Российские физики открыли новые эффекты при кипении жидкости в космосе

Ученые из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе РАН (Новосибирск) и Новосибирского государственного университета совместно с коллегами провели эксперимент на МКС и разработали численную модель, которая объясняет процесс кипения жидкости в невесомости. Сначала они рассмотрели, как растут пузыри в жидкости при температуре кипения, а затем проверили, что будет при недогреве, когда температура жидкости на несколько градусов ниже. Результаты исследования опубликованы в международных журналах Physics of Fluids и Applied Thermal Engineering.

В качестве рабочей жидкости использовался перфторгексан — распространенный хладагент для электроники с низкой температурой кипения (всего 56°C). Нагревая его в закрытом контейнере с высокоскоростными камерами и сенсорами, исследователи обнаружили ключевую проблему: без гравитации пузырьки пара не поднимаются вверх, а растут на нагревателе и не отрываются от него. Под каждым таким пузырем образуется «сухое пятно» — участок нагревателя, откуда не отводится тепло. Это создает риск перегрева для техники, что может вывести ее из строя. Ученые сделали вывод, что для безопасной работы приборов в космосе нужно удалять такие пузырьки с поверхности.

Далее ученые измерили распределение тепла вокруг пузыря и с удивлением обнаружили, что максимальный теплообмен происходит не на его вершине, а в крошечной области его контакта с поверхностью нагревателя. Еще более неожиданный эффект ждал исследователей, когда они изучали кипение недогретой жидкости: оказалось, что пузыри в таких условиях не лопаются, как можно было бы ожидать, а сохраняются, причем их размер превышал прогнозы численной модели. В жидкости осталось около 1% растворенных газов, которые не конденсируются, из-за чего и получился такой эффект.

На основе полученных данных исследователи создали уточненную модель, которая показала, что важную роль играет термокапиллярная конвекция — движение жидкости, вызванное разницей сил поверхностного натяжения из-за перепада температур. Этот эффект дополнительно интенсифицирует теплообмен, стимулируя движение жидкости от нагреваемой стенки к вершине пузыря. 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, заключили исследователи.

Поскольку ранее механизмы кипения в невесомости были недостаточно изучены, в космосе для охлаждения техники, как правило, использовались однофазные системы охлаждения. Принцип их работы заключается в том, что по прилегающим к устройствам трубкам пускается жидкость (вода, аммиак или этиленгликоль), которая забирает тепло, поскольку теплоноситель нагревается, охлаждая прибор.

В то же время более эффективными считаются двухфазные системы отвода тепла, которые используются на Земле. В них основную работу выполняет процесс фазового перехода хладагента из жидкого состояния в пар. В результате образовавшееся вещество забирает большое количество тепла, после чего конденсируется в другой части устройства. Новое исследование, а также разрабатываемая аналитическая модель кипения пригодятся для создания современных систем охлаждения электрических приборов на МКС и других орбитальных комплексах или космических аппаратах.

Далее ученые планируют рассматривать более сложные случаи, включая большие тепловые потоки и недогрев жидкостей. Кроме того, они намерены продолжить изучать влияние неконденсирующихся газов на процесс кипения и изменение контактного угла при кипении, который определяет касание пузырем поверхности и влияние на него испарения. 

Ранее российские ученые разработали метод контроля за работой микросхем в космосе. Он позволит разработать новый класс вакуумных нанотранзисторов, устойчивых к радиации и экстремальной температуре.

Фото РАН