Исследование кипения жидкости в космосе поможет сделать охлаждающие системы на МКС эффективнее

Ученые из Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе (Новосибирск) и Новосибирского государственного университета (Новосибирск) с коллегами провели эксперимент и разработали численную модель, объясняющую, как кипит жидкость в невесомости. Изначально авторы рассмотрели, как растут пузыри в жидкости при температуре насыщения (кипения), а затем дополнили исследование, пояснив, как происходит кипение при недогреве, то есть когда температура жидкости на несколько градусов ниже температуры насыщения.

Ученые провели испытание на МКС, снизу нагревая перфторгексан — особую жидкость для охлаждения электронных компонентов — в закрытом контейнере, оснащенном высокоскоростными камерами и другими сенсорами. Предварительно перфторгексан дегазировали, чтобы как можно точнее исследовать процесс кипения. Перфторгексан удобен для исследования, поскольку его температура кипения составляет всего 56°С.

Оказалось, что без гравитации пузырьки пара не поднимаются вверх, а растут на нагревателе и не отрываются. При этом под каждым пузырьком образуется «сухое пятно» — участок, откуда не отводится тепло. Это создает риск перегрева для электроники, а значит, для безопасности работы приборов в космосе нужно удалять такие пузырьки с поверхности.

Также ученые посчитали, где и насколько интенсивно отводится тепло от пузырька, и выяснили, что максимальной теплоотдача оказывается там, где пузырек касается поверхности стенки нагревателя. Авторы разбили зоны испарения на несколько областей, определили их размеры и оценили, насколько эффективно в них отводится тепло. Оказалось, что самая маленькая по размеру область — линия контакта со стенкой — отводит больше всего тепла.

В условиях недогрева перфторгексана исследователи обнаружили необычный эффект: образующийся пузырек не конденсировался в более холодной, недогретой жидкости и его размер был больше, чем предсказывала численная модель. Причина этого эффекта в том, что, несмотря на тщательную предварительную дегазацию, в жидкости осталось около 1% растворенных газов, которые не конденсируются. С учетом этого авторы модифицировали модель. С ее помощью ученые определили, что термокапиллярная конвекция — движение жидкости из-за разницы сил поверхностного натяжения, вызванной разностью температур, — стимулирует движение жидкости от нагреваемой стенки к вершине пузыря, что делает теплообмен еще более интенсивным. Таким образом, при проектировании систем охлаждения инженеры должны уделять большее внимание растворенным в жидкости газам, из-за которых пузырьки сохраняются даже в более холодном слое перфторгексана.