Интенсификация теплообмена и повышение критических тепловых нагрузок при кипении жидкостей на капиллярных поверхностях для создания эффективных систем термостабилизации устройств электроники

Кипение жидкости является одним из наиболее эффективных режимов теплообмена, широко применяющемся в различных технических приложениях. Наблюдаемое сейчас развитие высокопроизводительных устройств (вычислительные модули дата-центров), устройств космической и силовой электроники, топливных элементов и т.д. в ближайшее время потребует отведения огромных тепловых мощностей вплоть до 10^3-10^5 Вт/см^2. Существующие традиционные однофазные теплообменные системы, даже при достижении их максимальной эффективности не могут быть использованы для отвода такого количества тепла. По этой причине использование двухфазных систем, в т.ч. основанных на кипении теплоносителя, является одним из наиболее перспективных методов для безопасного охлаждения и термостабилизации различных высокопроизводительных устройств. Известно, что процесс кипения ограничен по интенсивности теплопередачи критическим тепловым потоком (КТП), достижение которого, как правило, выводит теплообменную поверхность из строя. Несмотря на то, что исследования по интенсификации теплообмена, активно проводятся с середины прошлого века, их актуальность при текущем темпе развития технологий только возрастает. Для обеспечения конкурентоспособности отечественных научных и прикладных исследований двухфазного охлаждения тепловыделяющих элементов необходимо дальнейшее развитие исследований процесса кипения жидкостей на модифицированных поверхностях. С фундаментально-научной точки зрения предлагаемое исследование и полученные в результате него новые опытные данные по коэффициентам теплоотдачи и значениям КТП позволят лучше понять механизмы пузырькового кипения и развития кризисных явлений при использовании поверхностей, обладающих выраженным эффектом капиллярного всасывания. В том числе - подтвердить или опровергнуть тезис об определяющем влиянии данного параметра на величину КТП при кипении жидкостей на супергидрофильных поверхностях. С прикладной стороны, авторами проекта, с использованием уникальных капиллярных поверхностей (черный кремний), созданных передовым методом криогенного сухого плазмохимического травления, планируется достигнуть существенного увеличения КТП по сравнению с необработанной поверхностью. На основе проведенных исследований будут выданы практические рекомендации по созданию эффективных погружных систем термостабилизации устройств электроники. В ходе запланированного исследования будут использоваться современные методы исследования (включая одновременное проведение высокоскоростных видео- и термографической съемок) и передовое оборудование. Также стоит отметить, что запланированная к использованию в качестве рабочей жидкости диэлектрическая жидкость Novec HFE-7100 является безопасной и экологичной терморегулирующей жидкостью, обладающей низкой токсичностью, низким потенциалом глобального потепления и нулевым потенциалом озоноразрушения. В совокупности, заявленные для осуществления задач проекта методы и подходы, а также имеющийся у членов коллектива научно-технический задел по исследованиям интенсификации теплообмена позволят получить новые и актуальные результаты по механизмам кипения и развитию кризисных явлений на капиллярных поверхностях, прояснить вопрос об определяющем влиянии капиллярного всасывания на КТП при кипении жидкостей на супергидрофильных поверхностях и дать практические рекомендации по созданию эффективных погружных систем термостабилизации тепловыделяющих устройств.