Ny forståelse af varmeoverførsel i kogende vand kan føre til effektivitetsforbedringer i kraftværker

Den enkle handling med kogende vand er en af ​​menneskehedens ældste opfindelser, og stadig centralt for mange af nutidens teknologier, fra kaffemaskiner til atomkraftværker. Men denne tilsyneladende simple proces har kompleksiteter, der længe har trodset fuld forståelse.

Nu, forskere ved MIT har fundet en måde at analysere et af de mest tornede problemer med varmevekslere og andre teknologier, hvor kogende vand spiller en central rolle:hvordan man forudsiger, og forhindre, en farlig og potentielt katastrofal hændelse kaldet en kogende krise. Dette er punktet, hvor der dannes så mange bobler på en varm overflade, at de samler sig til et kontinuerligt dampark, der blokerer enhver yderligere varmeoverførsel fra overfladen til vandet.

Sådanne hændelser kan forårsage svækkelse eller smeltning, så atomkraftværker er designet til at fungere på niveauer langt under dem, der kan udløse en kogende krise. Denne nye forståelse muliggør, at sådanne anlæg kan operere sikkert ved højere outputniveauer ved at reducere de nødvendige driftsmargener.

De nye resultater præsenteres i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve i et oplæg af adjunkt i atomteknik Matteo Bucci og kandidatstuderende Limiao Zhang og Jee Hyun Seong.

"Det er et meget komplekst fænomen, "Bucci siger, og selvom det er blevet "undersøgt i over et århundrede, det er stadig meget kontroversielt. "Selv i det 21. århundrede, han siger, "vi taler om en energirevolution, en computerrevolution, nanoskala transistorer, alle slags store ting. Endnu, stadig i dette århundrede, og måske endda i det næste århundrede, disse er alle begrænset af varmeoverførsel. "

Efterhånden som computerchips bliver mindre og mere kraftfulde, for eksempel, nogle højtydende processorer kan kræve flydende køling for at sprede varme, der kan være for intens for almindelige køleventilatorer. (Nogle supercomputere, og endda nogle avancerede gaming-pc'er, bruger allerede pumpet vand til at afkøle deres chips). Ligeledes, de kraftværker, der producerer det meste af verdens elektricitet, om det er fossilt brændstof, solceller, eller atomkraftværker, hovedsageligt producere strøm ved at generere damp til at dreje møller.

I et atomkraftværk, vand opvarmes af brændstofstængerne, som opvarmes gennem kernereaktioner. Spredningen af ​​varme gennem metaloverfladerne til vandet er ansvarlig for overførsel af energi fra brændstoffet til generatoren, men det er også nøglen til at forhindre brændstoffet i at blive overophedet og potentielt føre til en nedsmeltning. I tilfælde af en kogende krise, dannelsen af ​​et damplag, der adskiller væsken fra metallet, kan forhindre varmen i at blive overført, og kan føre til hurtig overophedning.

På grund af den risiko, regler kræver, at atomkraftværker opererer ved varmefluxer, der ikke er mere end 75 procent af niveauet kendt som den kritiske varmeflux (CHF), hvilket er niveauet, hvor en kogende krise kan udløses, der kan skade kritiske komponenter. Men da de teoretiske grundlag for CHF er dårligt forstået, disse niveauer anslås meget konservativt. Det er muligt, at disse anlæg kunne drives ved højere varmeniveauer, og dermed producere mere strøm fra det samme atombrændstof, hvis fænomenet forstås med større sikkerhed, Siger Bucci.

En bedre forståelse af kogning og CHF er "et så svært problem, fordi det er meget ikke -lineært, "og små ændringer i materialer eller overfladestrukturer kan have store effekter, han siger. Men nu, takket være bedre instrumenter, der er i stand til at fange detaljer om processen i laboratorieforsøg, "vi har faktisk været i stand til at måle og kortlægge fænomenet med den nødvendige rumlige og tidsmæssige opløsning" for at være i stand til at forstå, hvordan en kogende krise starter i første omgang.

Det viser sig, at fænomenet er tæt forbundet med trafikstrømmen i en by, eller til den måde et udbrud af sygdom spreder sig gennem en befolkning. I det væsentlige, Det er et spørgsmål om, hvordan tingene hænger sammen.

Når antallet af biler i en by når en bestemt tærskel, der er en større

sandsynligheden for, at de vil samle sig bestemte steder og forårsage trafikprop. Og, når sygdomsbærere kommer ind på overfyldte steder som lufthavne eller auditorier, chancerne for at udløse en epidemi øges. Forskerne fandt ud af, at boblestanden på en opvarmet overflade følger et lignende mønster; over en bestemt bobletæthed, sandsynligheden stiger, at bobler vil trænges sammen, fusionere, og danne et isolerende lag på den overflade.

"Den kogende krise er i det væsentlige resultatet af en ophobning af bobler, der smelter sammen og falder sammen med hinanden, hvilket fører til svigt i overfladen, " han siger.

På grund af lighederne, Bucci siger, "vi kan tage inspiration, tage den samme tilgang til modelkogning som bruges til at modellere trafikpropper, "og disse modeller er allerede blevet undersøgt godt. Nu, baseret på både eksperimenter og matematisk analyse, Bucci og hans medforfattere har været i stand til at kvantificere fænomenet og nå frem til bedre måder at finde ud af, når starten på sådanne boblefusioner vil finde sted. "Vi viste, at ved hjælp af dette paradigme, vi kan forudsige, hvornår den kogende krise vil opstå, "baseret på mønstrene og tætheden af ​​bobler, der dannes.

Overfladens nanoskala tekstur spiller en vigtig rolle, analysen viser, og det er en af ​​flere faktorer, der kan bruges til at foretage justeringer, der kan øge CHF, og dermed potentielt føre til mere pålidelig varmeoverførsel, hvad enten det drejer sig om kraftværker, flydende køling til avancerede computerchips, eller mange andre processer, hvor varmeoverførsel er en afgørende faktor.

"Vi kan bruge disse oplysninger ikke kun til at forudsige den kogende krise, men også for at undersøge løsninger, ved at ændre den kogende overflade, for at minimere interaktionen mellem bobler, "Siger Bucci." Vi bruger denne forståelse til at forbedre overfladen, så vi kan kontrollere og undgå 'boblemarmeladen'. "

Hvis denne forskning muliggør ændringer, der kan muliggøre sikker drift af atomkraftværker ved højere varmeflux - dvs. den hastighed, hvormed de spreder varme - end i øjeblikket tilladt, virkningen kan være betydelig. "Hvis du kan vise det ved at manipulere overfladen, du kan øge den kritiske varmeflux med 10 til 20 procent, så øger du den producerede effekt med samme mængde, på globalt plan, ved bedre at udnytte det brændstof og de ressourcer, der allerede er der, "Siger Bucci.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.