped loop with unsaturated porous wick for terrestrial application. Energy, 2016, vol. 111, pp. 402–413, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.05.102

[10] Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю., Илиев И.К. Пути повышения эффективности охлаждения камер сгорания и сопел ГТУ. Вестник КГЭУ, 2021, т. 13, № 3, с. 114–134.

[11] Lei G., Li W., Wen O. The convective heat transfer of fractal porous media under stress condition. Int. J. Therm. Sci., 2019, vol. 137, pp. 55–63, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.11.017

[12] Polyaev V.M., Genbach A.N., Genbach A.A. Methods of monitoring energy processes, experimental thermal and fluid science, international of thermodynamics. Experimental Heat Transfer and Fluid Mechanics. 7th Int. Conf. on Thermal Equipment, Renewable Energy and Rural Development, 1995, vol. 10, pp. 273–286.

[13] Polyaev V.M., Genbach A.A. Heat transfer in a porous system in the presence of both capillary and gravity forces. Therm. Eng., 1993, vol. 40, no. 7, pp. 551–554.

[14] Поляев В.М., Генбач А.Н., Генбач А.А. Предельные состояния поверхности при термическом воздействии. ТВТ, 1991, т. 29, № 5, с. 923–934.

[15] Polyaev V.M., Genbach A.A. Control of heat transfer in a porous cooling system. Proc. 2nd World Conf. on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics, 1991, pp. 639–644.

[16] Поляев В.М., Генбач А.А., Пчелин А.Л. Термический способ разрушения материала. Вестник МГТУ им. Баумана. Сер. Машиностроение, 1992, № 2, с. 104–110.

[17] Mori S., Okuyama K. Enhancement of the critical heat flux in saturated pool boiling using honeycomb porous media. Int. J. Multiph. Flow, 2009, vol. 35, no. 10, pp. 946–951, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2009.05.003

[18] Mieczyslaw E. Poniewski. Peculiarities of boiling heat transfer on capillary-porous coverings. Int. J. Therm. Sci., 2004, vol. 43, no. 5, pp. 431–442, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2003.10.002

[19] Odagiri K., Nagano H. Investigation on liquid-vapor interface behavior in capillary evaporator for high heat flux loop heat pipe. Int. J. Therm. Sci., 2019, vol. 140, pp. 530–538, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2019.03.008

[20] Ji X., Xu J., Zhao Z. et al. Pool boiling heat transfer on uniform and non-uniform porous coating surfaces. Exp. Therm. Fluid Sci.., 2013, vol. 48, pp. 198–212, doi; https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2013.03.002

[21] Chang Y.H., Ferng Y.M. Experimental investigation on bubble dynamics and boiling heat transfer for saturated pool boiling and comparison data with previous works. App. Therm. Eng., 2019, vol. 154, pp. 284–293, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.03.092

[22] Chuang T.J., Chang Y.H., Ferng Y.M. Investigating effects of heating orientations on nucleate boiling heat transfer, bubble dynamics, and wall heat flux partition boiling model for pool boiling. Appl. Therm. Eng., 2019, vol. 163, art. 114358, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114358

[23] Alam M.S., Prasad L., Gupta S.C. et al. Agarwal. Enhanced boiling of saturated water on copper coated heating tubes. Chem. Eng. Process, 2008, vol. 47, no. 1, pp. 159–167, https://doi.org/10.1016/j.cep.2007.07.021

[24] Li C., Peterson G.P., Wang Y. Evaporation/boiling in thin capillary wicks (l) — wick thickness effects. J. Heat Transfer., 2006, vol. 128, no. 12, pp. 1312–1319, doi: https://doi.org/10.1115/1.2349507

[25] Hanlon M.A., Ma H.B. Evaporation heat transfer in sintered porous media. J. Heat Transfer., 2003, vol. 125, no. 4, pp. 644–652, doi: https://doi.org/10.1115/1.1560145

[26] Chen Li, Peterson G.P. Evaporation/boiling in thin capillary wicks (II) — effects of volumetric porosity and mesh size. J. Heat Transfer., 2006, vol. 128, no. 12, pp. 1320–1328, doi: https://doi.org/10.1115/1.2349508

[27] Das A.K., Das P.K., Saha P. Performance of different structured surfaces in nucleate pool boiling. Appl. Therm. Eng., 2009, vol. 29, no. 17-18, pp. 3643–3653, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2009.06.020

[28] Arik M., Bar-Cohen A., You S.M. Enhancement of pool boiling critical heat flux in dielectric liquids by microporous coatings. Int. J. Heat Mass Transf., 2007, vol. 50, no. 5–6, pp. 997–1009, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.08.005

[29] Sarwar M.S., Jeong Y.H., Chang S.H. Subcooled flow boiling CHF enhancement with porous surface coatings. Int. J. Heat Mass Transf., 2007, vol. 50, no. 17–18, pp. 3649–3657, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.09.011

[30] Forrest E., Williamson E., Buongiorno J. et at. Augmentation of nucleate boiling heat transfer and critical heat flux using nanoparticle thin-film coatings. Int. J. Heat Mass Transf., 2010, vol. 53, no. 1-3, pp. 58–67, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.10.008

[31] Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю., Пиралишвили Ш.А. Кризис теплообмена и предельный перенос энергии в капиллярно-пористых покрытиях энергоустановок. Прикладная физика и математека, 2019, № 5, с. 3–15, doi: https://doi.org/10.25791/pfim.05.2019.921

[32] Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. Москва, Металлургия, 1992. 432 с.

[33] Балдаева Л.Х., ред. Газотермическое напыление. Москва, Маркет ДС, 2007. 344 с.

[34] Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л. и др. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Киев, Наукова думка, 1987. 543 с.

[35] Хасуи А., Моригаки О. Наплавлавка и напыление. Москва, Машиностроение, 1985. 240 с.

[36] Genbach A.A., Bondartsev D.Yu. Limiting thermal state of capillary-porous power-plant components. Russ. Engin. Res., 2020, vol. 40, no. 5, pp. 384–389, doi: https://doi.org/10.3103/S1068798X20050093

[37] Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю. Анализ кризиса теплопередачи в капиллярно-пористой системе охлаждения элементов теплоэнергоустановок. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2019, № 12, с. 21–35, doi: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2019-12-21-35

[38] Поляев В.М., Генбач А.А. Области применения пористой системы. Известия высших учебных заведений. Энергетика, 1991, № 12, с. 97–101.

[39] Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю. Научная методика создания капиллярно-пористых систем охлаждения для элементов теплоэнергооборудования электростанций. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2019, № 3, с. 89–106, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0236-3941-2019-3-89-106

[40] Genbach A.A., Beloev H.I., Bondartsev D.Yu. et al. Boiling crisis in porous structures. Energy, 2022, vol. 259, art. 125076, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.125076

[41] Xie J., Xu J., Liang C. et al. A comprehensive understanding of enhanced condensation heat transfer using phase separation concept. Energy, 2019, vol. 172, pp. 661–674, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.01.134

[42] Ose Y., Kunugi T. Numerical study on subcooled pool boiling. Honolulu, Hawaii, USA. ASME/JSME 8th Thermal Engineering Joint Conf., 2011, paper no. AJTEC2011-44401, T10193, doi: https://doi.org/10.1115/AJTEC2011-44401

[43] Krepper E., Končar B., Egorov Y. CFD Modelling subcooled boiling-concept, validation and application to fuel assembly design. Nucl. Eng. Des., 2007, vol. 237, no. 7, pp. 716–731, doi: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2006.10.023

[44] Jamialahmadi M., Müller-Steinhagen H., Abdollahi H. et al. Experimental and theoretical studies on subcooled flow boiling of pure liquids and multicomponent mixtures. Int. J. Heat Mass Transf., 2008, vol. 51, no. 9–10, pp. 2482–2493, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.07.052

[45] Yu Min, Diallo T.M.O., Zhao X. et al. Analytical study of impact of the wick’s fractal parameters on the heat transfer capacity of a novel micro-channel loop heat pipe. Energy, 2018, vol. 158, pp. 746–759, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.06.075

[46] Li J., Hong F., Xie R. et al. Pore scale simulation of evaporation in a porous wick of a loop heat pipe flat evaporator using Lattice Boltzmann method. Int. Commun. Heat Mass Transf., 2019, vol. 102, pp. 22–33, doi: https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2019.01.008

[47] Chernysheva M.A., Pastukhov V.G., Maydanik Y.F. Analysis of heat exchange in the compensation chamber of a loop heat pipe. Energy, 2013, vol. 55, pp. 253–262, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2013.04.014

[48] Jouhara H., Chauhan A., Nannou T. et al. Heat pipe based systems - advances and applications. Energy, 2017, vol. 128, pp. 729–754, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.04.028

[49] Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулетном пограничном слое. Москва, Энергоатомиздат, 1985. 320 с.

[50] Авдуевский В.С., Кошкин В.К., ред. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. Москва, Машиностроение, 1975. 624 с.