Wat zijn de invloeden van microkanalen op de warmteoverdracht en stromingsverhoudingen bij het koken van water en emulsies?

De studie van stromingskoken van water en verdunde emulsies in microkanalen biedt diepgaande inzichten in de dynamiek van warmteoverdracht en vloeistofstroming bij microscopische schalen. Deze processen, die essentieel zijn in een breed scala aan industriële toepassingen zoals koeltechnologie en micro-elektronica, worden sterk beïnvloed door de specifieke kenmerken van de microkanalen, zoals de kanaalgrootte en de oppervlakteruwheid. In deze context worden metingen uitgevoerd in microkanalen met hydrodynamische diameters van 200, 500 en 1000 µm, en massafluxen variërend van 150 tot 550 kg/m²s. De emulsies bestaan uit druppels FC-72 die zijn gesuspendeerd in water bij volumefracties van 0,1%, 0,5%, 1% en 2%, zonder het gebruik van een oppervlakte-actieve stof.

Bij het koken van emulsies op een glad oppervlak bleek dat een toename van de volumefractie van 0,1% naar 0,5% in sommige gevallen de warmteoverdracht verbeterde, maar dat bij een volumefractie van 1–2% geen significante voordelen werden waargenomen en in sommige experimenten de warmteoverdracht juist afnam. Dit suggereert dat de emulsiemiddelen, hoewel ze het kookproces beïnvloeden, niet altijd leiden tot een verbeterde warmteoverdracht wanneer de concentratie van de druppels te hoog is. De emulsie lijkt de warmteoverdracht te verbeteren in grotere kanaalgroottes en bij lagere massafluxen. Het is dan ook waarschijnlijk dat twee mechanismen van warmteoverdracht gelijktijdig optreden: (1) geleiding in een dunne film van FC-72, die de warmteoverdracht belemmert vanwege de lage thermische geleidbaarheid van FC-72, en (2) de menging door het koken van de FC-72, die de warmteoverdrachtscoëfficiënt verhoogt.

De verbeterde prestaties van de emulsie op een poreus oppervlak met een open poriënstructuur (zoals het oppervlak met een dikte van 633 µm) kunnen worden toegeschreven aan de mogelijkheid van de FC-72 druppels om in de poreuze structuur te stromen en bellen te nucleëren. Dit vergemakkelijkt de verdamping van het dampen en verhoogt de warmteoverdrachtsefficiëntie. Bij oppervlakken met grotere porositeit wordt deze interactie tussen de emulsie en de poreuze structuur nog efficiënter. Het gebruik van dergelijke poriënstructuren blijkt bijzonder voordelig te zijn voor het verbeteren van de thermische prestaties in microkanalen.

Deze bevindingen kunnen verder worden vertaald naar praktische toepassingen door regimekaarten te ontwikkelen die aangeven waar emulsies de warmteoverdracht verbeteren of juist verzwakken, afhankelijk van de oppervlakeigenschappen en geometrie van het kanaal. Dit biedt waardevolle inzichten voor het ontwerp van systemen die gebruik maken van stromingskoken in microkanalen, zoals in de koeltechnologie voor elektronische componenten en in de micro-elektronica, waar de efficiënte warmteoverdracht cruciaal is.

Het is belangrijk te begrijpen dat de eigenschappen van zowel de fluïdalen als de kanalen zelf een significante invloed hebben op de uiteindelijke prestaties van het systeem. In gevallen waar de emulsie wordt gebruikt om de warmteoverdracht te verbeteren, kan de keuze voor een geschikt kanaaloppervlak het verschil maken in termen van effectiviteit en kostenbesparing. Er moet echter ook rekening worden gehouden met de mogelijkheid van verhoogde drukverliezen bij het gebruik van poreuze oppervlakken, wat het ontwerp van het systeem moet sturen.

Hoe gedragen bellen zich tijdens het koken van verdunde emulsies?

Bij het bestuderen van koken in verdunde emulsies treden aanzienlijke optische moeilijkheden op. Enerzijds verstrooien kleine vloeistofdruppels het invallende licht, wat de emulsie ondoorzichtig maakt en directe observatie belemmert. Anderzijds liggen de brekingsindices van veel gebruikte vloeistoffen – zoals water, FC72, pentaan en VO1C-olie – dicht bij elkaar, wat het onderscheid tussen de afzonderlijke componenten bijna onmogelijk maakt. Toch is videografie succesvol toegepast om het kookgedrag van diverse emulsies te analyseren, waaronder FC72-in-water, pentaan-in-water, pentaan-in-glycerine en water-in-VO1C-olie.

Uit observaties bij het koken van pentaan-in-water-emulsies blijkt dat grote bellen zich hechten aan een elektrisch verwarmde draad bij lage warmtestroomdichtheid. Naarmate deze stroom toeneemt, neemt de bellengrootte af, maar hun aantal neemt toe. De pentaandruppels in de emulsie hebben een diameter van 4 tot 22 μm, met een gemiddelde van ongeveer 8 μm. De emulsie zelf is onderkoeld met een temperatuurverschil van 13 °C tussen de verzadigingstemperatuur en de bulktemperatuur. Verdamping treedt uitsluitend op aan het oppervlak van de draad; er wordt geen spontane verdamping waargenomen in de vloeistoffase ver van de draad.

Een interessante waarneming is dat grote bellen zich niet vormen door directe verdamping van afzonderlijke druppels in de emulsie, maar doordat meerdere pentaandruppels zich aan de draad hechten, samensmelten en vervolgens samen verdampen. Bovendien vormen bellen zich aan het oppervlak, verzamelen zich met andere bellen tot een cluster, en laten vervolgens de draad los zonder onderlinge coalescentie. Bij hogere warmtestromen kunnen bellen ook naar beneden worden gestuwd – weg van de draad – in plaats van er gewoon vanaf te stijgen. Deze dynamiek verklaart de aanwezigheid van bellen onder de draad in bepaalde observatiebeelden.

Vergelijkbare fenomenen zijn waargenomen in FC72-in-water-emulsies. Op een 10 μm dikke draad ontstaan bellen aanvankelijk bij lage warmtestroomdichtheid op het oppervlak. Bij toenemende warmtestroom ontstaan meer bellen, die groter worden en frequenter loskomen van de draad. Sommige bellen worden met aanzienlijke snelheid losgelaten en vertonen initieel een neerwaartse beweging voordat ze door opwaartse drijfkracht weer stijgen. Tijdens het opstijgen krimpen de bellen zichtbaar door condensatie. Op hogere warmtestroomniveaus ontstaan bellen die bij vertrek veel kleiner zijn dan bij lagere warmtestromen. De exacte samenstelling van deze bellen – of het FC72 of water is – blijft onduidelijk door de vergelijkbare optische eigenschappen.

Belangwekkend is dat de hoeveelheid bellen die zichtbaar is in de observatiebeelden niet volledig verklaart waarom de warmtetransfercoëfficiënt zo sterk stijgt. Het vermoeden bestaat dat zeer kleine of snelle processen betrokken zijn die de gebruikte beeldtechniek niet kan vastleggen. De beperkingen in beeldresolutie en beeldfrequentie vormen dus een fundamentele barrière in het begrijpen van microschaalverschijnselen in deze systemen.

Bij stromend koken van verdunde emulsies is recent experimenteel bewijs geleverd dat de warmtetransfercoëfficiënt aanzienlijk toeneemt. In water-in-VO1C-olie-emulsies werd gevonden dat fijne emulsies (1–2 μm druppels) pas beginnen te koken bij hogere wandtemperaturen dan grove emulsies (20–30 μm). De kritische warmtestroom neemt af bij een hogere druppelconcentratie en grotere druppelgrootte. De verklaring ligt in het gemakkelijker vormen van een dampfilm bij grotere waterinhoud of grotere druppelvolumes. Deze dampfilm beïnvloedt niet alleen de stabiliteit van het kookproces, maar bepaalt mede het limietpunt van warmteoverdracht.

In andere experimenten met water-in-organosilicon-vloeistof (PES4) emulsies is aangetoond dat met toenemende volumepercentages PES4 de warmteoverdrachtscoëfficiënt toeneemt, zelfs tot 33% gewicht, wat opmerkelijk is aangezien bij stilstaand koken zulke toenames meestal slechts tot 1% optreden. Deze resultaten suggereren dat de dynamiek van stromend koken fundamenteel verschilt van die van stilstaand koken, mede door de aanwezigheid van gedwongen convectie, schuifspanningen en mogelijkerwijs meer uitgesproken druppel-wand-interacties.

Wat niet geobserveerd wordt – maar wel cruciaal is – is het gedrag van de druppels zelf binnen de emulsie tijdens het koken. De nauwe overeenstemming in brekingsindex tussen druppel en continue fase verhindert optische resolutie van de druppels. Hierdoor kan men de mechanica van druppels, hun interactie met het verwarmd oppervlak, of hun precieze rol in nucleatieprocessen niet waarnemen. Om deze mechanismen te ontrafelen, zijn alternatieve beeldvormingstechnieken vereist die gevoeliger zijn voor brekingsindexverschillen of die thermografische informatie kunnen leveren op microschaal.

Hoe beïnvloeden porositeit en emulsieconcentratie het kookgedrag en warmteoverdracht op poreuze oppervlakken?

Bij het bestuderen van de kookkarakteristieken en warmteoverdracht op poreuze oppervlakken met variërende kanaalafmetingen (Dh = 200, 500 en 1000 μm) blijkt dat de eigenschappen van de vloeistof en de geometrie van het oppervlak een cruciale rol spelen in het bepalen van de efficiëntie en het gedrag van het kookproces. Bij een kanaalafstand van 500 μm vertonen zowel zuiver water als emulsies bij lage wandtemperaturen vergelijkbare kookcurves en warmteoverdrachtscoëfficiënten. Echter, boven 80 °C verschuift het kookgedrag van water naar hogere wandtemperaturen met een afname in warmteoverdracht. Tegelijkertijd laten emulsies in dit temperatuurbereik juist een lichte toename zien in warmteoverdrachtscoëfficiënt, wat duidt op een complexere interactie tussen de dispergeerde fase en het kookproces.

Voor grotere kanaalafstanden, zoals 1000 μm, zijn de kookcurves van water en emulsies vergelijkbaar, waarbij water bij lagere wandtemperaturen een iets hogere warmteoverdrachtscoëfficiënt toont. Bij temperaturen boven 70 °C presteren emulsies echter beter doordat het koken van de dispergeerde component in de emulsie de warmteoverdracht versterkt. Dit fenomeen benadrukt het belang van de samenstelling van de vloeistof en de fase-overgangen die in emulsies optreden.

De drukval in het systeem vertoont een duidelijke afhankelijkheid van zowel de kanaalbreedte als de emulsieconcentratie. Voor Dh = 200 en 1000 μm is de drukval bij emulsies consistent hoger dan bij water, waarbij bij een concentratie van 2% in het smalste kanaal (200 μm) een plotselinge en sterke toename in drukval optreedt rond 71 °C wandtemperatuur. Dit punt valt samen met een aanzienlijke verbetering van de warmteoverdracht, wat wijst op een gekoppeld mechanisme tussen drukverhoging en kookdynamiek.

De vergelijking tussen gladde en microporeuze oppervlakken laat zien dat microporeuze structuren over het algemeen een hogere warmteoverdrachtscoëfficiënt kunnen bieden, vooral bij hogere massastromen en grotere kanaalafstanden. Porous Surface 1 toont hierbij de meest uitgesproken prestaties, vooral bij een kanaalafstand van 500 μm. Op lagere massastromen en kleinere kanaalafstanden verslechtert de warmteoverdracht echter, en wordt de overgang naar kritische warmteflux (CHF) eerder bereikt, wat wijst op een beperkende factor van microstructuren in bepaalde configuraties.

Bij Dh = 1000 μm vertonen alle drie de poreuze oppervlakken een duidelijke verbetering van de warmteoverdracht vergeleken met gladde oppervlakken, met name door een verschuiving van de kookcurve naar lagere wandtemperaturen. Dit versterkt de hypothese dat een grotere kanaalbreedte de stromings- en kookdynamiek ten goede komt, wat leidt tot efficiëntere warmteafvoer. Emulsies laten bij deze geometrie een betere warmteoverdracht zien dan zuiver water op alle oppervlakken, wat wijst op het gecombineerde effect van de vloeistofsamenstelling en de poreuze structuur.

Het is essentieel te beseffen dat de interactie tussen kookprocessen en oppervlaktestructuren niet alleen afhankelijk is van statische parameters zoals kanaalbreedte en vloeistofsamenstelling, maar ook van dynamische factoren zoals massastroom en wandtemperatuur. Het koopeffect van de dispergeerde fase in emulsies introduceert extra complexiteit, omdat het een invloed heeft op zowel warmteoverdracht als hydraulische weerstand.

Daarnaast speelt het fenomeen van kritische warmteflux (CHF) een centrale rol. Bij poreuze oppervlakken kan de CHF verschuiven naar hogere of lagere warmtefluxen afhankelijk van de microstructuur en de kanaalgrootte, wat de operationele grenzen van warmtewisselaars en kooksystemen bepaalt. Een dieper begrip van deze verschuivingen is cruciaal om systemen te optimaliseren voor maximale efficiëntie en veiligheid.

De thermodynamische eigenschappen van emulsies, zoals het kookpunt van de dispergeerde fase en de stabiliteit van de emulsie, beïnvloeden eveneens het kookproces op poreuze oppervlakken. Variaties in concentratie leiden tot veranderingen in vloeistofgedrag en warmteoverdracht, wat zorgvuldig moet worden gecontroleerd bij ontwerp en gebruik van dergelijke systemen.

Hoe beïnvloeden microgaps en microkanalen het koken en de warmteoverdracht in elektronische koelsystemen?

Zowel microkanalen als microgaps vertonen duidelijke variaties in wandtemperatuur tijdens het koken, waarbij de amplitude van deze temperatuurschommelingen merkbaar groter is in microkanalen. Dit is van belang voor toepassingen waar temperatuurstabiliteit cruciaal is, zoals in de koeling van elektronische componenten. De onregelmatigheid in de wandtemperatuur is ook waargenomen in microgaps, zoals gerapporteerd door Sheehan en Bar-Cohen, maar het is in mindere mate aanwezig.

Drukvalmetingen, zowel gemiddeld als fluctuerend, tonen eveneens lagere waarden in microgaps dan in microkanalen. Deze lagere drukval maakt microgaps energetisch aantrekkelijker voor toepassingen waar een minimale hydraulische weerstand vereist is. Bovendien bieden microgaps een fundamenteel voordeel dat verder gaat dan enkel thermische prestaties: ze kunnen directe vloeistofcontactkoeling met het elektronische substraat mogelijk maken. In microkanaalsystemen is een thermisch interface-materiaal noodzakelijk tussen de kanaalbasis en het substraat, wat vaak de grootste thermische weerstand vertegenwoordigt. Door deze tussenlaag te elimineren in microgapsystemen, kan de warmteoverdracht aanzienlijk worden verbeterd.

De experimentele resultaten van stromingskoken in microgaps bij een inlaattemperatuur van 30 °C onthullen drie verschillende fasen in de warmteoverdracht. Eerst is er een ontwikkelingsregime waarin de warmteoverdracht toeneemt met de wandtemperatuur. Vervolgens wordt een quasi-stationair gedrag waargenomen tot aan het zogenaamde Onset of Nucleate Boiling (ONB), het moment waarop koken begint. Na ONB stijgt de warmteoverdracht scherp tot aan het naderen of bereiken van de Critical Heat Flux (CHF), waarna een tweede verzadiging optreedt.

Opmerkelijk is dat koken kan starten met weinig tot geen oppervlaktetemperatuuroverschrijding, onafhankelijk van de hydraulische diameter of massa-flux. Toch beïnvloedt de massa-flux (G) de helling van de kookcurve vóór ONB, waarbij hogere fluxen leiden tot steilere hellingen en bijgevolg betere warmteoverdracht. Voor Dh = 200 µm is echter een significante temperatuurverschuiving naar hogere wandtemperaturen waarneembaar bij lagere fluxen, wat wijst op een hogere thermische weerstand in kleinere gaps bij lage stroming.

Warmteoverdrachtscoëfficiënten bevestigen deze trends. Voor constante massa-fluxen naderen de curves elkaar zodra koken begint, behalve nabij CHF. Bij G = 350 en 550 kg/m²s verhoogt het verkleinen van Dh van 1000 naar 200 µm de warmteoverdrachtscoëfficiënt met ongeveer 25% in het enkelvoudige fasegebied, wat mogelijk verklaard wordt door een kleiner temperatuurverschil tussen wand en vloeistof. Dit wijst op een efficiëntere warmte-uitwisseling, zolang het systeem niet in de buurt van CHF opereert.

Drukverliezen reageren verschillend afhankelijk van de fase en massa-flux. Voor ONB blijft de drukval constant of daalt licht door afnemende viscositeit en dichtheid bij stijgende temperatuur. Na ONB neemt de drukval vooral toe bij lagere massa-fluxen, wat duidelijker zichtbaar is bij hogere G-waarden. Deze waarnemingen suggereren dat microgaps bij hogere fluxen stabieler gedrag vertonen.

Belangrijk voor de lezer is het onderscheid in thermisch gedrag tussen microkanalen en microgaps: hoewel microkanalen lokaal hogere warmteoverdracht kunnen realiseren, brengen zij grotere temperatuurschommelingen en drukverliezen met zich mee. Microgaps daarentegen bieden meer stabiliteit en de mogelijkheid tot directe vloeistofkoeling, wat bijzonder aantrekkelijk is in compact ontworpen en thermisch belaste elektronische systemen.

De keuze tussen microkanaal en microgap vereist dus een afweging tussen maximale warmtefluxcapaciteit en systeemstabiliteit. Voor toepassingen waar directe vloeistofkoeling essentieel is en drukvalbeperking vereist, bieden microgaps een superieure oplossing. Voor systemen waar piek-warmtestroom belangrijker is dan fluctuaties, kunnen microkanalen de voorkeur krijgen, mits de thermische weerstand op systeemniveau onder controle blijft.