ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПУТЕМ СМЕЩЕНИЯ КРИЗИСА ТЕПЛООБМЕНА ВТОРОГО РОДА В ОБЛАСТЬ БОЛЕЕ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

Abstract

Ссылка для цитирования: Повышение энергоэффективности систем охлаждения энергонасыщенного оборудования путем смещения кризиса теплообмена второго рода в область более высоких температур / Д.В. Феоктистов, Г.В. Кузнецов, Абедтазехабади Акрам, Е.Г. Орлова,  С.П. Бондарчук, А.В. Дорожкин // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 4. – С.72-88. Актуальность. Разработка принципиально новых стратегий и технических решений, приводящих к повышению энергоэффективности и ресурсосбережения систем охлаждения энергонасыщенного оборудования невозможна без создания новых конструкционных материалов с целевыми функциональными свойствами. К перспективным системам охлаждения теплонагруженного оборудования, например, устройств связи пятого поколения 5G, с поверхности которых поступают тепловые потоки высокой плотности (до 1000 Вт/см2), относятся системы, базирующиеся на капельном орошении. Такое охлаждение позволяет повысить интенсивность и равномерность теплоотвода, значительно снизить расход теплоносителя. Но полученные к настоящему времени результаты показывают, что использование традиционных подходов (применение элементов систем охлаждения, изготовленных из стали, меди, алюминия и их сплавов, обработанных шлифовкой или полировкой) не позволяют решить задачу интенсивного охлаждения поверхностей, нагретых до высоких температур. Лазерные методы обработки теплопередающих поверхностей – один из наиболее эффективных способов интенсификации процессов испарения и кипения. В связи с развитием в последние десятилетие лазерной техники стали доступны финансово возможные технологии создания целевых функциональных поверхностных свойств металлов. Использование на практике модифицированных лазерным излучением теплопередающих поверхностей систем охлаждения может решить ряд проблем, связанных с удовлетворением растущего глобального спроса на энергетические ресурсы, в частности, при интенсификации отвода тепловых потоков высокой плотности от элементов энергонасыщенного оборудования путем смещения кризиса теплообмена второго рода в область более высоких температур. Цель: оценка возможности смещения кризиса теплообмена (эффекта Лейденфроста) в область более высоких температур путем модификации теплопередающих поверхностей нагрева лазерным излучением наносекундной длительности. Методы. Методом лазерной обработки наносекундой длительности на типичных материалах, применяемых на практике при создании элементов систем охлаждения, созданы уникальные текстуры с заданными геометрическими характеристиками. Характеристики текстур определены с использованием оборудования конфокальной и электронной микроскопии. Регистрация эффекта Лейденфроста проводилась на специально изготовленной установке, оснащенной оборудованием теневого оптического метода и высокоскоростной видеорегистрации быстропротекающих физических процессов. Результаты. Установлены режимы воздействия одиночного лазерного импульса наносекундой длительности на поверхность нержавеющей стали и алюминия, гарантирующие образование абляционного кратера. Показана возможность применимости графоаналитической методики для формирования заданной микротекстуры при обработке поверхностей металлов лазерным излучением наносекундой длительности. Лазерная обработка поверхности металлов с энергией в импульсе до 0,6 мДж позволяет за счет формируемой текстуры и супергидрофильных свойств в достаточно широких диапазонах значений управлять характеристиками кризиса кипения 2 рода, а именно температурой Лейденфроста более чем на 110 °С на поверхности алюминия и более чем на 45 °С на поверхности нержавеющей стали в атмосферных условиях при использовании дистиллированной деаэрированной воды в качестве теплоносителя.