Ученые выяснили, как кипит жидкость в космосе. Оказалось, что в невесомости пузырьки, образующиеся при кипении на поверхности нагревателя, растут продолжительное время (более 9 секунд) и достигают нескольких сантиметров в диаметре, но не всплывают. На Земле, напротив, пузырьки формируются, отделяются от стенок и всплывают. Из-за того, что механизмы кипения в невесомости ранее были недостаточно исследованы, в космосе для охлаждения техники не использовались наиболее эффективные двухфазные системы отвода тепла, где основную работу выполняет процесс фазового перехода хладагента из жидкого состояния в пар. Новые данные, а также разрабатываемая авторами аналитическая модель кипения будут полезны при создании современных систем охлаждения электрических приборов на МКС и других космических станциях и аппаратах. Результаты исследования, поддержанногоexternal link, opens in a new tab грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журналах Physics of Fluidsexternal link, opens in a new tab и Applied Thermal Engineeringexternal link, opens in a new tab.
Чтобы отводить тепло от приборов и избегать их перегрева, на космических аппаратах, как правило, используются однофазные системы охлаждения. По прилегающим к устройствам трубкам пускается жидкость (преимущественно вода, аммиак или этиленгликоль), которая забирает тепло за счет собственной теплоемкости, то есть потому, что теплоноситель нагревается, охлаждая прибор. На Земле же используются двухфазные системы, где вещество существует и в виде жидкости, и в виде пара. В них применяется эффект испарения охлаждающей жидкости, например, воды, циркулирующей внутри системы. Жидкость переходит в пар, забирая большое количество тепла, после чего конденсируется в другой части устройства. Такие системы более эффективны, чем используемые в настоящее время в космосе. Однако для того, чтобы внедрить их, например, на Международной космической станции (МКС), необходимо понять, как именно происходит кипение жидкости в невесомости.
Ученые из Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе (Новосибирск) и Новосибирского государственного университета (Новосибирск) с коллегами провели эксперимент и разработалиexternal link, opens in a new tab численную модель, объясняющую, как кипит жидкость в невесомости. Изначально авторы рассмотрели, как растут пузыри в жидкости при температуре насыщения (кипения), а затем дополнилиexternal link, opens in a new tab исследование, пояснив, как происходит кипение при недогреве, то есть когда температура жидкости на несколько градусов ниже температуры насыщения.
Ученые провели испытание на МКС, снизу нагревая перфторгексан — особую жидкость для охлаждения электронных компонентов — в закрытом контейнере, оснащенном высокоскоростными камерами и другими сенсорами. Предварительно перфторгексан дегазировали, чтобы как можно точнее исследовать процесс кипения. Перфторгексан удобен для исследования, поскольку его температура кипения составляет всего 56°С.
Оказалось, что без гравитации пузырьки пара не поднимаются вверх, а растут на нагревателе и не отрываются. При этом под каждым пузырьком образуется «сухое пятно» — участок, откуда не отводится тепло. Это создает риск перегрева для электроники, а значит, для безопасности работы приборов в космосе нужно удалять такие пузырьки с поверхности.
Также ученые посчитали, где и насколько интенсивно отводится тепло от пузырька, и выяснили, что максимальной теплоотдача оказывается там, где пузырек касается поверхности стенки нагревателя. Авторы разбили зоны испарения на несколько областей, определили их размеры и оценили, насколько эффективно в них отводится тепло. Оказалось, что самая маленькая по размеру область — линия контакта со стенкой — отводит больше всего тепла.
Экспериментальная установка: внутренности контейнера, установленного на МКСФедор РоньшинВ условиях недогрева перфторгексана исследователи обнаружили необычный эффект: образующийся пузырек не конденсировался в более холодной, недогретой жидкости и его размер был больше, чем предсказывала численная модель. Причина этого эффекта в том, что, несмотря на тщательную предварительную дегазацию, в жидкости осталось около 1% растворенных газов, которые не конденсируются. С учетом этого авторы модифицировали модель. С ее помощью ученые определили, что термокапиллярная конвекция — движение жидкости из-за разницы сил поверхностного натяжения, вызванной разностью температур, — стимулирует движение жидкости от нагреваемой стенки к вершине пузыря, что делает теплообмен еще более интенсивным. Таким образом, при проектировании систем охлаждения инженеры должны уделять большее внимание растворенным в жидкости газам, из-за которых пузырьки сохраняются даже в более холодном слое перфторгексана.
«В дальнейшем мы планируем переходить к более сложным случаям — большим тепловым потокам и недогреву жидкостей, — а также продолжим исследовать влияние неконденсирующихся газов на процесс кипения. В настоящее время нет моделей, описывающих влияние недогрева и неконденсирующихся газов на процесс кипения. Их создание позволит прогнозировать эффективность систем охлаждения и рассчитать, сколько тепла они способны отвести. Также мы изучим, как меняется контактный угол при кипении. Этот угол определяет, как пузырек касается поверхности и как на него влияет испарение. Поскольку отводить тепло эффективнее в области контактной линии, изменение контактного угла при кипении также важно учитывать для проектирования охлаждающих систем», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Федор Роньшин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории энергоэффективных технологий для наземных и космических применений Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе.
В исследовании также принимали участие ученые из Брюссельского свободного университета (Бельгия), Университета Экс-Марсель (Франция) и Тулузского Института механики жидкости (Франция).
Научная группа RUBI на конференции по теплообмену в г. Кейптаун, ЮАРФедор Роньшин