Podrasowane pęcherzyki

Turbodoładowany proces wrzenia zapewnia wydajniejszy transfer ciepła

WZNOSZąCE SIę we wrzącej wodzie pęcherzyki to jedno z najlepszych w przyrodzie narzędzi do odprowadzania nadmiaru ciepła. A teraz znaleziono sposób na zwiększenie jego efektywności – spowodowanie tworzenia się mniejszych, szybciej poruszających się pęcherzyków, które działają w parach.

Nie pomoże to nam w szybszym przygotowaniu filiżanki herbaty. Niemniej nowa mikrostrukturyzowana powierzchnia, opracowana przez inżyniera z Virginia Tech Jonathana Boreyko i jego współpracowników w celu wytworzenia tych podrasowanych pęcherzyków, może poprawić wydajność wymiany ciepła w systemach chłodzenia cieczą w serwerowniach i elektrowniach.

Gdy ciecz jest podgrzewana w metalowym naczyniu, pęcherzyki tworzą się nierównomiernie na gładkiej powierzchni jego dna i odrywają się, gdy mają kilka milimetrów średnicy, a następnie unoszą się i uwalniają ciepło w formie pary wodnej. Boreyko odkrył, że siatka złożona z wgłębień o średnicy 80 μm i rowków o szerokości 40 μm na dnie komory wrzenia wyznacza miejsca formowania i wzrostu pęcherzyków, co skutkuje mniejszymi, ściślej upakowanymi pęcherzykami, z których każdy szybko przylega do najbliższego sąsiada. Wskutek zmian energii powierzchniowej te maleńkie pary odrywają się od siebie, co daje im silny impuls początkowy do wznoszenia się i zapewnia większą liczbę szybko unoszących się nośników ciepła.

Schemat ten, opisany w czasopiśmie „Advanced Functional Materials”, rozwiązał również problem związany z wrzeniem w podwyższonej temperaturze – stosunkowo duże pęcherzyki często tworzą wówczas warstwę pary na powierzchni grzewczej, izolując ją, co doprowadza do jej „wysychania”. „Ten innowacyjny mechanizm podrasowanych pęcherzyków jest obiecujący pod względem skutecznego zapobiegania wysychaniu i wspomagania wymiany ciepła” – mówi Xianming Dai, inżynier mechanik z University of Texas w Dallas, który zajmuje się projektowaniem powierzchni dla systemów energetycznych.

Według Boreyki, „zaletą podrasowanych pęcherzyków jest to, że można je uzyskać za pomocą stosunkowo dużych mikrostruktur”, które są trwalsze niż nanostruktury o drobniejszej skali. Struktury takie można łatwo wytłoczyć lub wydrukować w 3D na różnych materiałach, mówi Amy Betz, badaczka mikroprzepływów z Kansas State University. „Może to mieć daleko idące konsekwencje w kwestii działania wymienników ciepła, kotłów i chłodzenia układów elektronicznych” – dodaje.

Niemniej technika ta nie jest jeszcze gotowa do zastosowania w przemyśle, ostrzega Guanyu Su, który pracuje nad wysokotemperaturowym magazynowaniem ciepła na University of California w Berkeley. Zgadza się, że szybsze uwalnianie pęcherzyków może zwiększyć transfer ciepła podczas wrzenia. „Ale o ile? To trzeba będzie dopiero zmierzyć” – mówi Su.

Rachel Berkowitz