Теперь исследователи из Массачусетского технологического института нашли способ проанализировать одну из самых сложных проблем, с которыми сталкиваются теплообменники и другие технологии, в которых кипящая вода играет центральную роль: как предсказать и предотвратить опасное и потенциально катастрофическое событие, называемое кризисом кипения. Это момент, когда на горячей поверхности образуется так много пузырьков, что они сливаются в непрерывный слой пара, который блокирует дальнейшую передачу тепла от поверхности к воде.
Такие события могут вызвать ослабление или таяние, поэтому атомные станции предназначены для работы на уровнях, намного ниже тех, которые могут вызвать кризис кипения. Это новое понимание может позволить таким предприятиям безопасно работать на более высоких уровнях производительности за счет снижения необходимой операционной прибыли.
Новые результаты представлены сегодня в журнале Physical Review Letters в статье доцента ядерной инженерии Маттео Буччи и аспирантов Лимиао Чжана и Джи Хён Сонга.
«Это очень сложный феномен», – говорит Буччи, и, хотя его «изучали более века», он все еще остается очень спорным.«Даже в 21 веке, – говорит он, – мы говорим об энергетической революции, компьютерной революции, наноразмерных транзисторах и всевозможных великих вещах.
Тем не менее, все еще в этом столетии, а может быть, даже в следующем столетии, все они ограничены теплопередачей."
Например, по мере того, как компьютерные микросхемы становятся меньше и мощнее, некоторым высокопроизводительным процессорам может потребоваться жидкостное охлаждение для рассеивания тепла, которое может быть слишком интенсивным для обычных охлаждающих вентиляторов. (Некоторые суперкомпьютеры и даже некоторые высокопроизводительные игровые ПК уже используют перекачиваемую воду для охлаждения своих чипов).
Точно так же электростанции, которые производят большую часть электроэнергии в мире, будь то ископаемое топливо, солнечные или атомные электростанции, в основном производят энергию за счет выработки пара для вращения турбин.
На атомной станции вода нагревается топливными стержнями, которые нагреваются в результате ядерных реакций.
Распространение тепла через металлические поверхности в воду отвечает за передачу энергии от топлива к генерирующей турбине, но это также является ключом к предотвращению перегрева топлива и потенциально приводящего к расплавлению. В случае кризиса кипения образование слоя пара, отделяющего жидкость от металла, может препятствовать передаче тепла и может привести к быстрому перегреву.
Из-за этого риска правила требуют, чтобы атомные станции работали при тепловых потоках, которые не превышают 75 процентов от уровня, известного как критический тепловой поток (CHF), который является уровнем, когда может возникнуть кризис кипения, который может повредить критические компоненты. Но поскольку теоретические основы CHF плохо изучены, эти уровни оцениваются очень консервативно.
По словам Буччи, вполне возможно, что эти станции можно будет эксплуатировать при более высоких уровнях тепла и, таким образом, производить больше энергии из того же ядерного топлива, если это явление будет понято с большей уверенностью.
По его словам, лучшее понимание кипения и CHF – «такая сложная проблема, потому что она очень нелинейна», а небольшие изменения в материалах или текстуре поверхности могут иметь большие последствия.
Но теперь, благодаря более совершенным инструментам, способным фиксировать детали процесса в лабораторных экспериментах, «мы смогли фактически измерить и нанести на карту явление с требуемым пространственным и временным разрешением», чтобы понять, как кризис кипения начинается в первое место.
Оказывается, это явление тесно связано с транспортным потоком в городе или с тем, как вспышка болезни распространяется среди населения. По сути, это проблема того, как все складывается воедино.
Когда количество автомобилей в городе достигает определенного порогового значения, возрастает вероятность того, что они скопятся в определенных местах и вызовут пробку.
А когда носители болезней проникают в места массового скопления людей, такие как аэропорты или аудитории, шансы спровоцировать эпидемию увеличиваются. Исследователи обнаружили, что скопление пузырьков на нагретой поверхности следует аналогичной схеме; выше определенной плотности пузырьков возрастает вероятность того, что пузырьки будут собираться вместе, сливаться и образовывать изолирующий слой на этой поверхности.
«Кризис кипения, по сути, является результатом скопления пузырьков, которые сливаются и сливаются друг с другом, что приводит к разрушению поверхности», – говорит он.
По словам Буччи, из-за сходства «мы можем черпать вдохновение, применять тот же подход к моделированию кипения, который используется для моделирования пробок», и эти модели уже хорошо изучены.
Теперь, основываясь как на экспериментах, так и на математическом анализе, Буччи и его соавторы смогли количественно оценить это явление и найти лучшие способы определить, когда произойдет начало таких слияний пузырей. «Мы показали, что, используя эту парадигму, мы можем предсказать, когда произойдет кризис кипения», основываясь на моделях и плотности образующихся пузырей.
Анализ показывает, что наноразмерная текстура поверхности играет важную роль, и это один из нескольких факторов, которые можно использовать для внесения изменений, которые могут повысить CHF и, таким образом, потенциально привести к более надежной теплопередаче, будь то для электростанций, жидкости охлаждение для современных компьютерных микросхем или многие другие процессы, в которых передача тепла является решающим фактором.
«Мы можем использовать эту информацию не только для прогнозирования кризиса кипения, но и для поиска решений, изменяя поверхность кипения, чтобы минимизировать взаимодействие между пузырьками», – говорит Буччи. «Мы используем это понимание, чтобы улучшить поверхность, чтобы мы могли контролировать и избегать застревания пузырей.’"
Если это исследование позволит внести изменения, которые могут обеспечить безопасную работу атомных станций при более высоких тепловых потоках, то есть скорости, с которой они рассеивают тепло, чем это допускается в настоящее время, воздействие может быть значительным. «Если вы можете показать, что, манипулируя поверхностью, вы можете увеличить критический тепловой поток на 10-20 процентов, то вы увеличите мощность, производимую на ту же величину в глобальном масштабе, за счет более эффективного использования топлива и ресурсов, которые уже есть ", – говорит Буччи.