Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Разработаны и созданы экспериментальные установки для изучения теплообмена при конденсации на внутренней и наружной поверхности труб методом градиентной теплометрии. Предусмотрена возможность наклона и поворота измерительных участков, что позволило изучить распределение плотности теплового потока и коэффициентов теплоотдачи (КТО) по периметру вертикальных, горизонтальных и наклонных труб с минимальным количеством первичных преобразователей. 2. Экспериментально определены типы, размеры и способ монтажа градиентных датчиков теплового потока (ГДТП) и гетерогенных ГДТП (ГГДТП) в изучении теплообмена при конденсации. 3. Выполнена градуировка ГДТП и ГГДТП на специальном вакуумном стенде. Вольт-ваттная чувствительность ГДТП из монокристаллического висмута составляет 2,65 мВ/Вт. Чувствительность ГГДТП из композиции медь-никель в диапазоне температур от 40 до 100°С составляет от 19,3 до 21,5 мкВ/Вт; композиции сталь-никель меняется в диапазоне от 12 до 17 мкВ/Вт. Суммарная стандартная неопределённость градуировки составляет 67 мкВ/Вт. 4. Изготовлена партия ГГДТП из композиции медь-никель и сталь-никель. Для создания композиций разработана и собрана диффузионная печь, позволяющая сваривать необходимые композиции в среде аргона. 5. Разработано и успешно реализовано два подхода к регистрации сигнала ГДТП и ГГДТП: с помощью модернизированного светолучевого осциллографа и современного аналого-цифрового преобразователя National Instruments. 6. Изучение теплообмена при конденсации на наружной поверхности трубы выполнено с применением ГГДТП из композиции сталь-никель размерами 10 × 10 × 0,3 мм и ГДТП из монокристаллического висмута размерами 2,5 × 10 × 0,3 мм. В ходе экспериментов на вертикальной трубе установлено, что теплообмен при конденсации является нестационарным процессом, что подтверждают пульсации плотности теплового потока, измеренные с помощью ГДТП. При увеличении расстояния от верхнего среза измерительного участка наблюдалось уменьшение местной плотности теплового потока, что объясняется увеличением толщины конденсата. В результате исследований средняя плотность теплового потока при конденсации на вертикальной трубе составила около 133,4 кВт/м^2, средний КТО составил 6,06 кВт/(м^2 ∙ К). Плотность теплового потока при конденсации на наружной поверхности горизонтальной трубы измерена при повороте измерительного участка вокруг собственной оси в диапазоне полярного угла φ = 0…180 ° с шагом в 15°, отсчитываемого от верхней образующей трубы. По результатам исследований на горизонтальной трубе без использования визуализации удалось определить расположение поддонной зоны – между углами φ = 135 … 225°. Средний по периметру горизонтальной трубы КТО составил 5,54 кВт/(м^2 ∙ К). Исследования на наклонной трубе выполнены при отклонении измерительного участка от вертикали в диапазоне угла ψ от 0° до 90°. При наклоне трубы выполнено измерение локальной плотности теплового потока при повороте измерительного участка вокруг собственной оси φ = 0…180 ° с шагом 15°. Эксперименты позволили отследить развитие течения конденсатной плёнки. С увеличением угла наклона ψ течение плёнки усложняется и становится полностью отличным от течения на вертикальной трубе. При отклонении на угол более 60° от вертикали в нижней части трубы наблюдается развитие поддонной зоны и уменьшение средней плотности теплового поток. Наибольшее значение среднего по поверхности трубы КТО достигается при наклоне трубы на угол ψ = 20° и составляет 6,94 кВт / (м^2 ∙ К), превышая значение, полученное на вертикальной трубе, на 14,9%; отличие от КТО на горизонтальной трубе составило 25,3 %. Средний КТО превышает значения, полученные на вертикали, при наклоне трубы на угол ψ в диапазоне от 10 до 30°. При увеличении угла наклона более 40 ° наблюдается уменьшение среднего КТО по сравнению с вертикальным положением трубы. Таким образом, отклоняя трубу от вертикального положения, можно интенсифицировать теплообмен при конденсации. Интенсификация вызвана изменением в течении конденсатной плёнки. При малых углах ψ заметного разделения на основную и поддонную зоны не происходит, что соответствует практически равномерному распределению плёнки по поверхности. На значительной части поверхности толщина плёнки уменьшается, и теплообмен интенсифицируется. 7. Выполнены эксперименты по изучению теплообмена при конденсации на внутренней поверхности трубы с помощью ГГДТП из композиции сталь-никель размерами 10 × 3 × 0,3 мм. В результате исследований средняя плотность теплового потока при конденсации на внутренней поверхности вертикальной трубы составила около 96,2 кВт/м^2. Построены графики спектральной плотности мощности для отдельных ГГДТП. Выполнены исследования при отклонении измерительного участка от вертикального положения в диапазоне угла ψ от 0° до 90°. При наклоне трубы выполнено измерение локальной плотности теплового потока при повороте измерительного участка вокруг собственной оси на угол φ = 0…180 ° с шагом в 15°. Оценены распределения местных значений КТО по периметру трубы. Полученные распределения позволяют без применения визуализации определить области скопления конденсата. Максимум усредненной плотности теплового потока при конденсации на внутренней поверхности трубы достигается при наклоне трубы на 60° от вертикали. Средняя плотность теплового потока при конденсации внутри наклонной трубы превышает значение, полученное на вертикальной трубе, при наклоне измерительного участка на угол более 45°.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Цель исследований, выполняемых в рамках Проекта в 2023 году, заключалась в применении к изучению теплообмена при конденсации уникальной комплексной методики, сочетающей возможности градиентной теплометрии, термометрии и визуализации течения. Комплексный подход позволил в ходе единого эксперимента измерить значение местной плотности теплового потока при конденсации с помощью градиентных датчиков теплового потока, измерить местную температуры с помощью термопар и производить наблюдение за течением конденсата. Предложенный подход существенно повысил информативность экспериментов, позволил объяснить пульсации плотности теплового потока и повысить точность расчёта местных коэффициентов теплоотдачи. 1. Выполнены эксперименты по изучению теплообмена при конденсации на поверхности пластины в капельно-ручейковом и пленочном режимах с применением разработанной комплексной методики. 1.1. Средняя плотность теплового потока при конденсации на поверхности вертикальной пластины при капельно-ручейковом режиме составила 42,4 кВт/м^2, средний коэффициент теплоотдачи – 2,8 кВт/(К*м^2). 1.2. Средняя плотность теплового потока при пленочной конденсации составила 95 кВт/м^2, средний коэффициент теплоотдачи – 4,3 кВт/(К*м^2). 1.3. Выполнены эксперименты при отклонении пластины от вертикали на азимутальный угол в диапазоне 0…90° с шагом 10°. При отклонении пластины от вертикали наблюдается монотонное снижение средней плотности теплового потока от 95 кВт/м^2 до 63 кВт/м^2, что связано с увеличением толщины конденсатной пленки на поверхности. Обнаружено снижение коэффициента теплоотдачи от 4,3 кВт/(К*м^2) на вертикальной пластине до 2,7 кВт/(К*м^2) на горизонтальной. Оптимальным по плотности теплового потока при конденсации является вертикальное положение пластины. 2. Выполнены эксперименты по изучению теплообмена при конденсации на поверхности одиночной трубы с применением разработанной комплексной методики. 2.1. Выполнены эксперименты при варьировании расхода насыщенного водяного пара в диапазоне от 0,55 до 2,2 г/с. При подводе в измерительный участок насыщенного водяного пара с массовым расходом 0,55 г/с и расходе охлаждающей воды 100 г/с на расстоянии 45 мм от верхнего среза трубы формируется ламинарно-волновой режим течения конденсата, средняя плотность теплового потока составляет 130,1 кВт/м^2. На расстоянии 150 мм развивается капельно-ручейковый режим, плотность теплового потока составляет 79,6 кВт/м^2. На расстоянии 375 мм от верхнего среза измерительного участка конденсация отсутствует, плотность теплового потока составляет 7,5 кВт/м^2. При подводе в измерительный участок насыщенного водяного пара с массовым расходом 2,2 г/с на удалениях от верхнего среза трубы 45 мм и 150 мм развивается ламинарно-волновой режим течения конденсата, средняя плотность теплового потока составляет 153 кВт/м^2 и 140,5 кВт/м^2, соответственно. На расстоянии 375 мм от верхнего среза измерительного участка формируется капельно-ручейковый режим конденсации, плотность теплового потока составляет 91,5 кВт/м^2. 2.2. Выполнены эксперименты по определению оптимального угла наклона одиночной трубы. В ходе экспериментов подтверждено, что отклонение трубы от вертикали позволяет интенсифицировать теплообмен при конденсации. Повышение плотности теплового потока при этом обусловлено изменениями в характере течения конденсатной пленки. При подводе в экспериментальный участок насыщенного водяного пара с расходом до 0,55 г/с оптимальной оказывается вертикальная ориентация теплообменной поверхности, при этом средний коэффициент теплоотдачи составляет 2,3 кВт/(К*м^2). При подводе насыщенного водяного пара с расходом 1,1 г/с наибольшее значение среднего по поверхности коэффициента теплоотдачи достигается при наклоне трубы на 20° и составляет 6,7 кВт/(К*м^2), значение, полученное на вертикальной трубе – 5,8 кВт/(К*м^2). При увеличении расхода пара до 1,65 г/с оптимум смещается в сторону 30° от вертикали: средний коэффициент теплоотдачи составляет 8,1 кВт/(К*м^2), значение, полученное на вертикальной трубе – 6,9 кВт/(К*м^2). При увеличении массового расхода пара до 2,2 г/с оптимальной ориентацией является отклонение трубы на угол 30° от вертикали. 2.3. Выполнена серия экспериментов при подводе в измерительный участок паровоздушной смеси. Массовый расход пара составлял 2,2 г/с, расход воздуха варьировался от 0 до 0,35 г/с (содержание воздуха в смеси не превышало 15%). Зарегистрировано уменьшение местной плотности теплового потока при подмешивании воздуха в пар. При подводе в измерительный участок паровоздушной смеси с массовой долей воздуха в смеси 0,05 по показаниям градиентных датчиков теплового потока наблюдается снижение местной плотности теплового потока на 13% по сравнению с результатом, полученным при конденсации чистого водяного пара. При увеличении массовой доли воздуха в смеси до 0,06 наблюдается уменьшение средней плотности теплового потока на 15 %. Увеличение массовой доли воздуха в смеси до 0,1 привело к уменьшению средней плотности теплового потока на 20% по сравнению с конденсацией чистого водяного пара. 3. Выполнены эксперименты по изучению теплообмена при конденсации на поверхности пучка трубы с применением разработанной комплексной методики. Подтверждено, что на вертикальном пучке конденсация на каждой трубе происходит одинаково и независимо: перетекания и слияния конденсатных плёнок не наблюдается. Средняя плотность теплового потока на поверхности центральной в пучке трубы составляет 141,7 кВт/м^2 на расстоянии 130 мм от верхнего среза измерительного участка; при увеличении расстояния до 240 мм практически не меняется – 142,5 кВт/м^2 и заметно снижается при увеличении расстояния до 350 мм – 75,0 кВт/м^2. При отклонении трубного пучка на 45° от вертикали натекания конденсата с вышерасположенных труб не происходит. Средняя плотность теплового потока на поверхности центральной в пучке трубы составляет 147,8 кВт/м^2 на расстоянии 130 мм от верхнего среза измерительного участка; 145,7 кВт/м^2 на расстоянии 240 мм; 95,0 кВт/м^2 на расстоянии 350 мм. При горизонтальной ориентации системы труб обнаружен и изучен эффект натекания конденсата с вышерасположенных труб. При стекании конденсата с верхней трубы на центральную наблюдается повышение местной плотности теплового потока на верхней образующей (при азимутальном угле φ = 0°) от 130 кВт/м^2 до 150 кВт/м^2. На нижней образующей центральной трубы (при повороте центральной трубы на азимутальный угол φ = 180°) наблюдается отрыв конденсата от поверхности с частотой около 0,9 Гц. При отрыве капли от поверхности наблюдается интенсификация теплообмена – местная плотность теплового потока от 128 кВт/м^2 возрастает до 160 кВт/м^2. Средняя плотность теплового потока при конденсации на поверхности центральной трубы, входящей в трубный пучок, составила 153 кВт/м^2. 4. Определены недостатки современной методики теплового расчёта теплообменников и конденсаторов ТЭС и АЭС. Сформулированы рекомендации по совершенствованию подхода.