Новый способ повышения эффективности теплообмена при кипении в вакууме для разработки более эффективных и надежных систем двухфазного охлаждения различных устройств разработали ученые Новосибирского государственного университета и Института теплофизики (ИТ) им. С. С. Кутателадзе СО РАН совместно со студентами Механико-математического факультета НГУ, 22 марта сообщает пресс-служба вуза.

Абсорбционные чиллеры и другие системы двухфазного охлаждения в настоящее время широко используются как в науке, так и в повседневной жизни. Например, в ядерных реакторах, теплоэнергетике, высокопроизводительных устройствах микроэлектроники и серверах, в опреснительных системах и так далее.

При функционировании таких систем одной из важнейших задач является поддержание ими стабильной рабочей температуры охлаждаемых ими устройств. Эту задачу решают, например, системы погружного типа охлаждения (immersion cooling), которые поддерживают необходимую температуру за счет отвода излишнего тепла посредством кипения жидкости.

По сравнению с традиционным воздушным охлаждением такие системы обеспечивают более высокую интенсивность теплообмена и стабильность температурного режима за счет постоянного процесса парообразования в процессе кипения.

Однако возникают ситуации, когда требуется более интенсивное охлаждение устройства, например, для уменьшения скорости коррозии теплообменного оборудования, повышения эффективности и экологичности когенерационных электростанций, вырабатывающих одновременно тепло и электричество, снижения энергопотребления в испарителях опреснительных установок.

В этом случае снижения температуры кипения отводящей тепло жидкости можно добиться понижением давления. Этого можно добиться ее вакуумированием. Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИТ СО РАН и лаборатории физико-технических основ энергетики физфака НГУ Антон Суртаев сообщил:

«Одним из основных факторов, препятствующих внедрению технологий, основанных на кипении теплоносителя в вакууме, является заметное снижение интенсивности теплообмена и критических тепловых нагрузок с понижением давления. Например, при понижении давления от атмосферного до давления, при котором вода начинает кипеть при температуре близкой к комнатной, интенсивность теплообмена при кипении может снижаться в несколько раз».

Еще одной проблемой в этом случае становится нестабильность температуры кипения в вакууме, что является крайне нежелательным фактором, например, при охлаждении погружным способом устройств микроэлектроники, уточнил Суртаев.

Для решения этой проблемы новосибирскими учеными был выбран путь управления свойствами смачивания тепловыделяющей поверхности за счет ее микро- и наноструктурирования.

С этой целью ими была разработана и создана бифильная поверхность, то есть соединяющая в себе преимущества гидрофобных и гидрофильных свойств применительно к задаче повышения эффективности кипения.

Исследования новой тепловыделяющей поверхности были проведены с использованием современных высокоскоростных методик — видео- и термографической съемки. В результате было установлено, что при использовании разработанной поверхности до 3,7 раза увеличивается теплообмен при кипении в вакууме по сравнению с обычной поверхностью, а также значительно стабилизируется температурный режим охлаждения.

Студент 3 курса Инженерной школы ММФ НГУ Георгий Патрин, участвующий в исследованиях, пояснил: «Применение бифильной поверхности позволило нам „разбить один большой пузырь на несколько пузырьков поменьше“ и тем самым обеспечить однородность температурного поля поверхности при кипении в вакууме».

Разработка новосибирских ученых будет востребована при создании новых эффективных устройств охлаждения, уверены ее создатели.