Российские космонавты вскипятили жидкость в невесомости: зачем это нужно
На основании моделирования и натурных экспериментов российские ученые совместно с членами экипажа Международной космической станции (МКС) выяснили, как жидкость закипает в космосе. Исследование не имело цели помочь обеспечить космонавтам возможность заварить себе ароматный кофе или чай. Увы, такие удовольствия на орбите табу — попавшая на свободу жидкость мигом покидает емкость и разлетается в виде шариков. Однако у экспериментов был весьма насущный практический смысл — сделать охлаждающие системы на орбитальных аппаратах более эффективными.
В невесомости пузырьки газа, образующиеся при кипении на нагревающей поверхности, не отрываются и всплывают вверх, как на Земле, а растут 10 секунд и более, достигая в диаметре нескольких сантиметров. В итоге на месте контакта воздушного пузыря с горячей поверхностью возникает так называемое сухое пятно с минимальным теплообменом.
Из-за этого эффекта на МКС никогда не использовались двухфазные охлаждающие системы, в которых теплоноситель, проходя по охлаждающему контуру, периодически закипает и конденсируется. На Земле подобная схема реализуется в большинстве систем жидкостного охлаждения — от бытовых сплит-систем до промышленных холодильных установок. В космосе двухфазное охлаждение считалось неприменимым из-за описанного эффекта сухого пятна. Если хладагент (вода, аммиак или этиленгликоль) не забирает достаточно тепла у требующей постоянного охлаждения поверхности, например, стенки электронного блока управления, то последний перегреется и выйдет из строя. В результате на МКС использовались однофазные, по сути дела проточные, охладители, которые намного менее эффективны и более затратны. Поддержка циркуляции жидкого теплоносителя требует значительно больших энергозатрат, чем обеспечение движения по контуру чередующейся жидкой и газовой фаз, где основную теплообменную работу выполняет процесс фазового перехода хладагента из жидкого состояния в пар (с поглощением избыточного тепла) и затем обратно в жидкость (с выделением тепла во внешнюю среду).
Авторы проекта решили посмотреть, нет ли возможности применить двухфазное охлаждение в условиях микрогравитации. И, оказалось, что решение есть! Результаты исследования опубликованы в журналах Physics of Fluids и Applied Thermal Engineering.
Ученые Института теплофизики имени Кутателадзе РАН (Новосибирск) и Новосибирского государственного университета создали математическую модель нагревания и кипения жидкости в условиях микрогравитации. Она учитывает как поведение пузырей при температуре насыщения, так и при недогреве.
Созданная учеными опытная установка была доставлена на борт МКС, где в нее залили специально очищенный от примесей и газов перфторгексан (C6F14) — химически инертный агент для охлаждения компонентов электронных приборов. В контейнере с хладагентом были установлены камеры высокого разрешения, сенсоры температуры и давления и другая контрольная аппаратура. Выбор в пользу перфторгексана был сделан из-за низкой температуры кипения — всего +56°C.
Нагрев жидкости подтвердил показанное моделированием образование огромных пузырей с сухими пятнами на дне. В то же время области контакта стенок пузырей с требующей охлаждения поверхностью в теплообмене участие принимали.
Затем космонавты проверили как поведет себя жидкость при недогреве — в условиях, когда температура перфторгексана не достигает точки насыщения. И тут выяснилось, что пузыри все равно образуются и растут, причем растворенные в жидкости газы создают в стенках пузырьков термокапиллярную конвекцию. Жидкость за счет разницы температур ползет по пузырю вверх, интенсивно отбирая тепло у поверхности. Стало ясно, что применение двухфазных теплообменников в условиях невесомости реально возморжно, но разработчикам необходимо тщательно продумать соотношение растворенных газов в теплоносителе и температурные параметры системы. Иными словами, нужно точно определить «предел недогрева», который нельзя превышать.
Руководитель проекта, кандидат физико-математических наук Федор Роньшин, старший научный сотрудник лаборатории энергоэффективных технологий для наземных и космических применений Института теплофизики РАН, отметил, что в дальнейшем команда планирует переходить к более сложным случаям с интенсивными тепловыми потоками и значительным недогревом жидкостей. Также будет продолжено исследование роли неконденсирующихся газов на процесс кипения. Работы будут вестись на МКС, в лаборатории и in silico.
Создание соответственных численных моделей позволит спрогнозировать 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.Федор Роньшинисследователь.
Недавно в России создали электронный нос. Читайте об этом в материале Hi-Tech Mail.
