Vatten är ofta den bästa resursen för värmeöverföring, och används i storskaliga kylningsoperationer som datacenter som driver internet och kärnkraftverk som driver städer. Att upptäcka dynamiska fenomen för att göra vattenbaserad värmeöverföring mer energi och kostnadseffektiv är det pågående arbetet av Jonathan Boreyko, docent och John R. Jones III fakultetsstipendiat i maskinteknik.
Boreyko och hans team har publicerat mycket om ämnet vatten och hur det kan röra sig, med medlemmar av hans Nature-Inspired Fluids and Interfaces Lab som producerar vattendroppar som hoppar fram av ytspänning och frost som hoppar av elektrostatik. Efter att ha införlivat de två faserna av flytande och fast material i de första två volymerna, undersöker deras tredje volym en tredje fas med kokande vatten.
"Under min doktorandforskning vid Duke University upptäckte jag hoppande vattendroppar," sa Boreyko. "Ett decennium senare upptäckte min egen doktorand hoppande is under sin forskning om frosttillväxt. Detta gjorde att jag bestämde mig för att slutföra en tre-fas "trilogi" för att hoppa vatten, vilket vi uppnådde här med denna artikel om hoppande bubblor under kokning av vatten. När Hyunggon visade mig de första videorna av dessa hoppande bubblor som fullbordar trilogin, hoppade jag naturligtvis av spänning."
Doktorand Hyunggon Park skapade en mikrostrukturerad panna som kan släppa ut bubblor med en tiondel av den vanliga storleken, och distribuera en stadig störtflod av bubblor för att transportera energi. Resultatet är en effektivare metod för att ta bort värme från en yta. Studien publiceras i Advanced Functional Materials .
Kokning är det mest effektiva sättet att kontinuerligt överföra värme genom vatten. Om kokningen förblir konstant, gör också energiavgången. Energi förs bort i bubblor, som sfäriska bilar som transporterar värmepassagerare. Dessa bubblor försvinner normalt när deras egen flytkraft blir starkare än ytvidhäftning, vilket får dem att stiga upp till ytan och frigöra energin.
Park och Boreykos nya metod förbättrar den principen genom att göra flottan av bubbelbilar mindre och fler. Eftersom det är en mer konstant avgång av bubblor, lämnar också fler energipassagerare. Bubblorna väntar inte på sin egen flytkraft för att göra jobbet, men de hoppar bort från den uppvärmda ytan i snabbare takt. Eftersom bubblorna också är mikroskopiskt små, har teamet löst ett haveri som inträffar med större bubblor och värmeavlägsnande.
"Normalt lösgör flytkraften dessa ytbubblor när de är millimeter i diameter, vilket gör att de kan fly och ta bort värmen som ånga," sa Boreyko. "När de kokar vid högre temperaturer smälter dessa stora ytbubblor samman och bildar en kontinuerlig ångfilm. Denna film isolerar vätskan från den heta ytan, vilket orsakar ett sammanbrott i värmeöverföringen."
Teknik på ytnivå
Hemligheten med teamets metod finns i de konstruerade ytorna de har skapat. Genom att tillverka en rad mikrohåligheter på den kokande ytan, bildas bubblor företrädesvis och växer inuti kaviteterna. Par av hålrum placeras avsiktligt mycket nära varandra, vilket gör att närliggande bubblor smälter samman i ovanligt små storlekar. Vid så små storlekar är ytspänningskraften mycket stark, vilket gör att bubblorna hoppar bort från ytan när de smälter samman. När det gäller ett datacenter kan snabbare borttagning av värme från en yta betyda skillnaden mellan business as usual och kostsam driftstopp.
På många sätt är denna hoppbubblaeffekt väldigt lik de hoppande daggdroppar som tidigare upptäckts av Boreyko. Användningen av ytspänning visade sig vara värdefull i båda fallen, men den extra värmefaktorn ger ny dynamik in i bilden.
Genom att sätta ihop dessa bitar förväntar sig Boreyko att hoppfenomenet kommer att vara mer praktiskt när man hittar utbredda tillämpningar för kylning och värmeöverföring.
"För att få droppar att hoppa behöver ytan en hydrofob beläggning och ultrasmå nanostrukturer, som båda är ömtåliga och dyra", förklarar Boreyko. "Däremot föredrar bubblor att hoppa på en hydrofil yta, vilket gör att obelagda metaller kan användas. Dessutom är mikrohålrummen som krävs för hoppande bubblor mycket större och mer hållbara än de nanostrukturer som behövs för att hoppa droppar."
Detta projekt lägger en djupare grund för att förstå vätskemekaniken i den hoppande bubbeleffekten. Nästa steg är att mäta den förbättrade värmeöverföringen genom kokning, kartlagd över ett brett område av temperaturer och ytgeometrier, för att få en bättre förståelse för den fulla potentialen av hoppförstärkt kokning.
Mer information: Hyunggon Park et al, Coalescence-Induced Jumping Bubbles under Pool Boiling, Avancerade funktionella material (2023). DOI:10.1002/adfm.202312088
Journalinformation: Avancerat funktionsmaterial
Tillhandahålls av Virginia Tech
