Кипение наножидкостей. Исследование теплоотдачи и критической тепловой нагрузки при кипении наножидкости

Краткое содержание

Статья содержит результаты исследования интенсификации теплообмена при кипении на микро- и наномасштабах, которые были получены в МЭИ, а также данные экспериментов, имеющиеся в литературе.

Основными целями работы является: повышение эффективности охлаждения в условиях высоких тепловых нагрузок (выше 1 МВт/), увеличение критической тепловой нагрузки, разработка новых теплообменных аппаратов, теоретических моделей и расчетных методик. Результаты могут найти применение в ядерных реакторах, мишенях и резонаторах ускорителей заряженных частиц, зеркалах мощных лазеров, компактных теплообменниках, холодильных установках, а также в тепловых трубах.

Существует много областей, таких как микроэлектроника, электроэнергетика, ядерная энергетика, тепловые трубы, холодильная техника, воздушное охлаждение, тепловые насосы, где наножидкости могут быть с успехом применены. Из за перехода структуры поверхности и размеров приборов на микро- и наноразмерный уровень тепловые нагрузки в них могут достигать 500 Вт/. Одним из решений этой проблемы может быть кипение недогретой жидкости в каналах и системах каналов малого размера или кипение наножидкостей. Наножидкости являются перспективной рабочей жидкостью для компактных устройств, используемых в космической технике.

Наножидкости это коллоиды, получаемые из жидкости и наночастиц. Вода, органические жидкости, масла, биожидкости, растворы полимеров и другие могут использоваться в качестве базовой жидкости. Металлы, оксиды металлов, оксид кремния, карбиды металлов, нитриды металлов, углерод в различных соединениях используются для изготовления наночастиц.

Данные по физическим свойствам наножидкостей, теплообмену при кипении наножидкостей имеются в литературе. Теплопроводность, поверхностное натяжение, вязкость и плотность наножидкости изменяются в зависимости от материала, концентрации и размера наночастиц и оказывают влияние на характеристики теплообмена и течение двухфазного потока. Однако данные по физическим свойствам наножидкостей ограничены.

В работе [1] исследован теплообмен и критическая тепловая нагрузка при кипении наножидкости () . Обнаружено, что критическая тепловая нагрузка для наножидкостей увеличивается до 3- х раз (рис.1а) . Отмечено изменение шероховатости поверхности нагревателя до и после эксперимента. Поэтому предполагалось, что увеличение критической тепловой нагрузки – это результат образования покрытия из наночастиц на поверхности нагревателя. Наночастицы выпадают на поверхности нагревателя и таким образом увеличивают смачиваемость поверхности. Однако, если эти изменения результат образования покрытия, следует заключить, что более эффективным будет прямое предварительное нанесение покрытия, чем использование наночастиц в жидкости для того, чтобы получить на поверхности покрытие.

Рис. 1. Кривые кипения наножидкости для различных концентраций  [1];

Обобщение данных по увеличению критической тепловой нагрузки согласно различным исследованиям показано на рис.1b. Интенсификация может варьироваться от 20% до 300% для одинаковых концентраций наночастиц. Влияние свойств, концентрации и размера наночастиц необходимо исследовать.

Рис. 2. Известные данные об увеличении критической тепловой нагрузки при кипении наножидкостей [2];

В нашей работе была исследована теплоотдача и критическая тепловая нагрузка при кипении наножидкости (SiC-water) (рис.1c-d). Кипение исследовалось в большом объеме при атмосферном давлении, концентрация наночастиц составляла 0,01% по объему. В качестве рабочего участка была использована трубка из нержавеющей стали (d=1,2 мм) и проволока из нержавеющей стали (d=1 мм), расположенные горизонтально. Наножидкость предварительно стабилизировалась с помощью метода механической стабилизации с использованием процесса кипения с недогревом (0-40) C.

Рис. 3. Кривые кипения для чистой воды и наножидкости (SiC-water), трубка d=1,2 мм, P=0,1 Мпа

Рис. 4. Относительная критическая тепловая нагрузка при кипении в большом объеме, проволока d=1 мм, P=0,1 Мпа

Кривые кипения для чистой воды и наножидкости показаны на рис.1c. Как видно на рис.1c, коэффициент теплоотдачи увеличивается до 2-ух раз для исследованных условий.

Относительная критическая тепловая нагрузка в зависимости от времени проведения эксперимента показана на рис.1d. В каждом эксперименте в качестве рабочего участка устанавливался новый образец. Обнаружено, что критическая тепловая нагрузка увеличивается до 1,4 раза.

По мнению некоторых исследователей [2-7] интенсификация теплообмена при кипении наножидкостей вызвана изменением рельефа поверхности. Наночастицы осаждаются на поверхности теплообмена и изменяют ее рельеф (рис.2) .

Рис.2 SEM Изображение поверхности трубки из нержавеющей стали после кипения наножидкости SiC-water на ней.