Разработка и исследование наномодифицированных композиционных материалов для интенсификации теплообмена в теплопередающих устройствах

Proyecto: Award Project

Detalles del proyecto

Description

Цель проекта. Проект направлен на решение глобальной проблемы теплофизики, связанной с отводом высоких плотностей теплового потока (более 500 кВт/м2) при относительно низкой разности температур между теплоотдающей поверхностью и стоком тепла. Актуальность и практическая значимость решения данной проблемы обусловлена тем, что в настоящее время наблюдается процесс миниатюризации устройств в различных областях техники, например, в электроники, автомобилестроении, аэрокосмической индустрии, химической технологии, транспорте. Происходит революционное развитие двухфазных теплообменных устройств с капиллярным механизмом транспорта теплоносителя в каналах с микро- и нано- размерами, и эти устройства, получившие название тепловых труб, оказываются гораздо более энергоэффективными, и альтернативными макросистемам с насосной прокачкой теплоносителя. Величина отводимых тепловых потоков в тепловых трубах может достигать 500 кВт/м2 и более. Для отвода высоких тепловых потоков перспективным представляется использование интенсивно испаряющейся тонкой пленки жидкости, находящейся в области контактной линии твердое тело – жидкость – пар испаряющего мениска и движущейся под действием термокапиллярных сил, с отводом образующегося пара системой мини - и микроканалов. В экспериментах авторов проекта был достигнут рекордный тепловой поток для замкнутых систем с капиллярным транспортом теплоносителя 300 кВт/м2. Система теплоотвода на таком принципе, получившая название «обращенный или перевернутый мениск», позволяет использовать микроканалы, что существенно повышает ее эффективность, и что является принципиальным для целого ряда практических приложений (микроэлектроника, светодиодная техника, лаборатории в чипах). Система не требует насосных механических элементов, позволяет минимум в десятки раз снизить расход жидкости и гидравлическое сопротивление при тех же размерах каналов по сравнению с однофазной системой. Испарение движущейся тонкой пленки жидкости с метастабильными сухими пятнами, капельные и ручейковые режимы течения обеспечивают наиболее эффективные процессы теплопереноса. Физические процессы в области контактной линии твердое тело – жидкость – пар, определяют характер пленочного течения при интенсивном локальном нагреве, и на данный момент исследованы недостаточно, что препятствует созданию высокоэффективных систем теплоотвода с использованием испарения в тонких и сверхтонких пленках жидкости. Одной из основных целей проекта является выявление процессов и факторов, влияющих на интенсификацию теплообмена вблизи линии контакта трех фаз испаряющейся неизотермической жидкости, когда режимы течения зависят от термокапилярных явлений в тонкопленочной части мениска и от выноса примесей в эту часть мениска. Исследование совместного влияния термокапиллярного эффекта, испарения, контактной линии, а также воздействия примесей, включая специальные жидкости с наночастицами, на тонкую пленку жидкости является актуальной, междисциплинарной и нерешенной задачей. В проекте предлагается впервые исследовать влияние наножидкостей на область тонкопленочной части мениска при интенсивном локальном нагреве. Именно в этой области должны находиться наиболее оптимальные количества и размеры дисперсий и наночастиц для создания высокоэффективных систем охлаждения с капиллярным транспортом теплоносителя. Учитывая вышесказанное, поставлены следующие цели для нашего исследования:- изучить наножидкости в качестве рабочей жидкости для систем терморегулирования с использованием контурных схем теплопередачи; сравнить полученные результаты с использованием общепринятых чистых рабочих жидкостей;- изучение распределения наночастиц;- разработать систему терморегулирования на основе контурных термосифонов для охлаждения современных светодиодных матриц большой мощности (более 100 Вт).
Актуальность. С активным развитием методов получения наноразмерных объектов и создания наноструктур, с возможностью их исследования на наномасштабе активно стали обсуждаться возможности использования нанотехнологий в реальных промышленных приложениях. В том числе это отразилось на фундаментально-прикладных задачах, относящихся к области теплофизики, которая является физической основой для различных отраслей энергетики. В первую очередь внимание исследователей было обращено к возможности использования вместо традиционных флюидов, так называемых наножидкостей, которые являются коллоидными жидкостями с небольшими добавками наночастиц из металлов размером 1–100 нм, окислов (Al2O3, CuO, SiO2, TiO2 и т.д.), различных модификаций углерода. Однако исследователи отмечают слабое влияние добавления наночастиц в жидкость на теплоотдачу при кипении, а в большинстве работ отмечено даже снижение интенсивности теплообмена при использовании наножидкостей. Повышенный интерес ученых к наножидкостям связан с тем, что они оказывают значительное влияние на развитие кризисных явлений при кипении. Тем не менее многими авторами отмечено, что это связано с изменением характеристик и свойств тепловыделяющей поверхности и формированием нанопокрытия при осаждении частиц на поверхность в процессе кипения. За последние 12 лет проведены обширные исследования нанофлюидов, содержащие как положительные, так и отрицательные результаты применения наночастиц в системах теплообмена. Влияние наночастиц на параметры системы характеризуется изменением термического сопротивления, критического теплового потока, коэффициента теплопередачи, теплопроводности, интенсификацией кипения и изменением режима работы системы. Некоторые исследования демонстрируют повышение вязкости, снижение сопротивления течению и изменение угла смачивания наряду с изменением режима течения между ламинарным и турбулентным [1-5]. Некоторые исследователи использовали наножидкости в качестве рабочей жидкости в замкнутых теплопередающих устройствах - термосифонов и изучены теплотехнические характеристики таких устройств при использовании наножидкости. Y.H. Lin и др. изучили влияние наночастиц серебра на характеристики пульсирующих тепловых труб [6]. J.S. Coursey и J. Kim исследовали влияние смачиваемости поверхности на кипение наножидкостей [7]. Khandekar и др. были изучены тепловые характеристики двухфазного термосифона с наножидкостью и пришел к выводу, что наножидкости показывают меньшее тепловое сопротивление, чем в чистой воде [8]. S.W. Kang и др. экспериментально изучено влияние 10 до 35 нм частиц серебра в воде на параметры тепловой трубы с пористым покрытием [9].Они показали, что разница температур между двумя концами тепловых труб снизилась по сравнению с заправкой чистой водой. Naphon и др. в качестве рабочей жидкости в тепловой трубе использовали хладагент/наночастицы и заявили, что, при оптимальных условиях тепловая труба с чистым теплоносителем итепловая труба с концентрацией 0,1% наночастиц работает с КПД в 1,40 раза выше, чем у чистого теплоносителя. Noie и др. исследовали интенсификацию теплообмена при использовании Al2O3/ воды в двухфазном замкнутом термосифоне [10]. На основании экспериментальных результатов, они получили, что для разных концентраций Al2O3/ воды эффективность термосифона увеличивается до 14,7% вместо чистой воды. Кан и др. использовали 10 и 35 нм Ag/воды в тепловой трубе и показали, что тепловая эффективность трубы усиливается после добавления наночастиц серебра в чистой воде. Тем не менее, результаты показали, что тепловое сопротивление тепловых труб уменьшается с увеличением размеров и концентрации наночастиц Ag [11]. Почти нет исследований наножидкостей посвященным перспективным контурным тепловым трубам и термосифонам, разработванным в начале 70-х В УрФУ ( тогда УПИ) и нашедших широкое применение в космических приложениях (см.Новости Космонавтики №1 (384), 2015, стр. 50 – 51).
EstadoFinalizado
Fecha de inicio / finalización efectiva01/01/201831/12/2019

Type of Financial Sources

  • State assignment. Implementation of the National Technology Initiative

GRNTI

  • 44.31.00

UrFU Research Division section that handles this grant (Kuibyshev, Mira)

  • Kuibyshev Research Division