«УМНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ» ДЛЯ СВЕРХИНТЕНСИВНОГО ОТВОДА ТЕПЛА ПРИ КИПЕНИИ И ИСПАРЕНИИ
Автор: Александр Николаевич Павленко
Организация: Институт теплофизики имени С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск
Рис. Микроструктурированные поверхности: горизонтальная микротекстура; микродеформируемое резание; капиллярно-пористые поверхности, созданные методом 3D-печати; микродуговое оксидирование; поверхности, полученные путем спекания частиц; супергидрофильные пористые металлические пены; электрохимическое травление; микро-наноструктурированные поверхности с иерархической структурой, полученные методами DRIE и гидротермального выращивания нанопроволок/электрофоретического осаждения наночастиц.
Режимы высокоинтенсивного теплообмена при кипении и испарении находят сегодня все более широкое применение для целого ряда современных технологий, требующих отвода высоких и сверхвысоких плотностей теплового потока при относительно низких перегревах [1]. В лекционном докладе проводится всесторонний анализ текущего состояния развития методов интенсификации теплообмена и управления экстремальными процессами теплообмена при кипении и испарении в различных гидродинамических условиях. Обсуждаются пути, тенденции и критические аспекты эффективного использования режимов кипения и испарения для различных перспективных приложений в энергетике, микро- и силовой электронике, химической промышленности, криогенной технике (например, при ожижении природного газа, в дистилляционных и абсорбционных технологиях), в ракетной и авиационной технике, в металлургии. Новейшие и перспективные достижения в материаловедении, позволяющие создавать все более совершенные, “умные” покрытия, модифицированные тепловыделяющие/теплопередающие поверхности с иерархической структурой (например, см. на Рис.), служат и будут служить реальной основой для создания высокоэффективных систем охлаждения, теплообменников различного назначения в целом ряде важнейших современных практических приложений. В докладе на примере результатов новейших исследований [2–10] будет показано, что развитие комбинированных пассивно/активных методов интенсификации теплообмена при кипении и испарении на основе целенаправленного управления потоками жидкости и паро/газовой среды на микро- и макромасштабах является магистральным направлением в теплофизических исследованиях применительно к разработке вышеуказанных современных критических технологий.
Будут детально рассмотрены перспективные и проблемные вопросы, касающиеся разработки передовых методов охлаждения современной электроники с высокими и сверхвысокими тепловыми потоками (паровые камеры и микрокамеры, тепловые трубы, термосифоны). В этой связи акцентируется внимание к новым запросам теплофизиков на развитие технологий в материаловедении для создания заданных структур на теплопередающей поверхности с целью эффективного управления двухфазными потоками и процессами межфазного теплопереноса на микро- и наномасштабах. Рассматриваются особенности разработки методов увеличения критического теплового потока при одновременном увеличении коэффициента теплопередачи при развитом пузырьковом кипении, что критически важно для решения многих практических задач.
В докладе также будут обсуждены последние достижения в экспериментальных исследованиях механизмов кипения, кризисных явлений при кипении и испарении [11–15], ставшие возможными благодаря появлению уникальных высокоточных установок с прецизионными измерениями, неинвазивной оптической диагностики с высокими пространственным и временным разрешениями, проведен анализ перспектив использования методов искусственного интеллекта (ИИ) при проектировании высокоэффективных инженерных поверхностей для интенсификации теплообмена при кипении и испарении в контексте разработки современного тепломассообменного оборудования и систем охлаждения с экстремальными тепловыми нагрузками.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 25-49-00133) в рамках российско-китайского исследовательского проекта, реализуемого в сотрудничестве с Национальным фондом естественных наук Китая (NSFC).
1. Volodin O.A., Shvetsov D.A., Serdyukov V.S., Zhukov V.I., Pavlenko A.N. Enhanced boiling and evaporation of dielectric fluids on modified surfaces for immersion cooling of electronic components–a review // Appl. Therm. Engin. 2025. Vol. 277. Art. 127088.
2. Zhukov V.I., Pavlenko A.N., Shvetsov D.A. The effect of pressure on heat transfer at evaporation/boiling in a thin horizontal liquid layer on a microstructured surface produced by 3D laser printing // Intern. J. Heat Mass Transfer. 2020. Vol. 163. Art. 120488-1–120488-14.
3. Pecherkin N.I., Volodin O.A., Pavlenko A.N., Kataev A.I., Mironova I.B. Heat transfer enhancement experiments in R21 falling film over a bundle of MAO-coated horizontal tubes // Intern. Comm. Heat Mass Transfer. 2021. Vol. 129. Art. 105743
4. Starodubtseva I.P., Kuznetsov D.V., Pavlenko A.N. Experiments and modeling on cryogenic quenching enhancement by the structured capillary-porous coatings of surface // Intern. J. Heat Mass Transfer. 2021. Vol. 176. Art. 121388.
5. Швецов Д.А., Павленко А.Н., Брестер А.Е., Жуков В.И. Инверсия кривой кипения на микроструктурированных пористых покрытиях // ТВТ. 2023. Т. 61. № 2. С. 1–5.
6. Moharana S., Das M.K., Pecherkin N.I., Pavlenko A.N., Volodin O.A. Experimental assessment of enhanced 2x3 semi-closed microstructure tube bundle as an alternative in shell and tube heat exchangers // Appl. Therm. Engin. 2023. Vol. 232. Art. 120966.
7. Zhukov V.I., Shvetsov D.A., Pavlenko A.N. Effect of shape and thermal conductivity of microstructured capillary-porous coatings on heat transfer during evaporation and boiling in thin horizontal liquid layers // Intern. J. Heat Mass Transfer. 2024. Vol. 232. Art. 125937.
8. Das M.K., Moharana S., Laskar N., Pecherkin N.I., Pavlenko A.N., Volodin O.A. Heat transfer enhancement of different ribbing pitched semi-closed microstructure tube bundles fabricated by deformational cutting method // Intern. J. Thermofluids. 2024. Vol. 22. Art. 100695.
9. Pecherkin N.I., Volodin O.A., Das M.K., Pavlenko A.N., Kataev A.I., Mironova I.B. Heat transfer enhancement in falling liquid films on an array of horizontal tubes with plasma spray porous coating // Appl. Therm. Engin. 2025. Vol. 263. Art. 125288.
10. Shvetsov D.A., Zhukov V.I., Pavlenko A.N. Heat transfer enhancement during boiling in horizontal layers of HFE-7100 on 2D modulated capillary-porous coatings // Appl. Therm. Engin. 2025. Vol. 263. Art. 125344.
11. Serdyukov V.S., Starinskiy S.V., Malakhov I.P., Safonov A.I., Surtaev A.S. Laser texturing of silicon surface to enhance nucleate pool boiling heat transfer // Appl. Therm. Engin. 2021. Vol. 194. Art. 117102.
12. Serdyukov V.S., Patrin G., Malakhov I.P., Surtaev А.S. Biphilic surface to improve and stabilize pool boiling in a vacuum // Appl. Therm. Engin. 2022. Vol. 209. Art. 118298.
13. Ateş A., Benam B.P., Mohammadilooey M., Çelik S., Serdyukov V.S., Surtaev A.S., Sadaghiani A.K., Koşar A. Pool boiling heat transfer on superhydrophobic, superhydrophilic and superbiphilic surfaces at atmospheric and sub-atmospheric pressures // Intern. J. Heat Mass Transfer. 2023. Vol. 201. Art. 123582.
14. Malakhov I.P., Seredkin A.V., Chernyavskiy A.N., Serdyukov V.S., Mullyadzanov R.I., Surtaev A.S. Deep learning segmentation to analyze bubble dynamics and heat transfer during boiling at various pressures // Intern. J. Multiphase Flow. 2023. Vol. 162. Art. 104402.
15. Швецов Д.А., Павленко А.Н., Назаров А.Д., Михайлов А.В., Жуков В.И. Теплообмен при кипении в тонком слое диэлектрической жидкости HFE–7100 на капиллярно-пористых покрытиях // ТВТ. 2024. Т. 62. № 6. С. 865-876.
