Высокоэффективные теплообменные системы нового поколения на основе пленочных течений с разрывами и контактными линиями в микроканалах.

Проект направлен на решение глобальной научно-технической проблемы, связанной с поиском новых методов повышения энергоэффективности технологий, в том числе новых методов существенной интенсификации передачи и отвода тепла от современных устройств. Проект нацелен также на определение границ и достижение новых пределов в интенсификации теплопередачи и отвода тепла при кипении и испарении в тонких и сверх тонких слоев жидкости за счет фундаментального описания динамических процессов в области трехфазной границы газ – жидкость – твердое тело. Интенсификация теплообмена развивается в направлении значительного снижения толщин жидких пленок, что определяет качественно новые, стесненные межфазными границами условия для процесса кипения и испарения. Миниатюризация и снижение толщин жидких пленок уже позволили достичь новых уровней в величинах теплоотвода. Тонкие и сверхтонкие жидкие пленки подвергаются целенаправленному мощному сдвиговому воздействию, локализованному на мини- и микро- масштабах. Например: высоконапорными микроструями, каплями аэрозоля с высокими величинами импульса, высоко динамичными сдвиговыми газопаровыми потоками, интенсивным испарением вблизи трехфазной границы, термокапиллярными течениями. К настоящему моменту стало ясно, что локальная интенсификация процессов на мини- и микро- масштабах потребовала качественно новый уровень описания явлений, проходящих на масштабах размеров от сотен нанометров до десятков микрометров и масштабах времен не более десятков миллисекунд. Но соответствующих этим условиям фундаментальных описаний физических процессов в настоящее время недостаточно. Как нет и характеристик достижимых величин теплоотдачи, определяемых оптимальным управлением физическими процессами при разрывах тонких пленок испаряющейся жидкости. Именно это определяет научную значимость поставленной задачи. Основной задачей проекта является достижение нового уровня понимания физических процессов, происходящих в двухфазных системах в условиях их малых (менее миллиметра) и сверхмалых (0.1 – 10 мкм) размеров и условиях высокого и сверхвысокого поверхностного и/или объёмного тепловыделения. Задачей проекта также является достижение более глубокого понимания фундаментальных закономерностей функционирования многофазных систем с фазовыми переходами (испарение и кипение) и рассмотрение возможностей существенного повышения эффективности теплообменных систем нового поколения, базирующихся на сверхинтенсивном испарении из динамической линии контакта газ-жидкость-твердое тело. Цель проекта - значительно отодвинуть имеющиеся пределы по отводу тепловых потоков и разработать научный задел для создания высокоэффективных систем охлаждения ближайшего будущего, которые будут основаны на новых физических принципах. Проект направлен на поиск новых методов существенной интенсификации теплообмена, всестороннее научное обоснование этих методов и демонстрацию современных возможностей по передаче тепла, теплоотводу и термостабилизации. Представленный проект по своей сути завершит исследования, проводимые на предыдущем этапе проекта, и существенно расширит фундаментальные знания о закономерностях двухфазных течений. Поиск методики отвода сверхвысоких тепловых потоков от тепловыделяющих элементов малой площади до сих пор остается актуальной задачей. Несмотря на успехи проекта в данном направлении, а именно отвод рекордного теплового потока 1,3 кВт/см2 от нагревательного элемента размером 10 х 10 мм тонкой испаряющейся пленкой жидкости (движущейся в миниканале под действием спутного потока газа), потенциал впервые предложенной авторами проекта системы остается не до конца раскрытым. В проекте большое внимание уделяется сухим пятнам, образующимся на нагреваемой поверхности. Авторы выделяют два типа сухих пятен, встречающихся в исследовании. Первый тип сухих пятен – довольно большие термокапиллярные сухие пятна, образующиеся в недогретых слоях жидкости в присутствии продольного температурного градиента. Данный тип сухих пятен, безусловно, ухудшает процесс теплообмена и должен избегаться в пленочных системах, что и объясняет необходимость исследования механизма формирования таких сухих пятен. Второй тип сухих пятен – массовые микромасштабные сухие пятна, образующиеся при достаточно высоких тепловых потоках в пленке жидкости (движущейся со спутным потоком газа в миниканале) за счет прорыва паровых микропузырей в местах утончения пленки жидкости, между гребнями волн. Процесс интенсивного испарения в области динамических контактных линий на границе многочисленных смываемых сухих пятен, по всей видимости, и обеспечивает высокую интенсивность теплообмена, регистрируемую в экспериментах. Таким образом, открывается принципиально новый физический механизм интенсификации процессов теплообмена, за счет сверхинтенсивного испарения в области трехфазной линии контакта, обусловленного малой толщиной слоя жидкости в данном микрорегионе. Для изучения процессов теплообмена в контактной линии выделяется отдельное направление, связанное с измерением локальных тепловых потоков в мениске жидкости и примыкающей к нему линии контакта. Часть результатов будет получена при анализе данных экспериментов по кипению на одиночном центре парообразования в условиях микрогравитации (МКС).