Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:
проверенный фактами
рецензируемое издание
надежный источник
корректура
Хорошо! Венге Хуан проверяет образцы материалов в лаборатории Цзянтао Ченга. Фото: Алекс Пэрриш из Технологического института штата Вирджиния.
× закрыть
Венге Хуан проверяет образцы материалов в лаборатории Цзянтао Ченга. Фото: Алекс Пэрриш из Технологического института штата Вирджиния.
Бросьте несколько капель воды на горячую сковороду, и если она достаточно горячая, вода начнет шипеть, и капли воды будут катиться и плавать, паря над поверхностью.
Температура, при которой происходит это явление, называемое эффектом Лейденфроста, предсказуема и обычно превышает 230 градусов по Цельсию. Команда Цзянтао Ченга, доцента факультета машиностроения Технологического института Вирджинии, открыла метод создания водной левитации при гораздо более низкой температуре, и результаты были опубликованы в журнале Nature Physics.
Наряду с первым автором и доктором философии. Студент Венге Хуанг, команда Ченга сотрудничала с Национальной лабораторией Ок-Риджа и Даляньским технологическим университетом в рамках исследования.
Это открытие имеет большой потенциал в области теплопередачи, таких как охлаждение промышленных машин и очистка поверхности теплообменников от загрязнений. Это также могло бы помочь предотвратить повреждение и даже катастрофу ядерного оборудования.
В настоящее время в США имеется более 90 лицензированных действующих ядерных реакторов, которые обеспечивают электроэнергией десятки миллионов домов, обеспечивают поддержку местных сообществ и фактически обеспечивают половину производства электроэнергии в стране с использованием экологически чистых источников энергии. Для стабилизации и охлаждения этих реакторов требуются ресурсы, а передача тепла имеет решающее значение для нормальной работы.
Физика парящей воды
На протяжении трёх столетий эффект Лейденфроста был хорошо известным явлением среди физиков, устанавливающим температуру, при которой капли воды зависают на слое собственного пара. Хотя широко известно, что температура начинается с 230 градусов по Цельсию, Ченг и его команда значительно снизили этот предел.
Эффект возникает потому, что существуют два разных состояния воды, сосуществующие вместе. Если бы мы могли видеть воду на уровне капель, мы бы заметили, что на поверхности кипит не вся капля, а только ее часть. Тепло испаряет нижнюю часть, но энергия не проходит через всю каплю. Жидкая часть над паром получает меньше энергии, поскольку большая ее часть используется для кипячения дна. Эта жидкая часть остается нетронутой, и это то, что мы видим плавающим на собственном слое пара. С момента его открытия в 18 веке это явление называлось эффектом Лейденфроста, названным в честь немецкого врача Иоганна Готлоба Лейденфроста.
Эта высокая температура значительно превышает точку кипения воды в 100 градусов по Цельсию, потому что температура должна быть достаточно высокой, чтобы мгновенно образовать слой пара. Слишком низко, и капли не зависают. Слишком высокая температура приведет к испарению всей капли.
Новая работа на поверхности
Традиционное измерение эффекта Лейденфроста предполагает, что нагретая поверхность плоская, что приводит к равномерному попаданию тепла на капли воды. Работая в Лаборатории физики жидкостей Технологического института штата Вирджиния, команда Ченга нашла способ снизить начальную точку эффекта, создав поверхность, покрытую микростолбиками.
«Подобно сосочкам на листе лотоса, микростолбики не только украшают поверхность», — сказал Ченг. «Они придают поверхности новые свойства».
Микростолбики, разработанные командой Ченга, имеют высоту 0,08 миллиметра, что примерно соответствует ширине человеческого волоса. Они расположены регулярным образом на расстоянии 0,12 миллиметра друг от друга. Капля воды включает в себя 100 и более из них. Эти крошечные столбики прижимаются к капле воды, выделяя тепло внутрь капли и заставляя ее закипать быстрее.
По сравнению с традиционным мнением, что эффект Лейденфроста возникает при температуре 230 градусов по Цельсию, микростолбы, похожие на плавники, отдают больше тепла воде, чем плоская поверхность. Это заставляет микрокапли подниматься в воздух и спрыгивать с поверхности в течение миллисекунд при более низких температурах, поскольку скорость кипения можно контролировать, изменяя высоту столбиков.
Снижение пределов Лейденфроста
Когда текстурированная поверхность была нагрета, команда обнаружила, что температура, при которой достигается эффект плавания, была значительно ниже, чем у плоской поверхности, начиная со 130 градусов по Цельсию.
Это не только новое открытие для понимания эффекта Лейденфроста, но и изменение ранее представляемых ограничений. Исследование Университета Эмори, проведенное в 2021 году, показало, что свойства воды на самом деле приводят к исчезновению эффекта Лейденфроста, когда температура нагретой поверхности снижается до 140 градусов. Используя микростолбы, созданные командой Ченга, эффект сохраняется даже при температуре на 10 градусов ниже этой температуры.
«Мы думали, что микростолбы изменят поведение этого хорошо известного явления, но наши результаты бросили вызов даже нашему собственному воображению», — сказал Ченг. «Наблюдаемые взаимодействия пузырьков и капель являются большим открытием в области теплопередачи при кипении».
Эффект Лейденфроста — это не просто интригующее явление, за которым стоит наблюдать, это еще и критический момент в теплопередаче. Когда вода кипит, она наиболее эффективно отводит тепло от поверхности. В таких приложениях, как охлаждение машин, это означает, что адаптация горячей поверхности к текстурированному подходу, представленному командой Ченга, обеспечивает более быстрый отвод тепла, что снижает вероятность повреждений, вызванных перегревом машины.
«Наши исследования могут предотвратить такие катастрофы, как взрывы пара, которые представляют серьезную угрозу для промышленного теплообменного оборудования», — сказал Хуанг. «Взрывы пара происходят, когда пузырьки пара внутри жидкости быстро расширяются из-за присутствия поблизости интенсивного источника тепла. Одним из примеров того, где этот риск особенно актуален, являются атомные электростанции, где структура поверхности теплообменников может влиять на рост пузырьков пара и потенциально вызвать такие взрывы. Благодаря нашим теоретическим исследованиям в статье мы исследуем, как структура поверхности влияет на режим роста пузырьков пара, предоставляя ценную информацию о контроле и снижении риска паровых взрывов».
Еще одна проблема, которую решает команда, — это примеси, которые жидкости оставляют в текстурах шероховатых поверхностей, что затрудняет самоочистку. При очистке распылением или ополаскивании ни обычный метод Leidenfrost, ни холодные капли при комнатной температуре не могут полностью удалить отложившиеся частицы с шероховатостей поверхности.
Используя стратегию Ченга, генерация пузырьков пара способна вытеснять эти частицы с шероховатостей поверхности и суспендировать их в капле. Это означает, что кипящие пузырьки могут отводить тепло и загрязнения от поверхности.
Больше информации:
Физика природы (2024).
Информация журнала:
Физика природы
2024-05-24 09:00:01
1716541885
#Новый #метод #может #создать #водную #левитацию #при #гораздо #более #низкой #температуре #имеет #значение #для #охлаждения #ядерных #реакторов
