Wrzące pęcherzyki podskakują, aby poprawić wymianę ciepła

Woda jest często głównym źródłem wymiany ciepła i jest wykorzystywana w procesach chłodniczych na dużą skalę, np. w chłodnictwie Centra danych To obsługuje Internet i Elektrownie jądrowe Te miasta energetyczne. Trwają prace nad odkrywaniem zjawisk dynamicznych, dzięki którym wymiana ciepła na bazie wody będzie bardziej energetyczna i opłacalna Jonathan Boreyko, profesor nadzwyczajny i John R. Jones III w inżynierii mechanicznej.

Boreyko i jego zespół wspólnie z członkami swojego zespołu opublikowali obszerne publikacje na temat wody i sposobów jej przemieszczania się Laboratorium płynów i interfejsów inspirowanych naturą produkcja Krople wody skaczą Napędzane napięciem powierzchniowym i Mróz, który skacze Przez elektryczność statyczną. Po połączeniu fazy ciekłej i stałej w pierwszych dwóch objętościach, w trzeciej objętości badana jest trzecia faza z wrzącą wodą.

„Podczas moich badań doktoranckich na Duke University odkryłem latające kropelki wody” – powiedział Boreyko. „Dziesięć lat później jeden z moich doktorantów odkrył skaczący lód podczas badań nad wzrostem szronu. To skłoniło mnie do ukończenia trzyetapowej „trylogii” skaczącej wody, którą osiągnęliśmy w tym artykule na temat skakania bąbelków podczas wrzenia wody. .Woda.Kiedy Hyungjoon pokazał mi pierwsze filmy przedstawiające skaczące bąbelki, które uzupełniają trylogię, nie trzeba dodawać, że skakałem z podekscytowania.

Absolwent Hyungjun Park stworzył mikrostrukturalny kocioł zdolny do wystrzeliwania bąbelków o jednej dziesiątej zwykłej wielkości, wypuszczając stały deszcz bąbelków przenoszących energię. Rezultatem jest bardziej efektywny sposób usuwania ciepła z powierzchni. Badanie zostało opublikowane w Zaawansowane materiały funkcjonalne.

Na podstawie gotowania

Gotowanie jest najskuteczniejszym sposobem ciągłego przenoszenia ciepła przez wodę. Jeśli wrzenie pozostaje stałe, podobnie jest z odpływem energii. Energia jest przenoszona w bąbelkach, niczym kuliste samochody przewożące termicznych pasażerów. Pęcherzyki te zwykle opuszczają się, gdy ich wypór staje się silniejszy niż ich przyczepność do powierzchni, powodując ich uniesienie się na powierzchnię i uwolnienie energii.

Nowa metoda Parka i Borico ulepsza tę zasadę, zmniejszając i liczniejszą flotę samochodów typu bańka. Ponieważ odloty z baniek są bardziej spójne, odlatuje także większa liczba aktywnych pasażerów. Bąbelki nie czekają, aż ich pływalność wykona pracę, ale raczej odskakują od gorącej powierzchni z większą szybkością. Ponieważ pęcherzyki są również mikroskopijnie małe, zespołowi udało się rozwiązać problem zapadania się, który ma miejsce w przypadku większych pęcherzyków i zatrzymania odprowadzania ciepła.

„Zwykle proces flotacji oddziela pęcherzyki powierzchniowe, gdy mają one średnicę milimetrów, umożliwiając im ucieczkę i oddanie ciepła w postaci pary” – powiedział Boreyko. „Podczas wrzenia w wyższych temperaturach te pęcherzyki o dużej powierzchni łączą się ze sobą, tworząc ciągłą warstwę pary. Warstwa ta izoluje ciecz od gorącej powierzchni, powodując przerwanie wymiany ciepła”.

Geometria poziomu powierzchni

Sekret stylu zespołu leży w stworzonych przez nich geometrycznych powierzchniach. Dzięki wytworzeniu szeregu mikrowgłębień na powierzchni wrzenia, pęcherzyki tworzą się i rosną preferencyjnie we wnękach. Pary wnęk są celowo umieszczone blisko siebie, co powoduje, że sąsiednie pęcherzyki łączą się w niezwykle małe rozmiary. Przy tak małych rozmiarach siła napięcia powierzchniowego jest bardzo duża, co powoduje, że pęcherzyki odskakują od powierzchni podczas ich stapiania. W przypadku centrum danych szybsze usuwanie ciepła z powierzchni może oznaczać różnicę między normalnym funkcjonowaniem a… Drogie przestoje.

Pod wieloma względami efekt skaczącej bańki jest bardzo podobny do skakających kropli rosy, które Boreko odkrył wcześniej. Zastosowanie napięcia powierzchniowego okazało się przydatne w obu przypadkach, ale dodatkowy czynnik ciepła wniósł nową dynamikę do obrazu.

Łącząc te elementy, Boreyko spodziewa się, że zjawisko skakania stanie się bardziej praktyczne przy znajdowaniu zastosowań na dużą skalę do chłodzenia i wymiany ciepła.

„Aby kropelki mogły skakać, powierzchnia potrzebuje warstwy hydrofobowej i bardzo małych nanostruktur, które są kruche i drogie” – wyjaśnia Boreyko. „W przeciwieństwie do tego bąbelki wolą skakać po powierzchni hydrofilowej, co pozwala na użycie niepowlekanych metali. Ponadto mikrowgłębienia wymagane do skakania pęcherzyków są znacznie większe i trwalsze niż nanostruktury potrzebne do skakania kropel”.

Projekt ten kładzie głębsze podstawy do zrozumienia mechaniki płynów efektu skaczącej bańki. Następnym krokiem jest pomiar zwiększonego przenoszenia ciepła w wyniku wrzenia, który wykreśla się w szerokim zakresie temperatur i geometrii powierzchni, aby lepiej zrozumieć pełny potencjał wrzenia przyspieszonego.