L’acqua è spesso la risorsa di riferimento per il trasferimento di calore, poiché viene utilizzata in operazioni di raffreddamento su larga scala come i data center che alimentano Internet e le centrali nucleari che alimentano le città. Scoprire i fenomeni dinamici per rendere il trasferimento di calore basato sull'acqua più efficiente dal punto di vista energetico ed economico è il lavoro in corso di Jonathan Boreyko, professore associato e John R. Jones III Faculty Fellow in ingegneria meccanica.
Boreyko e il suo team hanno pubblicato ampiamente sul tema dell'acqua e sul modo in cui può muoversi, con i membri del suo laboratorio di fluidi e interfacce ispirati alla natura che producono goccioline d'acqua che saltano spinte dalla tensione superficiale e il gelo che salta attraverso l'elettrostatica. Dopo aver incorporato le due fasi liquida e solida nei primi due volumi, il terzo volume indaga una terza fase con acqua bollente.
"Durante il mio dottorato di ricerca alla Duke University, ho scoperto le gocce d'acqua che saltano", ha detto Boreyko. "Un decennio dopo, il mio studente laureato scoprì il ghiaccio che salta durante la sua ricerca sulla crescita del gelo. Ciò mi rese determinato a completare una "trilogia" in tre fasi per l'acqua che salta, cosa che abbiamo ottenuto qui con questo articolo sulle bolle che saltano durante l'ebollizione dell'acqua. acqua. Quando Hyunggon mi ha mostrato i primi video di queste bolle saltellanti che completano la trilogia, inutile dirlo, stavo saltando dall'eccitazione."
Lo studente laureato Hyunggon Park ha creato una caldaia microstrutturata in grado di rilasciare bolle di un decimo delle dimensioni normali, dispiegando una raffica costante di bolle per trasportare energia. Il risultato è un metodo più efficiente per rimuovere il calore da una superficie. Lo studio è pubblicato in Advanced Functional Materials .
L'ebollizione è il modo più efficiente per trasferire continuamente calore attraverso l'acqua. Se l'ebollizione rimane costante, anche la partenza dell'energia rimane costante. L'energia viene trasportata in bolle, come automobili sferiche che trasportano passeggeri termici. Queste bolle normalmente si allontanano quando la loro galleggiabilità diventa più forte dell'adesione alla superficie, facendole risalire in superficie e rilasciando energia.
Il nuovo metodo di Park e Boreyko migliora questo principio rendendo la flotta di bubble car più piccola e numerosa. Poiché c’è una partenza più costante di bolle, anche più passeggeri energetici se ne vanno. Le bolle non aspettano che la propria galleggiabilità faccia il lavoro, ma si allontanano dalla superficie riscaldata a una velocità maggiore. Poiché anche le bolle sono microscopicamente piccole, il team ha risolto un problema che si verifica con bolle più grandi e blocca la rimozione del calore.
"Normalmente, la galleggiabilità stacca queste bolle superficiali quando hanno un diametro di pochi millimetri, consentendo loro di fuoriuscire e portare via il calore sotto forma di vapore", ha detto Boreyko. "Quando si bolle a temperature più elevate, queste grandi bolle superficiali si fondono insieme per formare una pellicola di vapore continua. Questa pellicola isola il liquido dalla superficie calda, causando un'interruzione del trasferimento di calore."
Ingegneria a livello superficiale
Il segreto del metodo del team si trova nelle superfici ingegnerizzate che hanno creato. Realizzando una serie di microcavità sulla superficie bollente, le bolle si formano e crescono preferenzialmente all'interno delle cavità. Coppie di cavità sono intenzionalmente posizionate molto vicine tra loro, provocando la coalescenza delle bolle vicine a dimensioni insolitamente piccole. A dimensioni così piccole, la forza della tensione superficiale è molto forte, facendo sì che le bolle saltino via dalla superficie mentre si fondono insieme. Nel caso di un data center, una rimozione più rapida del calore da una superficie potrebbe fare la differenza tra il normale funzionamento e costosi tempi di inattività.
In molti modi, questo effetto delle bolle che saltano è molto simile alle goccioline di rugiada che saltano precedentemente scoperte da Boreyko. L'uso della tensione superficiale si è rivelato utile in entrambi i casi, ma il fattore aggiuntivo del calore introduce nuove dinamiche nel quadro.
Mettendo insieme questi pezzi, Boreyko prevede che il fenomeno del salto sarà più pratico quando si troveranno applicazioni diffuse per il raffreddamento e il trasferimento di calore.
"Per far sì che le goccioline saltino, la superficie necessita di un rivestimento idrofobo e di nanostrutture ultra-piccole, entrambe fragili e costose", spiega Boreyko. "Al contrario, le bolle preferiscono saltare su una superficie idrofila, che consente l'utilizzo di metalli non rivestiti. Inoltre, le microcavità necessarie per saltare le bolle sono molto più grandi e più durevoli delle nanostrutture necessarie per saltare le goccioline."
Questo progetto pone basi più profonde per comprendere la meccanica dei fluidi dell’effetto bolla che salta. Il passo successivo è misurare il miglioramento del trasferimento di calore attraverso l'ebollizione, mappato su un'ampia gamma di temperature e geometrie di superficie, per comprendere meglio l'intero potenziale dell'ebollizione potenziata dai salti.
Ulteriori informazioni: Hyunggon Park et al, Bolle saltanti indotte dalla coalescenza durante l'ebollizione della piscina, Materiali funzionali avanzati (2023). DOI:10.1002/adfm.202312088
Informazioni sul giornale: Materiali funzionali avanzati
Fornito da Virginia Tech
