Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание научно-технического задела и экспериментальных образцов высокоэффективных двухфазных систем охлаждения с естественной циркуляцией для космических и транспортных приложений

Докладчик: Марчук Игорь Владимирович

Должность: старший научный сотрудник, доцент, д.ф.-м.н

Цель проекта:
Создание научно-технического задела, разработка и создание экспериментальных образцов высокоэффективных двухфазных систем охлаждения с естественной циркуляцией для космических и транспортных приложений. Развитие сотрудничества с иностранным партнером.

Основные планируемые результаты проекта:
1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной и методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках настоящих прикладных научных исследований. Обоснование и выбор направления исследований.
2 Результаты анализа технических решений в области разработки двухфазных систем охлаждения с естественной циркуляцией для космических и транспортных приложений на основе выполненных патентных исследований.
3 Результаты теоретических и экспериментальных исследований в области межфазной границы жидкость-пар в испарительной системе тепловой трубы с использованием кинетической теории.
4 Математические модели тепломассобмена в теплообменных системах космических летательных аппаратов, включающих испаритель и конденсатор, учитывающие динамику и кинетику процесса теплообмена с фазовыми переходами на микроуровне.
5 Серия микротермопар для исследования межфазной границы раздела.
6 Метод исследования межфазной границы раздела с помощью микротермопар.
7 Экспериментальная установка с микротермопарой для исследования температурных скачков в межфазной области.
8 Разработка метода создания удлиненного динамического мениска, обеспечивающего интенсивное испарение и интенсификацию теплообмена.
9 Экспериментальная установка для исследования испарения и теплообмена в динамическом мениске.
10 Результаты экспериментальных и теоретических исследований удлиненного динамического мениска.
11 Техническая документация на изготовление экспериментального образца конденсатора пара новой конструкции для контурной тепловой трубы.
12 Экспериментальный образец конденсатора пара новой конструкции для контурной тепловой трубы.
13 Результаты экспериментальных и теоретических исследований конденсации пара на криволинейных ребрах.
14 Техническая документация на изготовление экспериментального образца контурной тепловой трубы.
15 Методическая документация на проведение испытаний экспериментального образца контурной тепловой трубы и его тестирования в различных условиях.
16 Экспериментальный образец контурной тепловой трубы.
17 Результаты экспериментального исследования устойчивости работы контура.
18 Технические требования и предложения по разработке экспериментальных образцов высокоэффективных двухфазных систем охлаждения с естественной циркуляцией для космических и транспортных приложений.

Пути решения поставленных задач предполагают тесную связь экспериментальных и теоретических методов исследований, основанных на использовании современной измерительной техники (скоростной инфракрасной термографии, скоростной визуализации до 50000 кадров в секунду, шлирен визуализации и измерений, конфокальных измерений др.), комплексных методик исследования, стендов и рабочих участков новой конструкции и оригинальных способов моделирования процесса. Будут использованы уникальные дорогостоящие приборы как отечественного, так импортного производства уже имеющиеся в распоряжении коллектива исполнителей.
Для исследований динамики и теплообмена в области «удлиненного» мениска будет создан новый стенд оригинальной конструкции, где предполагается зафиксировать мениск между двумя прозрачными пластинами с различной смачиваемостью и исследовать его с применением нескольких высокоточных оптических методо. Будет применен целый ряд высокоточной оптической техники для изучения распространения линии контакта и динамики мениска на не изотермических поверхностях. Контактная линия - это сложный объект для измерения деформаций на поверхности жидкой пленки. В этой области могут быть определены три основные зоны: адсорбированная пленка, микрорегион и макрорегион. Микрорегион характеризуется сильной деформацией поверхности, так как угол наклона варьируется от почти нулевого значения (адсорбированные пленки) к регистрируемому контактному углу (макро регион). Толщина этих зон существенно отличается: она изменяется от нескольких десятков нанометров для адсорбированных пленок до микрон для макрорегиона. Коэффициент теплоотдачи около линии контакта может быть на несколько порядков выше этой величины в макрорегионе.
В настоящее время на рынке не существует универсальной оптической системы для измерения столь значительного изменения толщины жидкой пленки в небольшом районе. По мнению авторов конфокальная техника и высокоточная Шлирен система являются наиболее перспективными и дополняющими друг-друга оптическими устройствами. Первая может измерить толщину очень тонкой пленки с небольшой деформацией поверхности. Наоборот вторая система может измерять деформации поверхности, но не может измерить толщину пленки. Новая, комбинированная оптическая система, которая сочетает в себе оба метода измерения, будет разрабатываться в рамках этого проекта. Система будет измерять локальную толщину адсорбированной пленки и, в то же время, регистрировать изменение толщины поверхности жидкости от адсорбированной пленки до макрорегиона. Таким образом, толщина пленки может быть реконструирована в микрорегионе.
Измерение высоты пленки жидкости производиться с помощью бесконтактной конфокальной оптической системы Micro-Epsilon. Максимальное разрешение измерения расстояния конфокального датчика составляет 0,01 мкм. Для установки конфокального датчика, а также для высокоточной регулировки положения этого датчика используется платформа поступательного перемещения в 3-х плоскостях с шагом 0,5 мкм. В новой высокоточной Шлирен системе будут применены элементы фазового Шлирен метода. Авторы проекта имеют многолетний опыт использования Шлирен систем различной конструкции.
Для исследований по теплообмену будет использоваться инфракрасная камера высокого разрешения «Titanium HD 570M» (разрешением 640x512 пикселей с частотой кадров до 115 Гц). Камера позволяет измерения температурных полей на поверхности жидкости. Для проведения скоростной визуализации используется цифровая камера высокого пространственного и временного разрешения Photron FASTCAM SA1.1.
Для исследований по теплообмену в межфазной области жидкость-пар будет создан новый экспериментальный стенд и разработана оригинальная методика проведения опытов. Особенностью установка является измерение профиля температуры вблизи границы раздела жидкости и газа с помощью микро-термопары, которая имеет один линейный размер порядка 3 микрон, а два остальных порядка 5-10 мкм. Термопара будет перемещается и погружается в жидкость высокоточными подвижками в трех направлениях с шагом порядка 0.5-1 микрон. Диапазон передвижения микро-термопары составляет 50 мм. Прецизионная подвижка подключена к персональному компьютеру и управляется с помощью специального программного обеспечения. Созданная система будет уникальной. По данным авторов проекта датчик температуры такого размера в настоящее время не возможно приобрести на мировом рынке. Авторы проекта имеют многолетний опыт использования и создания собственными силами микродатчиков различного назначения.
Для исследований по конденсации пара и на системном уровне будет создан экспериментальный макет крупной контурной тепловой трубы. Конструкция будет оригинальной и включать непосредственно контур трубы и контур охлаждения. Для такого тика КТТ будет разработана и запатентована конструкция конденсатора нового типа, отличающаяся высокой компактностью и интенсивностью теплообмена за счет действия капиллярных сил. Конденсатор может применяться как для космических, так и наземных транспортных систем (скоростные поезда). В качестве контура охлаждения могут использоваться классические тепловые трубы. Поэтому при космическом приложении конденсатор может иметь высокую степень метеоритной защиты. В проекте будет предложена новая, усовершенствованная конструкция. Конденсатор будет всесторонне испытан с помощью макета контурной тепловой трубы.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Выполнение проекта будет способствовать более глубокому пониманию фундаментальных закономерностей эволюции режимов течений в двухфазных системах (тепловых трубах, испарителях, конденсаторах) и внесет вклад в развитие космической энергетики. Различные системы с жидкостями являются неотъемлемой частью любого обитаемого космического аппарата. Очевидно, что эффективное присутствие человека в космосе не возможно без глубокого понимания физики жидкостей и теплообменных процессов в условиях микро-гравитации. Необходимо решить задачу сброса избыточного тепла при преобразовании тепловой энергии в электрическую. Здесь, как наиболее перспективные, рассматриваются двухфазные системы, например, капельный холодильник. Также могут использоваться эффективные радиаторы - конденсаторы пара. Известно, что в условиях невесомости длина конденсатора должна быть в несколько раз больше чем в наземных условиях при одинаковой производительности, что обусловлено различными режимами течения конденсата. Таким образом, важное значение имеет понимание гидродинамики и теплообмена в двухфазных системах с фазовыми переходами, которые обеспечивают наиболее эффективные процессы тепло- и массопередачи в условиях пониженной и переменной гравитации - кипение, испарение, конденсация. Двухфазные системы в космических технологиях – это топливные баки и двигатели, системы жизнеобеспечения человека (температуры, влажности и др.), системы охлаждения и термостабилизации электронного оборудования, энергетические системы и топливные элементы, системы очистки воды и биологические системы, необходимые для будущих длительных полетов. Изменение гравитации в общей сложности на четыре порядка для ближнего космоса и на семь порядков для дальнего космоса кардинально меняет баланс сил в двухфазных системах, выводит на первый план силы, часто пренебрежимо малые в обычных условиях - поверхностные, термокапиллярные, смачиваемость - делает ряд процессов менее устойчивыми, вызывает новые эффекты.
Выполнение проекта может оказать принципиальное влияние на развитие техники охлаждения микроэлектронного оборудования. Проблема охлаждения микроэлектроники становится в наши дни одной из актуальнейших проблем теплофизики. Электронная промышленность уже сегодня готова производить микропроцессоры, где плотность теплового потока может достигать величины 500 Вт/см2 и более. Существующие решения не позволяют осуществить эффективное охлаждение таких компонентов, что является технологическим барьером, ограничивающим дальнейшее развитие электронно-вычислительных систем.
Кроме того, решение сформулированных в проекте проблем является ключевым для развития систем терморегуляции в микросистемах, а также имеет потенциальные приложения в мембранных топливных элементах и в системах хранения и транспортировки энергии в водородной энергетике.
В дальнейших научных и прикладных исследованиях можно будет использовать созданное в ходе выполнения проекта экспериментальное оборудование, разработанные методики экспериментов, созданные математические модели расчетов, программное обеспечение, а также интеллектуальную собственность в виде патентов и ноу-хау.

Планируется внедрение результатов научно-исследовательской работы проекта в образовательный процесс. Будут модернизированы и дополнены ряд курсов в Новосибирском Государственном Университете и Aix Marseille Université. Результаты найдут непосредственное выражение в повышении научной мобильности и качества профессиональной подготовки молодых ученых, успешной подготовке ими кандидатских и докторских диссертаций. В ходе выполнения всех этапов проекта запланирован ряд защит дипломных работ бакалавров и магистров, кандидатских и докторских диссертаций, публикации статей в рейтинговых журналах, выступление с докладами по тематике проекта на всероссийских и международных конференциях.

Выход на российский и зарубежный рынки возможен как путем продажи лицензий на технические решения, так и путем продажи продукции. Для выполнения этих задач будут приняты меры по защите интеллектуальной собственности на российском и зарубежном рынках. В настоящее время Институт теплофизики осуществляет патентование в США, Европе и Китае заявки на патент авторов проекта «Испарительная система охлаждения светодиодного модуля», регистрационный № 2013140942, дата приоритета 5.09.2013. На основании полученного опыта будет выполнено международное патентование изобретений и новых технических решений.
Для успешного выведения результатов работы до потребителя на Российском рынке будет привлекаться фирма ООО «СибЭС» (г. Новосибирск), www.sibesnsk.ru. Данная фирма успешно работает с 2011 года. Основным предметом деятельности является выполнение научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ, разработка и внедрение инженерных проектов, новых технологий, высокотехнологической продукции, оказание услуг связанных с осуществлением научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Фирма ООО «СибЭС» планирует организацию производства тепловых труб на основе китайских и индийских комплектующих.
Наиболее вероятными потребителями ожидаемых результатов на международной арене представляются фирмы, занимающиеся разработкой и изготовлением оборудования для космической техники. У авторов проекта имеются договоренности о сотрудничестве с фирмой «Euro Heat Pipes» (Бельгия). «Euro Heat Pipes» является европейским лидером в области термостабилизации космического оборудования на основе использования двухфазных систем с более чем 30-летним опытом работы.
Разрабатываемые в проекте технические решения могут быть использованы для охлаждения микропроцессоров высокопроизводительной вычислительной техники: суперкомпьютеров, а также нового поколения рабочих станций, серверов и персональных компьютеров. Перспективность применения предлагаемой системы охлаждения на российском рынке в данный момент оценивается от сотен, до тысяч экземпляров в год. При существующих тенденциях развития микроэлектроники, в течение ближайших лет массовое применение такой системы охлаждения возможно на мировом рынке. Потребителями могут стать компании, производящие электронику и компьютерную технику, такие как, IBM, Intel, AMD, HewlettPackard, Toshiba, Hitachi, Samsung и др. В настоящее время Холдинг «Росэлектроника» совместно с Минпромторгом разрабатывает суперкомпьютер полностью российского производства, способный в перспективе закрыть потребности оборонно-промышленного комплекса в вычислительных мощностях. Мощность его составит 1,2 петафлопа. Несмотря на то, что производство комплектующих и микроэлектроники для суперкомпьютера, скорее всего, будет размещаться на территории Юго-Восточной Азии, вся интеллектуальная составляющая будет принадлежать России.

Текущие результаты проекта:
Анализ литературы, существующих патентов и устройств касающихся тепловых труб показал, что за последнее десятилетие с помощью современных способов моделирования удалось существенно продвинуться в анализе тепломассообмена внутри тепловых труб. Однако, открылись новые еще более перспективные задачи: тепловые трубки стали еще миниатюрней, в связи с этим необходим новый анализ на микроуровне, включающий совместный теплоперенос со стенкой, фитилем и паром. Необходимы более фундаментальные работы для лучшего понимания физических явлений в пульсационных тепловых трубках и контурных тепловых трубах. Нужно более точное моделирование границы раздела жидкость/пар, особенно в случае высоких поперечных потоков вещества при интенсивном испарении и конденсации и в том числе многофазных явлений в области фитиля.
Выявлено, что наиболее эффективная испарительная система охлаждения должна иметь интенсифицированный испаритель с капиллярным подсосом, канал достаточного размера для транспорта пара в интегрированный с внешним радиатором конденсатор, где внутреннее оребрение одновременно осуществляет задачу интенсификации теплообмена и капиллярного транспорта конденсируемой жидкости. Несмотря на достаточно большое предложение технических решений универсального решения в настоящий момент не существует, как в Российской федерации, так и за рубежом.
Разработана концепция и нарисована принципиальная схема экспериментальной установки с микротермопарой для исследования межфазной границы раздела, ведется закупка контрольно-измерительной системы и других составляющих экспериментальной установки. Подготовлены инструкции по эксплуатации экспериментальной установки, по противопожарной безопасности.
Разработана модель процесса конденсации неподвижного пара в конденсаторе с продольными криволинейными ребрами с отсосом конденсата из межреберного пространства с учетом капиллярных сил и сил гравитации. Выполнен анализ влияния уровня заполнения межреберных впадин на интенсивность конденсации.
Разработана и создана микротермопара малых размеров для исследования межфазной границы раздела. Проведены измерения размеров и рельефа микротермопары на электронном микроскопе. Поперечный размер королька термопары составляет 3-4 микрон Термопара откалибрована в диапозоне температур 5 С - 90 С. Поведены тестовые измерения с помощью микротермопары.
Изучен опыт создания и использования крупных контуров тепловых труб партнера из Франции.