现如今吸收式冷水机组和其他双相冷却系统在科学与日常生活中都有应用:核反应堆、热力工程、微电子高性能设备和服务器,以及海水淡化系统。保持稳定的工作温度是冷却系统及其预期设备运行中最重要的任务之一。新西伯利亚国立大学和俄罗斯科学院西伯利亚分院库塔特拉泽热物理研究所的科学家们和新西伯利亚国立大学力学数学系的学生们提出了一种在真空沸腾下加强传热效率的方法,这有助于开发更高效和可靠的双相冷却系统。
这包括浸入式冷却系统,它通过液体的沸腾将多余的热量从发热表面移除,从而保持所需的温度条件。在这种情况下,通过连续汽化进行沸腾,可以确保比传统的空气冷却方式有更高的传热率和温度稳定性。然而,某一设备需要进一步冷却的情况并不少见:例如,降低各类蒸发器中热交换设备的腐蚀率,提高热电厂的效率和环保性,以及降低淡化设备的能量消耗。为此,就必须降低压力,从而降低液体的沸点。
“然而,随着压力降低,传热率和临界热负荷的明显下降是阻碍推行真空沸腾技术的主要因素之一。例如,将压力从大气压降到接近室温时水沸腾的压力,沸腾的传热率可以降低数倍。此外,真空中的沸腾过程伴随着传热面温度的显著波动。对于一些任务,例如微电子设备的浸入式冷却,是一个非常不理想的因素,对设备的安全性有负面影响。”俄罗斯科学院西伯利亚分院热物理研究所和新西伯利亚国立大学物理系能源物理和技术基础实验室高级研究员安东·苏塔耶夫博士说道。
正因如此,科学家们正在积极开发和讨论各种提高真空沸腾传热效率的方法。其中大多数是基于对散热表面的修改。其中主要有两个方向:第一个方向是通过微观和纳米结构改变工作表面的形态并控制其润湿性。新西伯利亚科学家们的研究属于第二个方向:他们研发创造了双流体表面,结合疏水和亲水表面特性的优点,从而提高沸腾效率。实验使用现代高速技术:热成像和录像。
作者证明,所制造的表面在真空沸腾期间发生了显著的传热强化(是传统表面的3.7倍)并能够明显稳定冷却温度状况。
“换句话说,使用双流体表面能够让我们‘将一个大气泡分解成几个小气泡’从而确保在真空沸腾期间有一个均匀的表面温度场。” 新西伯利亚国立大学力学数学系工程学院三年级学生乔治·帕特林说道。
为科学和高科技企业培养高素质人才始终是新西伯利亚国立大学的主要目标之一,因此学生从大三开始参与此类项目是融入专业环境的一个自然过程。
“我们非常高兴本科生与现任学者在新领域一起工作。当然,没有新西伯利亚国立大学应用数字技术实验室的参与这个项目将不可能实现,他们负责指导工程学院课程中的教学技术项目。” 新西伯利亚国立大学机械与数学系主管发展的副系主任阿纳斯塔西娅·卡尔彭科评论道。