Процеси теплообміну в мініатюрних випарноконденсаційних системах з нанорідинами

Ескіз

Файли

Hurov_dys.pdf (4.91 MB)

Дата

2023

Автори

Гуров, Дмитро Ігорович

Науковий керівник

Кравець, Володимир Юрійович

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Дисертаційна робота присвячена вивченню процесів теплообміну в мініатюрних випарно-конденсаційних системах, при використанні в них в якості теплоносія нанорідин. У вступі наводиться обґрунтування актуальності напрямку роботи, визначено об’єкт та предмет, мету та цілі дослідження, наукову новизну отриманих даних та висновки, а також особистий внесок здобувача наукового ступеня доктора філософії. Представлено інформацію щодо апробації результатів досліджень та напрямки їх потенційного використання. Описано загальний обсяг дисертаційної роботи та його структуру. Поширення використання нанотехнологій у різних напрямках фундаментальних та прикладних робіт за останні 10 років набуло неабиякої популярності, що обумовлено перспективністю та покращеннями від їх впровадження. Разом з цим спостерігається чітка тенденція до процесу мініатюризації у електронній промисловості, пристрої стають усе менше, а питомі величини теплових потоків, що вони виділяють, зростають експоненційно. Для охолодження теплонавантажених та, разом з цим, малогабаритних пристроїв гарно зарекомендували себе мініатюрні термосифони, які відносяться до випарно-конденсаційних систем, проте погляд на розвиток науки і техніки дає змогу прогнозувати досягнення їх обмежень по теплопередавальним характеристикам вже у найближчі роки. Для поліпшення теплопередавальних характеристик мініатюрних термосифонів використання нанорідин у якості теплоносіїв може бути перспективним вектором розвитку, проте вони потребують комплексного підходу і проведення значної кількості науково-дослідних робіт для їх впровадження у електронну промисловість. У першому розділі представлено літературний огляд. Проаналізовано поширення використання у різних напрямках фундаментальних робіт і конкретних міжгалузевих застосуваннях нанотехнологій, в особливості нанофлюідики. Розглянуто методи і підходи у приготуванні нанорідин, проаналізовано переваги і слабкі сторони кожного з них. Звернута увага на перспективність застосування нанорідин в якості теплоносія у системах охолодження, що доводиться появою нових наукових робіт, кількість яких зростає у стрімкому темпі, проте характер поточних досліджень досить обмежений і поверхневий. Досліджено проблематику, поточний стан і підходи, що використовуються для охолодження електронної техніки, а також основні задачі і вимоги, що ставить на зараз електронна промисловість до температурних режимів і наявних теплових потоків. З аналізу проблематики і поточного стану розвитку науки і техніки зроблено висновок про переваги використання випарно-конденсаційних систем у задачах охолодження, а у зв’язку зі зменшенням масо-габаритних характеристик акцентовано увагу на мініатюрних системах. Проведено огляд представників випарноконденсаційних систем й наведено переваги використання мініатюрних термосифонів. Проведено пошук наукових робіт і досягнень по напрямку використання мініатюрних термосифонів, в ролі теплоносія в яких виступають нанорідини. Більшість наукових робіт з літературного огляду показали переваги використання нанорідин у якості теплоносія, проте деяка кількість наголошувала на недоліки використання, а також погіршення теплопередавальних характеристик (такі як максимальний тепловий потік та значення повного термічного опору). Окрім того, в існуючих роботах акцент спрямовано на термосифони, габаритні розміри яких не дають змоги віднести їх до мініатюрних, а саме в останніх наразі найбільше зацікавлена промисловість. Також варто зазначити однотипність у підборі теплоносія (наночастинки оксиду міді, алюмінію, титану, золота та вуглецеві нанотрубки) і фактично відсутність робіт з гібридними (багатокомпонентними) нанорідинами. Більшість з дослідників нехтують перевірками на надійність, деградацію з плином часу і ресурсні випробування. Окремо варто наголосити на тому, що залишається відкрите питання стосовно механізмів інтенсифікації процесів теплообміну у таких системах. Поточний стан цього напрямку досліджень і його наведені особливості свідчить про актуальність робіт й попит від промисловості, проте разом з цим і про недостатній рівень вивченості й необхідності у комплексному підході. У другому розділі представлено конструкцію експериментального стенду, що було розроблено і виготовлено з метою дослідження теплопередавальних характеристик мініатюрних термосифонів з нанорідиною в якості теплоносія. Розроблено алгоритм випробувань і наведено загально використовувану методику для проведення досліджень. На базі літературного аналізу по використанню нанорідин для двофазних систем, а також на основі даних, що наведені для кипіння у великому об’ємі, було обрано потенційні нанорідини, які було заправлено в мініатюрні термосифони для подальшого дослідження. В якості теплоносія обрано як перспективні традиційні (однокомпонентні), проте не достатньо досліджені у цьому застосуванні нанорідини, так і комбіновані (гібридні) нанорідини, що складаються з суміші наночасток. В якості базової рідини для усіх зразків було обрано дистильовану деіонізовану воду, як найбільш ефективний теплоносій в діапазоні температур, що вимагається при охолоджені електронної техніки. Проведено прискорений тест на седиментацію: за місяць простою не було зафіксованою зміни кольору чи випаду наночасток у осад. Приведено класифікацію похибок, проаналізовано які похибки можуть виникати у процесі дослідження, прийняті заходи щодо мінімізації цих похибок, обрано основні інструменти і обладнання, оцінено їх внесок у похибку вимірювань та обчислено похибки визначення усіх розрахункових величин. Величини похибок обчислення було проаналізовано і порівняно з іншими авторами, і зроблено висновок про прийнятний рівень похибок при наведеній постановці задачі. Третій розділ присвячено дослідженню впливу використання нанорідин у якості теплоносія та коефіцієнту заповнення на теплопередавальні характеристики мініатюрних термосифонів. Спостерігається, що збільшення теплового потоку, що передається мініатюрним термосифоном, призводить до зменшення термічного опору, що пояснюється зростанням кількості центрів пароутворення. Також проаналізовано режими роботи термосифонів, в залежності від теплового потоку, що подається, починаючи з появи гейзерного ефекту, та закінчуючи переходом з бульбашкового розвиненого режиму кипіння до плівкового кипіння і виникнення подальшої кризи теплообміну. Зафіксовано, що збільшення коефіцієнту заповнення за рахунок зменшення довжини нагрівача призводить до збільшення термічного опору мініатюрного термосифону. Причиною цьому є термічний опір, що виникає через наявність додаткового стовпа рідини. Зразки нанорідин, що використовувалися в якості теплоносіїв, по результату досліджень було розділено на дві групи: ті, що можна рекомендувати, і не рекомендовані для використовування у подібних застосуваннях. Варто зазначити, що навіть не рекомендовані зразки показали поліпшення теплопередавальних характеристик, а саме збільшення максимального теплового потоку на 18,5% при тому ж значення термічного опору при порівнянні з дистильованою водою. Найліпший же зразок продемонстрував збільшення максимального теплового потоку на 53%, з паралельним зменшенням термічного опору на 28,4% у порівнянні з базовою рідиною. Дослідження кута нахилу показало, що оптимальний кут для нанорідин ідентичний до значень, що рекомендовані для води, і знаходиться в діапазоні 40-70°. В свою чергу критичний кут становить 30°. Запропоновано емпіричне рівняння для водного теплоносія з аморфним вуглецем для прогнозування максимальних теплових потоків в діапазоні кутів нахилу 20– 60°, на базі даних, що було отримано при проведенні експериментів для вертикального розташування зразка. У четвертому розділі наведено основні величини, що характеризують інтенсивність теплопередачі мініатюрних термосифонів, а саме коефіцієнти тепловіддачі (у зоні нагріву, у зоні конденсації), а також коефіцієнти еквівалентної теплопровідності. Після завершення досліджень, зразки теплоносіїв були розбиті на дві групи: рекомендовані для подальшого впровадження, та ті, що не можна рекомендувати. Дослідження ефекту від використання нанорідин, в загальному випадку, підтвердило доцільність використання їх у ролі теплоносіїв для мініатюрних термосифонів. Так, мініатюрний термосифон з водною нанорідиною з додаванням синтетичного алмазу в порівнянні з водою продемонстрував збільшення еквівалентної теплопровідності до 20%, і затягування кризових явищ до 80% по відношенню до підведеного теплового потоку. Зроблено висновок, що інтенсивність теплообміну у зоні нагріву для нанорідини в загальному випадку вище за інтенсивність для дистильованої води, проте важливим є правильний підбір теплоносія. Так, нанорідини з аморфним вуглецем, а також з аттапульгітом та монтмориллонітом демонстрували коефіцієнти тепловіддачі у зоні нагріву співмірні, а іноді навіть нижче (до 30%), за воду. В свою чергу для інших досліджених зразків фіксувалося покращення інтенсивності теплообміну, а в особливості для синтетичного алмазу (до 180%). Отримано емпіричні рівняння для розрахунку коефіцієнтів тепловіддачі у зонах нагріву мініатюрних термосифонів для досліджених нанорідин, що узагальнюють 80% отриманих експериментальних даних з розкидом ±30%. П’ятий розділ присвячено впливу концентрації наночасток на теплопередавальні характеристики мініатюрних термосифонів, та визначенню його оптимального рівня. Дослідження проводилися на гібридний водній нанорідині на базі багатостінних вуглецевих нанотрубок з додаванням аттапульгіту. Досліджені концентрації було обрано на рівні 0,1%, 0,5% та 0,7%. Зроблено висновок, що використання масових концентрацій наночасток більше ніж 0,1%, не дивлячись на суперечливі рекомендації інших авторів –має сенс, і призводить до поліпшення робочих характеристик. Оптимальні концентрації для кожної нанорідини будуть індивідуальні, проте дослідження і підбір необхідно виконувати в більшому діапазоні, і не обмежуватися діапазоном надмалих концентрацій (по типу 0,005…0,1%). Досліджено, що при використанні низькоконцентрованої водної нанорідини (0.1%), покращення теплопередавальних характеристик сягали 13% для максимальних теплових потоків, та 18% для мінімального термічного опору. В той же час, при використанні більш концентрованих нанофлюідів, можна досягти збільшення теплового потоку до 70%, чи зменшення термічного опору до 38%. При зміні коефіцієнта заповнення відбувається певний зсув оптимального рівня концентрації, і він може відрізнятися навіть для одного теплоносія. Тобто, було отримано, що оптимальна концентрація наночасток у робочій рідині є функцією багатьох складових, до яких відносяться не тільки форма наночасток, їх характерні розміри, анізотропія, теплофізичні властивості, тощо, але і певний вплив має коефіцієнт заповнення теплоносієм мініатюрного термосифона. Наведено оптимальні рівні концентрацій для певних досліджених коефіцієнтів заповнення. У шостому розділі описано явище пульсацій температур у зонах теплообміну мініатюрних термосифонів з нанорідинами. Розглянуто природу цього явища, та зазначено необхідність його дослідження, що пов’язано з можливим впливом на температуру електронного пристрою чи компонентів, які охолоджуються за допомогою системи охолодження на базі мініатюрних термосифонів з нанорідинами. Для термосифонів з водною нанорідиною на базі вуглецевих нанотрубок і аттапульгіту (коефіцієнт заповнення 0,44 та діапазон досліджених концентрацій 0,1–0,7%) отримано емпіричне рівнянні для визначення амплітуди пульсацій в залежності від теплового потоку, що відводить система. На базі отриманого рівняння можна зробити висновок, що збільшення витрати охолоджуючої рідини, концентрації наночасток, та безрозмірного комплексу (dвн/LЗН) призводить до зменшення амплітуди пульсацій температури, в свою чергу, збільшення коефіцієнта заповнення призводить до збільшення амплітуди пульсацій температур. Не дивлячись на те, що збільшення концентрації наночасток призводить до зменшення амплітуди пульсацій, разом з цим відбувається збільшення періоду пульсацій при низьких густинах теплового потоку. Останнє наголошує на необхідності раціонального підбору мініатюрних термосифонів для системи охолодження, їх діаметрів, довжин, коефіцієнтів заповнення та теплоносіїв. У такому випадку, при номінальному режиму роботі електронного пристрою, у системі охолодження буде розвинений режим кипіння теплоносія, і будуть відсутні амплітудні пульсації температур. Сьомий розділ присвячено ресурсним випробуванням, та перевірці на наявність деградаційних ефектів з плином часу. Без проведення цих досліджень не можна рекомендувати в промислове впровадження мініатюрні термосифони з нанорідинами, тому що відсутня впевненість у їх можливості відпрацювати певний сервісний час, який є регламентованою величиною для електронного обладнання. Ресурсні випробування були розбиті на дві частини: перевірка у режимі зберігання 5 років: температурний діапазон 15–25℃, вологість 30–60%) та у режимі напрацювання (активний режим роботи, 350 годин при Q=0,8Qmax). Ресурсні випробування у режимі зберігання проводилися на нанорідині на базі синтетичного алмазу (продемонструвала найкращі показники по більшості з досліджень) і на гібридній водній нанорідині на базі вуглецевих нанотрубок і аттапульгіту (перспективний теплоносій, проте є ризики виникнення взаємодії між компонентами теплоносія та корпусом термосифону). Випробування у режимі зберігання показали відсутність деградації й тенденцій до зміни термічного опору після 5 років консервування для обох дослідних зразків. Випробування у режимі напрацювання проводилися для водної нанорідини на основі вуглецевих нанотрубок і аттапульгіту і тенденцій до погіршення чи поліпшення термічного опору не спостерігалося. Початковий діапазон роботи (перші 50 годин) характеризується припрацюванням, під час якого спостерігається збільшення коефіцієнту тепловіддачі у зоні конденсації, та зворотний ефект у зоні нагріву. У подальшому, протягом наступних 300 годин, тенденції до зміни інтенсивності теплообміну відсутні, і миттєві значення коливаються у районі середніх значень. Матеріали та результати дисертаційної роботи впроваджено у навчальний процес на кафедрі атомної енергетики Навчально-наукового інституту атомної та теплової енергетики Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського".

Опис

Ключові слова

теплообмін, термосифон, двофазне середовище, коефіцієнт заповнення, тепловий потік, теплові характеристики, термічний опір, тепловіддача, коефіцієнт тепловіддачі, нанорідина, наночастинки, концентрація, heat exchange, thermosyphon, two-phase medium, filling ratio, heat flow, thermal characteristics, thermal resistance, heat transfer, heat transfer coefficient, nanofluid, nanoparticles, concentration

Бібліографічний опис

Гуров, Д. І. Процеси теплообміну в мініатюрних випарноконденсаційних системах з нанорідинами : дис. … д-ра філософії : 144 – Теплоенергетика / Гуров Дмитро Ігорович. – Київ, 2023. – 198 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/63357

DOI

Зібрання

Дисертації (АЕ)
Дисертації (вільний доступ)