Ny metode kan skabe akvatisk levitation ved meget lavere temperatur, har konsekvenser for afkøling af atomreaktorer

Sprøjt et par dråber vand på en varm pande, og hvis panden er varm nok, vil vandet syde, og vanddråberne ser ud til at rulle og flyde og svæve over overfladen.

Temperaturen, ved hvilken dette fænomen, kaldet Leidenfrost-effekten, opstår, er forudsigelig og sker normalt over 230 grader Celsius. Holdet af Jiangtao Cheng, lektor i Virginia Tech Department of Mechanical Engineering, har opdaget en metode til at skabe den akvatiske levitation ved en meget lavere temperatur, og resultaterne er blevet offentliggjort i Nature Physics .

Ved siden af ​​førsteforfatter og ph.d. studerende Wenge Huang, Chengs team samarbejdede med Oak Ridge National Lab og Dalian University of Technology om dele af forskningen.

Opdagelsen har et stort potentiale inden for varmeoverførselsapplikationer såsom afkøling af industrielle maskiner og overfladebegroningsrensning til varmevekslere. Det kunne også hjælpe med at forhindre skader og endda katastrofe på nukleare maskiner.

I øjeblikket er der mere end 90 licenserede operative atomreaktorer i USA, der driver titusinder af hjem, forankrer lokalsamfund og faktisk står for halvdelen af ​​landets elproduktion med ren energi. Det kræver ressourcer at stabilisere og afkøle disse reaktorer, og varmeoverførsel er afgørende for normal drift.

Fysikken i svævende vand

I tre århundreder har Leidenfrost-effekten været et velkendt fænomen blandt fysikere, der fastslår den temperatur, ved hvilken vanddråber svæver på en seng af deres egen damp. Mens det er blevet bredt dokumenteret at starte ved 230 grader Celsius, har Cheng og hans team skubbet denne grænse meget lavere.

Effekten opstår, fordi der er to forskellige vandtilstande, der lever sammen. Hvis vi kunne se vandet på dråbeniveau, ville vi observere, at ikke hele en dråbe koger ved overfladen, kun en del af den. Varmen fordamper bunden, men energien går ikke gennem hele dråben. Den flydende del over dampen modtager mindre energi, fordi meget af den bruges til at koge bunden. Den flydende del forbliver intakt, og det er det, vi ser flyde på sit eget damplag. Dette er blevet omtalt siden dets opdagelse i det 18. århundrede som Leidenfrost-effekten, opkaldt efter den tyske læge Johann Gottlob Leidenfrost.

Den varme temperatur er et godt stykke over vandets 100 grader celsius kogepunkt, fordi varmen skal være høj nok til øjeblikkeligt at danne et damplag. For lavt, og dråberne svæver ikke. For høj, og varmen vil fordampe hele dråben.

Nyt arbejde ved overfladen

Den traditionelle måling af Leidenfrost-effekten forudsætter, at den opvarmede overflade er flad, hvilket får varmen til at ramme vanddråberne ensartet. Chengs team arbejder i Virginia Tech Fluid Physics Lab og har fundet en måde at sænke effektens udgangspunkt ved at producere en overflade dækket med mikrosøjler.

"Ligesom papiller på et lotusblad gør mikrosøjler mere end at dekorere overfladen," sagde Cheng. "De giver overfladen nye egenskaber."

Mikropillerne designet af Chengs team er 0,08 millimeter høje, omtrent det samme som bredden af ​​et menneskehår. De er arrangeret i et regulært mønster med 0,12 millimeters mellemrum. En dråbe vand omfatter 100 eller flere af dem. Disse små søjler presses ind i en vanddråbe og frigiver varme ind i dråbens indre og får den til at koge hurtigere.

Sammenlignet med den traditionelle opfattelse, at Leidenfrost-effekten udløser ved 230 grader Celsius, presser de finne-array-lignende mikrosøjler mere varme ned i vandet end en flad overflade. Dette får mikrodråber til at svæve og hoppe fra overfladen inden for millisekunder ved lavere temperaturer, fordi kogehastigheden kan kontrolleres ved at ændre højden af ​​søjlerne.

Sænkning af grænserne for Leidenfrost

Da den teksturerede overflade blev opvarmet, opdagede holdet, at temperaturen, ved hvilken den flydende effekt blev opnået, var betydeligt lavere end på en flad overflade, startende ved 130 grader Celsius.

Ikke alene er dette en ny opdagelse for forståelsen af ​​Leidenfrost-effekten, det er en drejning af de grænser, man tidligere havde forestillet sig. En undersøgelse fra Emory University fra 2021 viste, at vandets egenskaber faktisk fik Leidenfrost-effekten til at svigte, når temperaturen på den opvarmede overflade sænkes til 140 grader. Ved at bruge mikropillerne skabt af Chengs team er effekten holdbar selv 10 grader under det.

"Vi troede, at mikropillerne ville ændre adfærden for dette velkendte fænomen, men vores resultater trodsede selv vores egen fantasi," sagde Cheng. "De observerede boble-dråbe-interaktioner er en stor opdagelse for kogende varmeoverførsel."

Leidenfrost-effekten er mere end et spændende fænomen at se, den er også et kritisk punkt i varmeoverførsel. Når vand koger, er det mest effektivt at fjerne varme fra en overflade. I applikationer som maskinkøling betyder det, at tilpasning af en varm overflade til den teksturerede tilgang præsenteret af Chengs team får varmen hurtigere ud, hvilket mindsker muligheden for skader forårsaget, når en maskine bliver for varm.

"Vores forskning kan forhindre katastrofer som dampeksplosioner, som udgør væsentlige trusler mod industrielt varmeoverførselsudstyr," sagde Huang. "Dampeksplosioner opstår, når dampbobler i en væske hurtigt udvider sig på grund af tilstedeværelsen af ​​en intens varmekilde i nærheden. Et eksempel på, hvor denne risiko er særlig relevant, er i atomkraftværker, hvor overfladestrukturen af ​​varmevekslere kan påvirke dampboblernes vækst og potentielt udløse sådanne eksplosioner Gennem vores teoretiske udforskning i papiret, undersøger vi, hvordan overfladestrukturen påvirker væksttilstanden for dampbobler, hvilket giver værdifuld indsigt i at kontrollere og afbøde risikoen for dampeksplosioner."

En anden udfordring, som holdet løser, er de urenheder, væsker efterlader i teksturerne på ru overflader, hvilket udgør udfordringer for selvrensende. Under sprayrengøring eller skylningsforhold kan hverken konventionel Leidenfrost eller kolde dråber ved stuetemperatur fuldstændigt fjerne aflejrede partikler fra overfladeruhed.

Ved at bruge Chengs strategi er dannelsen af ​​dampbobler i stand til at fjerne disse partikler fra overfladens ruhed og suspendere dem i dråben. Det betyder, at de kogende bobler både kan flytte varme og urenheder væk fra overfladen.