Исследователи 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 Международной космической станции и других станциях и аппаратах. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журналах Physics of Fluids и Applied Thermal Engineering.

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 теплоёмкости, 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.

Сотрудники Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе РАН (Новосибирск) и Новосибирского государственного университета с коллегами провели эксперимент и разработали численную модель, объясняющую, как кипит жидкость в невесомости. Изначально авторы рассмотрели, как растут пузыри в жидкости при температуре насыщения (кипения), а затем дополнили исследование, пояснив, как происходит кипение при недогреве, то есть когда температура жидкости на несколько градусов ниже температуры насыщения.

Учёные провели испытание на МКС, нагревая снизу перфторгексан — особую жидкость для охлаждения электронных компонентов — в закрытом контейнере, оснащённом 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 исследователи 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.

В 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 % растворённых газов, которые не конденсируются. С учётом этого авторы модифицировали модель. С её помощью они 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 ещё 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, Фёдор Роньшин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории энергоэффективных технологий для наземных и космических применений Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе РАН.

В исследовании также принимали участие ученые из Брюссельского свободного университета (Бельгия), Университета Экс-Марсель и Тулузского Института механики жидкости (Франция).

Источник: пресс-служба РНФ.