Сегодня - 13.11.2018

Самые «тёплые» исследования

14 июля 2014
 
Приурочив рассказ о своих работах к 100-летнему юбилею Самсона Семёновича Кутателадзе, специалисты Института теплофизики СО РАН (кстати, носящего имя академика) приоткрыли, если выражаться романтически, завесу тайны над предназначением некоторых установок и приборов. Сейчас, уже в 21-м веке, развивается продолжение идей и научных направлений, которые когда-то пересадил на сибирскую почву знаменитый учёный.
Прибор для МКС
В капле воды
 
Известно всего четыре сверхинтенсивных явления, с помощью которых можно отводить большие и мощные потоки тепла. Всеми ими занимался академик Кутателадзе, и в 1930-е годы он первым в СССР начал исследования процессов с фазовыми переходами, когда идет энергетический перенос с помощью движения не молекул, а массы вещества.  
 
«Мы занимаемся испарением тонких пленок жидкости, — говорит доктор физико-математических наук Олег Александрович Кабов. — Это очень важная вещь, и постепенно все технологии будут переходить от процессов, идущих в больших объемах, именно к пленочным течениям, потому что последние при малых размерах создают обширную поверхность, и именно с нее происходит теплоотдача, которая, однако, меняется, если происходит разрыв, ведь слой очень тонок». 
 
Как говорит учёный, это одна из нерешенных проблем не только в Сибири или России, но и в мире. Она связана с физикой, реализующейся в контакте трех фаз: твердое тело, жидкость и газ, но что именно происходит в столь необычной среде, наука еще не может описать достаточно четко. «Процессы зависят от многих факторов, они проходят на нано- и микроуровне, соответственно, надо применять определенные методы — например, молекулярной динамики, а они составляют сложность для теории и экспериментов», — комментирует Олег Кабов. Тем не менее, в лаборатории установлены стенды, где специалисты моделируют разрыв тонкого горизонтального пласта жидкости. 
 
На другой установке идет исследование другого процесса — тоже испарение, но маленькой капельки. «Этот способ, как и предыдущий, очень важен в технике, — рассказывает учёный. — Например, охлаждение электронного оборудования: частички летят с большой скоростью и создают колоссально эффективный процесс с использованием небольшого количества жидкости». 
 
Специалисты работают над решением проблем охлаждения применительно к транспортной, а также космической отрасли. В лаборатории создали уникальный прибор, которые полетит на международную космическую станцию (МКС). Для проведения исследований в «заоблачных» условиях нужно было создать одновременно конденсатор пара и сепаратор, причем малого веса и объема. «Мы применили здесь новую технологию — микроканалы по двадцать микрон. Жидкость всасывается туда под действием капиллярных сил. Это будет часть совместного (Российское и Европейское космические агентства) научного эксперимента под названием Simex», — поясняет Олег Кабов. 
 
Разделяй и используй
 
Еще одно научное направление, развиваемое учёными ИТ СО РАН — процессы, происходящие при ректификации. Эти работы ведутся на одной из самых больших установок института — крупномасштабной фреоновой колонне. Именно она дает представление о том, как разделяются смеси при дистилляции. «С помощью контактных структурированных поверхностей, которые находятся внутри, мы можем моделировать подобные вещи в реальных околопромышленных масштабах, и исследовать как интегральные характеристики, так и целый ряд внутренних параметров», — говорит член-корреспондент РАН Александр Николаевич Павленко.
"Внутренности" фреоновой колонны
Надо отметить, что ректификация — основной крупнотоннажный и энергоэкономичный способ получения чистых веществ из смесей. Например, чтобы извлечь по отдельности азот, аргон, кислород или ксенон из воздуха, его превращают в жидкость, которая затем стекает вниз тонкой пленкой. Подается пар, и на выходе идет разделение на компоненты.
 
С помощью колонны ученые исследуют реальные вопросы, возникающие подобных установках, работающих в химической и нефтяной промышленности. «Спектр просто огромный», — отмечает Александр Павленко. 
 
Большая работа крохотных частиц
 
Когда-то академик Кутателадзе предложил модель критического теплового потока. Этот поток ограничивает высокоэффективный энергообмен при кипении, а оно, как указывает кандидат физико-математических наук Антон Сергеевич Суртаев, является наиболее пригодным способом отвода тепла от нагретой поверхности и поэтому используется, например, в атомных электростанциях, в том числе и для охлаждения. Сейчас стоит очень актуальная задача, связанная с необходимостью расширить сдерживающие рамки, за которыми один режим переходит в другой, менее эффективный, но разрушительный, что приводит к деструкции нагревательных модулей. «Как оказалось, модель Кутателадзе может не работать в некоторых условиях, например, когда мы используем наномодифицированные поверхности», — отмечает Антон Суртаев. 
 
По его словам, такую особенность выяснили практически случайно: в жидкость добавили наночастицы, начали ее кипятить, и в итоге вышло, что критический тепловой поток на нагревателях существенно увеличился. «Оказалось: наночастицы осаждаются на поверхности, тем самым формируя нанопористый слой, что приводит к увеличению нужного показателя в два раза. Следовательно, мы можем изменить конструкцию тепловыделяющих элементов и работать совершенно в других режимах охлаждения», —объясняет молодой учёный. Сейчас, как он подчеркивает, очень мало информации о том, как работает модификация мельчайшими частицами, кроме того, исследован лишь один класс жидкостей — вода. 
Антон Суртаев
«Если обобщить весь блок наших работ, то, исследуя коэффициенты теплоотдачи и критические тепловые потоки, мы способны создавать более компактные и производительные устройства, обеспечивающие существенно бОльшую передачу тепла. Это все очень важно для создания высокоэффективных приборов и аппаратов, их перечень огромен: тут и атомная, и двигательная, и теплонасосная техника», — говорит в заключение Александр Павленко.
 
Екатерина Пустолякова
 
Фото автора
 
 
Голосов еще нет
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus