Особенности тепломассообмена капель жидкостей при взаимодействии с перегретыми мезоструктурными и наноструктурированными поверхностями

Развитие многих направлений фундаментальной науки и индустриальных приложений требует глубоких и всесторонних исследований процессов тепломассообмена в различных условиях. Особый интерес сегодня вызывают различные системы охлаждения энергетического оборудования (лопатки турбин, суперконденсаторы, литий-ионные и литий-полимерные батареи, другие системы хранения энергии, системы криостабилизации сверхпроводящих магнитов, аварийные режимы работы реакторов и т. п.), микрои папоэлектроника (микрочипы, блоки памяти, блоки обработки видеоинформации и т. д.), оптоэлектроника (полупроводниковые лазеры, мощные светодиоды), мощные серверы в датацентрах («облачные» технологии) и т. д. Среди многих возможных технологий охлаждения в последнее время все большее внимание привлекает старая, но как оказывается вполне эффективная и надежная система струйного охлаждения. При этом возникает необходимость изучения процессов интенсивного теплообмена, поскольку при достаточно больших тепловых потоках всегда возникает наряду с жидкой, и паровая фаза, и развиваются процессы испарения и кипения.

Данная диссертационная работа посвящена изучению тепломассообмена ограниченных объемов жидкости (капель) при их взаимодействии с перегретыми твердыми подложками из различных материалов, включая подложки с мезоскопической и напоструктурной морфологией.

Ранее исследования в указанной области тепломассообмена ограниченных объемов жидкости с перегретыми поверхностями активно исследовались в классических работах отечественных и зарубежных ученых.

Боришанский, Кутателадзе, Стырикович, Лабунцов, Ягов, Крюков,.

Накоряков, Покусаев, Кузма-Кичта, Зейгарник, Ивочкин, Берглес, Мудавар,.

Готтфрид, Эммерсон, Баумайстер и т. д.). Несмотря на результаты, полученные указанными авторами, в последнее время интерес к данным 3 проблемам возник как в связи с возможностью использования новейших методов оптической диагностики (как в видимом, так и в инфракрасном диапазоне длин волн, включая высокоскоростные видеокамеры), появлением новых возможной в измерениях температуры, топографических и гетерофазных свойств поверхности, так и с разработкой технологий изготовления новых поверхностей с мезоскопической и наноструктурированной морфологиями.

Актуальность работы.

Таким образом, взаимодействие капель с поверхностью с учетом тепломассообмена — большая область научных и прикладных разработок и технологий. Наиболее важнейшими приложениями являются:

1. Капельное охлаждение в слаботочной электронике (микрои наноэлектронике) и энергетике.

2. Управление процессами тепломассообмена в химической технологии, энергетике, авиационно-космических технологиях.

3. Интенсификация тепломассообмена в системах хранения и транспортировки энергии (суперконденсаторы, топливные элементы, литий-ионные аккумуляторы).

4. Капельное орошение в условиях интенсивных потоков энергии и.т.п.

5. Критические и аварийные режимы работы энергетического оборудования (взрывное вскипание и т. д.).

6. Корпускулярные мишени в энергетике высоких плотностей энергии.

7. Капельная эрозия нагретой поверхности.

8. Охлаждение изделий в металлургической промышленности в новых режимах.

9. Аварийные режимы в зоне плавления ТВЭЛов.

Данные приложения требуют интенсивного отвода тепла, который наиболее эффективно может быть осуществлен только при испарении жидкости. Во всех случаях происходит взаимодействие холодных капель с сильно разогретыми поверхностями с температурой, намного превышающей температуру кипения жидкости. Такие условия приводят к переходу капель в пленочный режим кипения, что известно как эффект Лейденфроста.

Эффект Лейденфроста — это явление, при котором жидкость в контакте с телом значительно более горячим, чем точка кипения этой жидкости, создаёт изолирующий слой пара, который предохраняет жидкость от быстрого выкипания. Данный эффект является важной технической проблемой из-за очень сильного ограничения теплового потока с перегретой поверхности. Тепловой поток через пленку пара пренебрежимо мал по сравнению с теплотой парообразования жидкости, необходимой для испарения капель и отвода тепла. Поведение, например, одиночных холодных капель, ударяющихся о нагретую поверхность, напрямую определяет эффективность систем распылительного охлаждения, которые в настоящее время являются одними из наиболее эффективных методов охлаждения теплонагруженных поверхностей. Распылительное охлаждение применяется в особых случаях: для охлаждения микроэлектронных приборов, оптоэлектроники, радиологических приборов. Этим обусловлен значительный интерес к исследованию взаимодействия капель с нагретой поверхностью. Экспериментально уже изучалась влияние соударений капель с поверхностью на теплопередачу, распад капель при соударении, а также влияние температуры поверхности на расползание капель. Оказалось, что если температура поверхности достаточно высока, то контактная температура превышает температуру насыщения жидкости. В этом режиме распространение капли по поверхности сопровождается интенсивным испарением и кипением, что приводит к интенсивному теплосъему с поверхности к капле. С другой стороны, при контактной температуре значительно превышающей температуру насыщения жидкости, проявляется эффект Лейденфроста и паровая прослойка значительно понижает тепловой поток. Кроме того, высокое давление в паровом слое ведет к нестабильности капли сопровождающейся разбрызгиванием и формированием облака малых вторичных капель.

Драматическое понижение теплового потока вследствие перехода к пленочному режиму кипения является основной проблемой капельного охлаждения высокотемпературных поверхностей. Один из основных путей повышения теплового потока связан с применением текстурированных подложек, в частности, с различными типами шероховатости, упорядоченными микроструктурами и специальными покрытиями.

Цель исследований и постановка задачи.

Основные цели настоящей работы следующие:

1). Исследование влияния морфологии поверхности (внутренней мезои наноструктур) на основные характеристики тепломассообмена от режима испарения до режима Лейденфроста.

2). Изучение смачиваемости поверхности различных морфологических структур из различных материалов, включая температурные зависимости контактных углов.

3). Определение влияния морфологии и химического состава материалов и рабочих жидкостей на скорость испарения капель на нагретой поверхности.

4). Определение переходов в режиме Лейденфроста между различными подрежимами в зависимости от типа мезоструктурной и наномасштабной морфологии.

5). Определение влияния масштабов поверхности и температурного уровня, а также свойств жидкости на переходные режимы испарения и кипения.

5). Изучение неустойчивых режимов Лейденфроста и их срыва, в частности, в режим взрывного вскипания.

Для достижения поставленных целей решались следующие задачи: 1). Изготовление образцов со сложной морфологией поверхности.

2). Разработка и создание стенда для изучения процессов кипения и смачивания на основе измерительного комплекса ЕазуОгор.

3). Исследование внутренней морфологии образцов при помощи электронной микроскопии.

4). Измерения контактных углов смачивания различных образцов различными жидкостями в широком диапазоне температур.

5). Измерения динамики испарения капель рабочих жидкостей на различных поверхностях в широком диапазоне температур.

6). Визуализация картины испарения на различных по морфологии поверхностях с помощью инфракрасной камеры.

7). Разработка моделей испарения капель на морфологически сложных мезоскопических и наноструктурированных поверхностях и сравнение с полученными экспериментами данными.

Научная новизна работы.

1. Исследованы процессы испарепия и кипения на перегретых мезоскопических подложках для различных жидкостей (вода, этиловый спирт, изооктан). Показано решающее влияние внутренней морфологии мезоструктур и наноструктур на режимы тепломассобмена.

2. Обнаружен эффект срыва режима Лейденфроста на мезоскопических и наноструктурированных подложках и объяснен механизм такого эффекта.

3. Выявлено незначительное влияние смачиваемости различными жидкостями таких поверхностей на режимы тепломассообменаобмена.

4. Предложена теоретическая модель нарушения эффекта Лейденфроста на мезоскопических подложкахпроведены расчеты скорости испарения на подложках с подавленным эффектом Лейденфроста.

5. Обнаружен новый механизм кипения капель на наноструктурированных подложках па основе оксидированного нанопористого алюминия, связанный с быстрым переходом к взрывному вскипаниюпроведено качественное объяснение указанного эффекта.

6. Проведены исследования в инфракрасном диапазоне спектра, позволившие выявить особенности поведения жидких объемов при испарении на перегретых подложках.

7. Экспериментально доказан охлаждающий эффект испарения капель со значительно перегретой поверхности.

Достоверность научных положений, результатов и выводов.

Достоверность научных результатов подтверждается сравнением с результатами других авторов при испарении капель на поверхностях со сложной морфологией, скоростями испарения в режиме Лсйденфроста при сравнении с данными других исследований, согласием результатов расчетных моделей и опытных данных. Полученные данные по контактным углам в исследованных ранее диапазонах температур хорошо согласуются с данными настоящей работы. Достоверность разработанных моделей основана на использовании законов сохранения, основных законах тепломассообмена и сравнением с имеющимися экспериментальными данными. Неустойчивости, обнаруженные в настоящей работе, находят качественное подтверждение в более ранних исследованиях парового взрыва.

Теоретическая значимость исследования состоит в выявлении закономерностей теплообмена капель на перегретых поверхностях и объяснению механизма подавления эффекта Лсйденфроста на них. Основные положения и выводы могут быть использованы при дальнейшем развитии теории тепломассообмена при взаимодействии капель с мезоскопическими и наномасштабными поверхностями, при разработке перспективных поверхностей энергетического оборудования.

Экспериментальная значимость работы. Впервые были изготовлены подложки с покрытиями из микросфер с внутренней мезоструктурой и исследованы режимы испарения и кипения капель на них. Впервые проведены исследования на таких поверхностях различных жидкостей в режимах предваряющих эффект Лейденфроста и срыв эффекта Лейденфроста. Полученные экспериментальные данные позволили построить теоретическую модель взаимодействия капель с такими поверхностями.

Практическая значимость исследования состоит в том, что предложенные текстурированпые и мезоскопические поверхности могут быть использованы для исключения возникновения режима Лейденфроста на капельно-охлаждаемых поверхностях, тем самым, многократно повысив их эффективность.

Используемые в работе определения: микроструктурированные поверхности — поверхности, которые представляют собой твердые подложки с масштабностью случайных или регулярных неоднородностей (природного или искусственного происхождения) с характерными масштабами от десятков до сотен микрон (мкм);

— мезостру кту рн ы е по длож к и — поверхности, которые представляют собой твердые подложки с масштабностью случайных или регулярных неоднородностей (природного или искусственного происхождения) с характерными масштабами от сотеп нанометров (им) до десятков микрон (мкм);

— наноструктурированные подложки — поверхности, которые представляют собой твердые подложки с масштабностью случайных или регулярных неоднородностей (природного или искусственного происхождения) с характерными масштабами от единиц до сотни нанометров (им);

— морфология поверхности — внутренняя структура и формы подложек различного масштаба от микродо наноразмеров, имеющих либо природное, либо искусственное происхождение (специально изготовленная по определенной технологии);

— температура кипения — температура начала кипени (пузырькового);

— температура Нукиямы — температура, при которой возникает кризис кипения;

— температура Лейденфроста — температура возникновения левитации капли жидкости над перегретой поверхностью.

Апробация работы.

Материалы диссертации были представлены на следующих конференциях:

1. A.C. Дмитриев, A.C. Романов. Явление подавление эффекта Лейденфроста на подложках с покрытием из микросфер. 19-я Межд. научн.-техн. конф. студентов и аспирантов. Радиотехника, электроника и энергетика. М. Изд. Дом МЭИ. 2013.

2. A.C. Дмитриев, A.C. Романов. Особенности тепломассообмена при взаимодействии капель рабочих жидкостей с мезоскопическими и наномасштабными поверхностями энергетического оборудования. «Повышение эффективности энергетического оборудования — 2012», 13−15 ноября 2012 г. Санкт-Петербург.

3.А. С. Дмитриев, A.C. Романов. Об инфракрасной микроскопии высокого разрешения для изучения переноса тепла в нанопокрытиях и нанокомпозитах. XXTI Международная научно-техническая конференция, школа молодых специалистов и выставка по фотоэлектронике и приборам ночного видения 22−25 мая 2012 Москва, Россия.

4. A.C. Дмитриев, A.C. Романов. Теплофизические проблемы наноэнергетики и наноэлектроники. Эффект Лейденфроста. 10 Международная конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодипамики», 17−23 сентября 2012, Алушта.

5. A.C. Дмитриев, A.C. Романов. Особенности тепломассообмена при взаимодействии капель рабочих жидкостей с мезоскопическими и наномасштабными поверхностями энергетического оборудования. ОМИП-2013. С. 67−69. 2013.