vida_louca (vida_louca) wrote,
vida_louca
vida_louca

Categories:

Прикладные вопросы физики. 1. Как сделать теплообмен более эффективным?

... Навеяно блогом aridmoors, в котором задаются острые и нелицеприятные вопросы про науку, в частности - биологию.


Недавно в нашем Институте прошла научная сессия, посвящённая вопросам интенсификации теплообмена: как сделать так, чтобы "нагреватели" работали ещё лучше, их тепло быстро снималось и передавалось куда надо, и чтобы никаких аварий вроде взрывного вскипания теплоносителя или разрушения источника тепла из-за сильного перегрева не было.

Ну, казалось бы, что нового можно сделать в такой "седой" (и, возможно, скучной) науке как теплофизика? Эмпирические законы термодинамики давно установлены, законы переноса тепла, массы и заряда открыты, свойства нужных материалов исследованы, их фазовые диаграммы определены. А вот случись увеличить скорость нужных процессов на несколько процентов, и мы радуемся как дети: в масштабах страны это оказывается гигантская экономия энергии, материалов, времени наконец.

Как же увеличить скорость этих, так нужных процессов? Ну, можно, например, подойти как можно ближе к критической температуре вскипания жидкого теплоносителя. Скорости испарения жидкости и, соответственно, переноса тепла здесь резко возрастают. Но не переходить за пределы, иначе теплообмен сильно падает и возникает угроза аварий. Можно увеличить давление в системе и работать более эффективно при повышенных температурах, но высокое давление грозит новыми авариями.

Можно увеличивать не сами скорости процесса, а удельную поверхность, с которой "снимается" тепло, делая в ней разные дырочки, насечки и другие искривления вплоть до размеров нано. И надеяться при этом, что волшебное слово "нано" так изменит теплофизические свойства используемых материалов, что не на проценты, а на десятки процентов процессы переноса будут более эффективными.

Так почему так трудно даются эти "проценты"? Почему медленное движение вперёд осуществляется исключительно методом "проб и ошибок"? Почему для этого наугад проводятся многие эксперименты с различными конструкциями, материалами и численными расчетами? Печатаются тысячи статей, среди которых так трудно выбрать верное направление? Почему возросшая мощь компьютерных технологий дала мощный толчок во многих областях физики, но не в области тепломассообмена?

А потому, что мы мало - почти ничего не знаем о реальных физических процессах, сопровождающих теплообмен. Вы можете этому не верить, держа перед собой вполне "эффективно" работающие модные "гаджеты", но практика показывает, что изменения в области теплообмена проходят очень медленно.

Мы не знаем, что на самом деле происходит с телом при нагревании, во что превращается тепло - какие элементарные возбуждения при этом возникают. Слова "возникают фононы" в кристалле явно недостаточны для объяснения, ибо совсем не затрагивают роль электронов, локализованных в "атомных оболочках" или делокализованных во всём кристалле. То есть, что-то, конечно, объясняют, но вопросы всё равно остаются. Жидкое состояние знаем совсем плохо, значительно хуже чем газообразное или твёрдое. Кинетическая теория на основе случайного, теплового движения атомов и молекул, созданная Больцманом ещё в позапрошлом веке, что-то нам объясняет, но не говорит главного: элементарное возбуждение в жидкости это вращение атомов, молекул и даже их групп, а не поступательное движение. Не зная во что превращается тепло, мы не можем предсказать, как будут изменяться свойства материалов при нагревании. Мы не можем предсказать ни сам момент фазового перехода, ни что произойдёт в результате этого перехода. И мощные компьютеры нам помочь не смогут. Можно и нужно упомянуть здесь работы Оганова, сумевшего рассчитать и, тем самым, предсказать кристаллическую структуру некоторых простых веществ и соединений. В том числе - ещё не открытых, но его работа потребовала создания специальной компьютерной программы перебора огромного количества возможных квантовых состояний, справедливых только при температуре абсолютного нуля, хотя и разных значениях давления. А вот работу Ландау о фазовых переходах второго рода упоминать не будем. Введённый им "параметр порядка", как мера удаления от фазового перехода, совсем не отражает ни дискретного характера элементарных возбуждений по мере приближения к переходу, ни изменения качества самих возбуждений после перехода.

Мы совсем или почти ничего не знаем о так называемых "когерентных структурах", возникающих в потоках жидкости и газа, участвующих в теплообмене. Примеры таких структур можно наблюдать в виде шестиугольных ячеек Бенара в горизонтальном слое жидкости, нагреваемом снизу. В валикообразном виде слоя сплошных облаков, видимых иногда из иллюминатора самолёта. В смерчах или торнадо, вдруг появляющегося из грозового облака. В различного рода упорядоченных вихрях, в закрученных струях или текущих плёнках жидкости. Сейчас это - модная и интенсивно исследуемая область науки, поскольку эти структуры очень сильно влияют на характер процессов, в которых участвуют. И очень хочется научиться ими управлять. Но пока не удаётся понять, что это за структуры, как они образуются, из чего состоят, как можно их изменить или разрушить. Дополнительную пикантность придаёт то, что эти структуры часто невидимы, об их существовании даже не подозревали. И только засеивание прозрачных потоков отражающими свет малыми частицами позволяет их обнаружить. И то, только после того, как фотографии частиц в потоке, полученные с разных направлений, будут обработаны специальными компьютерными программами. Вот где нужна огромная мощь вычислительной техники!

Подобные "когерентные структуры" возникают и на малых масштабах. И влияют, естественно, на теплообмен. Мы их не видим, не можем теоретически предсказать, часто не можем исследовать экспериментально из-за того, что частицы-маркеры становятся сравнимы с размерами этих структур. Но косвенным образом убеждаемся, что характерные масштабы искусственных неоднородностей в теплообменных аппаратах указывают на размеры этих структур. Которые может учитывать пока только методом "проб и ошибок".


Важно понимать уровень нашего незнания. Важно понимать, что объективно существуют некоторые вещи, которые мы не можем объяснить в рамках устаревших, но считающихся традиционными понятий и теоретических моделей. Важно работать в этом направлении, а не сочинять кучу ненужных статей для отчётов и заявок на гранты. Важно помнить, что метод "проб и ошибок" реально работает, и это единственное, что сейчас у нас есть.

Искренне Ваш, Дулин Михаил.
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 10 comments