Новое понимание теплообмена при парообразовании увеличит КПД электростанций

Простое кипячение воды - одно из древнейших изобретений человечества, которое до сих пор занимает центральное место во многих современных технологиях, от кофеварок до атомных электростанций. И все же этот, казалось бы, простой процесс имеет сложности, которые долгое время не поддаются полному пониманию.

Исследователи из Массачусетского технологического института нашли способ проанализировать одну из самых острых проблем теплообменных технологий, в которых кипящая вода играет центральную роль, а именно, как прогнозировать и предотвращать опасное и потенциально аварийный режим, называемый кризисом кипения. Это точка, когда на горячей поверхности образуется так много пузырьков, что они объединяются в общий слой пара, который блокирует любую дальнейшую передачу тепла от поверхности к воде.

Исследователи уточняют теорию парообразования

Такие события могут вызвать аварийные ситуации, поэтому атомные станции рассчитаны на работу на уровнях, намного ниже тех, которые могут вызвать кризис кипения. Это новое исследование может позволить таким установкам безопасно работать на более высоких уровнях выработки путем снижения необходимой операционной прибыли.

Новые результаты представлены в журнале Physical Review Letters в Маттео Буччи, Лимяо Чжана и Джи Хён Сонга.

"Это очень сложный процесс", - говорит Буччи, и хотя его исследовали более ста лет назад, по-прежнему остаются вопросы". В 21 веке мы говорим об энергетической революции, компьютерной революции, наноразмерных транзисторах, других технологических достижениях. Тем не менее, в этом столетии, а может быть, даже в следующем столетии, все они будут ограничены своей теплопередачей."

Например, по мере того, как компьютерные чипы становятся меньше и мощнее, некоторым высокопроизводительным процессорам требуется жидкостное охлаждение для рассеивания тепла, которое может быть слишком интенсивным для обычных вентиляторов. (Некоторые суперкомпьютеры и даже некоторые высококлассные игровые ПК уже используют воду для охлаждения своих чипов). Аналогичным образом, электростанции, которые производят большую часть мировой электроэнергии, будь то ископаемое топливо, солнечные или атомные электростанции, вырабатывают энергию, генерируя пар для вращения турбин.

Из-за риска перегрева, атомные станции работают с уровнем тепловых потоков, которые не превышают 75 процентов от уровня, известного как критический тепловой поток (CHF) (уровень, когда может возникнуть кризис кипения), Но поскольку теоретические основы плохо изучены, эти уровни оцениваются очень консервативно. Возможно, что эти установки могли бы эксплуатироваться на более высоких уровнях тепловых потоков, таким образом производя больше энергии из того же ядерного топлива.

Понимание кипения и CHF - «  Очень сложная задача, потому что она очень нелинейная», и небольшие изменения в материалах или текстурах поверхности могут иметь большие последствия. Но теперь, благодаря улучшенным инструментам, способным фиксировать детали процесса в лабораторных экспериментах, ученые смогли реально измерить и прояснить факторы с требуемым пространственным и временным разрешением», чтобы понять, как начинается кризис кипения.

Оказывается, это явление тесно связано с движением транспорта в городе или с тем, как вспышка болезни распространяется среди населения. 

Когда количество автомобилей в городе достигает определенного порога, увеличивается вероятность того, что они соберутся в определенных местах и создадут пробки. И когда носители болезней попадают в многолюдные места, такие как аэропорты или аудитории, шансы вызвать эпидемию возрастают. Исследователи обнаружили, что популяция пузырьков на нагретой поверхности имеет сходную картину; с увеличением 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 друг с другом, что приводит к разрушению поверхности", - говорит Буччи.

"Из-за сходства процессов, мы можем черпать вдохновение и использовать тот же подход к моделированию кипения, который используется для моделирования пробок и эти модели уже хорошо изучены", - говорит Буччи. Теперь, основываясь как на экспериментах, так и на математическом анализе, Буччи и его соавторы смогли количественно оценить это явление и найти более эффективные способы определить, когда происходит такое слияние пузырей. "Мы показали, что, используя эту модель, мы можем предсказать, когда наступит кризис кипения, основываясь на закономерностях и плотности пузырьков, которые образуются".

Анализ показывает, что наноразмерная текстура поверхности играет важную роль, и это один из нескольких факторов, которые можно использовать для корректировки, которая может повысить CHF и, таким образом, потенциально привести к более надежной передаче тепла, будь то теплообменники электростанции, жидкостное охлаждение для продвинутых компьютерных чипов или многие другие процессы, где теплообмен является решающим фактором.

«Мы можем использовать эту информацию не только для прогнозирования кризиса кипения, но и для поиска решений путем изменения поверхности кипения, чтобы минимизировать взаимодействие между пузырьками», - говорит Буччи. 

Если это исследование позволят внести изменения, которые обеспечат безопасную эксплуатацию атомных станций при более высоких тепловых потоках, то эффект может быть очень значительным. «Если вы можете, манипулируя поверхностью, увеличить критический тепловой поток на 10–20 процентов, то вы увеличите производимую мощность на ту же величину, за счет более эффективного использования топлива и ресурсов", - говорит Буччи. опубликовано econet.ru  

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet