Hoe beïnvloeden emulsies de warmteoverdracht en drukval bij microkanaalstroming?

De warmteoverdracht van emulsies in microkanalen vertoont complexe afhankelijkheden van verschillende parameters zoals volume fractie, hydraulische diameter en massastroom. Bij een lage concentratie van 0,1% emulgator blijkt de warmteoverdrachtscoëfficiënt zelfs meer dan 50% hoger te zijn dan die van water bij dezelfde experimentele condities, met name bij een hydraulische diameter van 1000 μm. Dit fenomeen komt tot uiting doordat de kookcurve naar lagere wandtemperaturen verschuift bij toenemende hydraulische diameter, wat resulteert in een efficiëntere warmteoverdracht dan bij puur water.

De drukval in het systeem wordt echter altijd beïnvloed door de aanwezigheid van de disperge fase. Ongeacht de hydraulische diameter stijgt de drukval met toenemende volume fractie van de emulsie. Bij 2% emulsie ligt de drukval doorgaans 3 tot 5 kPa hoger dan bij water. Dit wijst erop dat, ondanks de relatief kleine hoeveelheid van de disperge component (minder dan 5% van het totale volume), de stromingsweerstand significant wordt verhoogd. Interessant is dat wanneer de disperge component begint te koken, de drukval niet verder toeneemt, maar zodra de continue fase gaat koken, kan de drukval sterk toenemen. Dit verschil impliceert dat de faseovergang van de continue component veel meer impact heeft op de stromingsweerstand dan die van de disperge component.

Een opvallend patroon is dat, terwijl voor water de warmteoverdrachtscoëfficiënt toeneemt bij afnemende gap-grootte, dit bij emulsies juist omgekeerd is: de hoogste warmteoverdrachtscoëfficiënten worden bij de grootste hydraulische diameter gemeten. Dit wijst op fundamenteel verschillende dynamieken tussen puur water en emulsies bij stromend koken in microkanalen.

Wat betreft de drukval blijft het patroon consistent: deze stijgt met toenemende massastroom en afnemende hydraulische diameter, zowel voor water als voor emulsies. Emulsies vertonen echter een bredere spreiding in drukvalwaarden, wat de complexiteit van hun stromingskarakteristieken onderstreept.

Verder dienen lezers zich bewust te zijn van het feit dat de schaal van het systeem (hydraulische diameter) en de massastroom regime fundamentele parameters zijn die de warmteoverdracht en drukval kunnen domineren. Hierdoor kan de effectiviteit van emulsies sterk variëren tussen micro- en macro-structuren, hetgeen bij het ontwerp en de toepassing van koel- en verwarmingssystemen cruciaal is.

Een diepgaand inzicht in de interactie tussen disperge en continue fasen, hun faseovergangen en de resulterende effecten op warmte- en massatransportmechanismen is noodzakelijk om de prestaties van emulsie-gebaseerde koelmiddelen te optimaliseren. Daarbij is ook aandacht voor de stabiliteit van emulsies, de mogelijke aggregatie of scheiding van fasen en de invloed hiervan op de thermische en hydraulische eigenschappen onmisbaar.

Waarom verhogen microporeuze oppervlakken de efficiëntie van koken met faseovergang?

Een van de technieken om zulke oppervlakken te produceren is elektrochemische afzetting. Hierbij worden twee koperen platen ondergedompeld in een elektrolytoplossing van zwavelzuur en kopersulfaat. Door het aanleggen van een spanning treedt een redoxreactie op: koperionen worden gereduceerd en neerslaan op de kathode, terwijl tegelijkertijd waterstofgasbelletjes ontstaan. De eerste stap van dit proces vereist een hoge stroomdichtheid (~3 A/cm²), wat leidt tot een snelle koperafzetting en de vorming van karakteristieke, semi-regelmatige poriën. Deze laag is initieel relatief zwak gebonden aan het substraat. In een tweede fase wordt de stroomdichtheid drastisch verlaagd en gedurende meer dan tien minuten gehandhaafd. In deze fase worden de bindingen tussen koperatomen versterkt, de poriënstructuur wordt afgerond en de bevochtigbaarheid van het oppervlak verhoogt merkbaar.

Dit microporeuze karakter blijkt bijzonder gunstig te zijn voor het koken van vloeistoffen. Ten eerste is de superheat bij het begin van nucleaat koken (ONB) beduidend lager dan bij gladde oppervlakken. Doorgaans is er geen of nauwelijks overshoot in temperatuur nodig om het koken te initiëren. Dit wordt toegeschreven aan de aanwezigheid van lucht in de poriën, die als kiemen voor dampbellen fungeren. Hierdoor ontstaat koken bij lagere temperaturen, wat een energetisch voordeel oplevert.

Een tweede voordeel is de significante verhoging van de kritieke warmtestroom (CHF). In sommige omstandigheden is de CHF op microporeuze oppervlakken meer dan twee keer zo hoog als op gladde oppervlakken. Dit is grotendeels te danken aan twee mechanismen. Enerzijds verhoogt het oppervlak de frequentie waarmee dampbellen vrijkomen en verlaagt het hun diameter. Anderzijds functioneert het poriënnetwerk als een capillair systeem dat vloeistof naar het verhitte oppervlak transporteert. Dit vermindert de kans op lokale droogkoken, een fenomeen dat normaal leidt tot thermische instabiliteit en prestatieverlies.

De invloed van subkoeling – het verschil tussen de temperatuur van de vloeistof en het kookpunt bij systeemdruk – is eveneens onderzocht. Zoals bij koken op gladde oppervlakken, verlaagt subkoeling in het nucleaat kookregime de wandtemperatuur en verhoogt het de helling van de kookcurve. Naarmate de warmtestroom toeneemt, wordt de invloed van subkoeling minder uitgesproken. Bij hoge warmtestromen blijkt CHF een lineaire functie van de subkoeling te zijn.

Andere parameters beïnvloeden het gedrag van microporeuze oppervlakken op subtiele manieren. Verhoogde systeemdruk verlaagt de superheat bij ONB en verhoogt CHF, waarbij microporeuze oppervlakken sterker reageren op drukverhogingen dan gladde oppervlakken. De grootte van het verwarmingselement speelt ook een rol: CHF neemt af met toenemende oppervlak tot een bepaald punt, waarna het effect verzadigt. Wat betreft oriëntatie blijkt dat microporeuze oppervlakken minder gevoelig zijn voor hoekveranderingen dan gladde oppervlakken – een voordeel in toepassingen met wisselende configuraties.

Een belangrijk aspect is de dikte van de coatinglaag. Studies tonen aan dat een toename van de dikte tot ongeveer 100 μm leidt tot verlaging van de superheat en verhoging van CHF, maar voorbij dit punt treedt verzadiging op. De verklaring hiervoor ligt in het concept van een superverhitte vloeistoflaag op het verwarmde oppervlak: indien de coating dunner is dan deze laag, wordt de volledige structuur geactiveerd tijdens nucleaat koken; bij dikkere lagen blijven de bovenste delen thermisch inactief.

Microporeuze oppervlakken brengen dus een delicaat samenspel van thermodynamische en capillaire processen met zich mee. Ze vormen niet slechts een passieve structuur maar een actief element in warmte- en massatransport. Hun effectiviteit hangt af van een zorgvuldige balans tussen dikte, porositeit, oppervlaktestructuur, systeemdruk, subkoeling, en geometrische configuratie.

Het is essentieel te begrijpen dat de prestaties van zulke oppervlakken niet losstaan van de methode van vervaardiging. Elektrodepositie biedt controle over porievorming, bindingsterkte en oppervlaktemorfologie, maar vereist nauwkeurige controle van procesparameters. Bovendien is het effect van langdurige thermische belasting en herhaalde kookcycli op de mechanische en thermische stabiliteit van deze structuren nog niet volledig begrepen. Voor toepassingen in de industrie, zoals koelsystemen voor elektronica of energieconversie-installaties, zal duurzaamheid een sleutelcriterium zijn.

Hoe beïnvloeden poreuze oppervlakken warmteoverdracht en drukval tijdens koken met water?

De interactie tussen de eigenschappen van het oppervlak en de warmteoverdracht bij koken van water is complex en hangt sterk af van de structuur van het oppervlak en de hydraulische diameter van de spleet waarin het koken plaatsvindt. Uit experimentele resultaten blijkt dat poreuze oppervlakken in vergelijking met gladde oppervlakken verschillende effecten vertonen, afhankelijk van de grootte van de hydraulische diameter (Dh) en de massastroomdichtheid (G).

De drukval over deze oppervlakken vertoont ook interessante patronen. Bij Dh = 500 μm is de drukval op Porous Surface 1 bijna gelijk aan die van het gladde oppervlak. Voor andere spleetgroottes, met name 200 en 1000 μm, is de drukval op Porous Surface 1 echter aanzienlijk hoger. Porous Surface 2 laat vrijwel altijd de hoogste drukval zien, tot wel acht keer groter dan die van het gladde oppervlak bij gelijke wandtemperatuur. De oorzaak van deze verhoogde drukval is tweeledig: ten eerste verhoogt de aanwezigheid van de poreuze structuur de ruwheid van het oppervlak, wat de stroming bemoeilijkt; ten tweede treedt er door stroming binnen de poriën momentumverlies op, veroorzaakt door wrijvings- en inertieverliezen in de poreuze structuur zelf.

De verschillen in drukval en warmteoverdracht tussen de verschillende poreuze oppervlakken zijn terug te voeren op hun poreuze structuur en porositeit. Porous Surface 1 heeft een dichter en minder poreus oppervlak dan Surfaces 2 en 3. Hierdoor wordt Surface 2 door de stroming ervaren als ruwere structuur dan Surface 3. De meer open poriënstructuur van Surface 2 zorgt voor meer stroming door het oppervlak, wat de drukval op poriënniveau verhoogt in vergelijking met de dichtere structuur van Surface 3.

De drukval bij emulsiekoken vertoont eveneens een sterk afhankelijk gedrag van volumefractie en spleetgrootte. Bij de kleinste spleet lijkt de drukval weinig te veranderen met de volumefractie, hoewel de vroege overgang naar CHF deze conclusie onzeker maakt. Voor grotere spleten (Dh = 500 en 1000 μm) neemt de drukval toe met toenemende volumefractie, waarbij de drukval na 100 °C sterker stijgt dan bij zuiver water. Dit wijst op een toename in stromingsweerstand veroorzaakt door de dispergeerde componenten.

Deze bevindingen onderstrepen het belang van het nauwkeurig afstemmen van de poreuze structuur en hydraulische diameter in systemen waar koken en warmteoverdracht cruciaal zijn. De balans tussen verhoogde warmteoverdracht en acceptabele drukval is essentieel voor de optimale werking van warmtewisselaars en koelers met poreuze oppervlakken. Daarnaast moeten de eigenschappen van het werkzame medium, zoals zuiver water of emulsies, zorgvuldig worden overwogen vanwege hun invloed op warmteoverdracht en stromingsweerstand.

Belangrijk is te beseffen dat het oppervlak niet alleen de initiële fase van warmteoverdracht beïnvloedt, maar ook de overgang naar kritische warmteflux en de daarmee gepaard gaande instabiliteiten in het kookproces. Bovendien beïnvloedt de microscopische structuur van het oppervlak op verschillende schalen (van ruwheid tot porositeit en openheid) direct de stromingsdynamiek en daarmee de drukval. Hierdoor is het noodzakelijk bij ontwerp en toepassing rekening te houden met zowel thermische als hydraulische eigenschappen van het oppervlak.

Verder moet men ook letten op de complexiteit die emulsies introduceren, omdat ze het kookgedrag veranderen door variaties in volumefractie en samenstelling, wat niet alleen warmteoverdracht maar ook mechanische eigenschappen van de stroming beïnvloedt. Het inzicht in deze fenomenen draagt bij aan het ontwerpen van efficiëntere warmteoverdrachtsoppervlakken voor toepassingen in de chemische industrie, energietechniek en koelingstechnologie.

Hoe beïnvloeden verdunde emulsies de warmteoverdrachtscoëfficiënt bij koken op poreuze oppervlakken?

Bij het koken van verdunde emulsies op poreuze oppervlakken blijkt dat de warmteoverdrachtscoëfficiënt pas noemenswaardig toeneemt zodra het koken van de disperse component begint. Dit effect wordt voor het eerst waargenomen bij een volumefractie van ε = 0,1%. Wanneer de volumefractie stijgt naar 0,5%, 1% en 2%, vertoont de warmteoverdracht een meer gematigde toename bij wandtemperaturen tussen 56 en 100 °C. Deze ogenschijnlijk bescheiden verbetering is voornamelijk te verklaren door de daling van de warmteoverdrachtscoëfficiënt van puur water bij oplopende temperaturen, eerder dan door intrinsieke versterking van de warmteoverdracht in de emulsie zelf.

Voor een hydraulische diameter van Dh = 500 μm blijft deze gematigde stijging van de warmteoverdrachtscoëfficiënt vrijwel constant bij alle onderzochte volumefracties. In tegenstelling tot wat men intuïtief zou verwachten, is het dus niet de emulsie die actiever wordt bij hogere temperaturen, maar eerder het feit dat water zijn prestaties verslechtert. Bij Dh = 1000 μm is de verandering subtieler: de kookcurve verschuift licht naar links en de warmteoverdrachtscoëfficiënten stijgen bescheiden, met als hoogste waarden die gemeten bij ε = 2%.

De verdeling van druppelgroottes speelt eveneens een rol: hoewel het gemiddelde rond 10,7 μm ligt, komen in de stroming ook druppels voor tot 30 μm groot, wat relevant wordt bij oppervlakken met beperkte poriegrootte. Bij onvoldoende poreuze oppervlakken kunnen deze grotere druppels niet doordringen, wat leidt tot lagere nucleatie-efficiëntie en daarmee ook een mindere warmteoverdracht.

De drukvalmetingen laten een interessante dynamiek zien: voor Dh = 200 μm en ε = 0,1% is de drukval lager dan die van water, wat duidt op een voordelige stromingskarakteristiek. Voor hogere volumefracties stijgt de drukval, hoewel deze bij 1% en 2% nog steeds concurrerend blijft met water. Bij Dh = 500 μm is de drukval van water in het hele bereik aanzienlijk hoger dan die van emulsies. Echter, bij Dh = 1000 μm verdwijnen deze voordelen, en overschrijden de emulsies de drukval van water. Er bestaat dus een optimalisatiepunt bij lagere Dh en lagere ε.

Bij Poreus Oppervlak 3, en Dh = 200 μm, zijn de warmteoverdrachtscoëfficiënten voor ε = 0,5% en 1% vergelijkbaar met die van water, terwijl 0,1% juist slechter presteert. Opvallend is dat bij 2% volumefractie de warmteoverdracht significant hoger ligt dan bij water, en dit over het gehele temperatuurgebied. Hieruit blijkt dat bij kleinere spleetbreedtes (Dh), een hogere disperse fractie van de emulsie pas echt rendeert wanneer de poriestructuur dit toelaat.

Naast warmteoverdracht moet ook de stabiliteit van de emulsie en het gedrag onder thermische belasting in ogenschouw worden genomen. Emulsiedruppels kunnen onder invloed van temperatuurcoëfficiënten van oppervlaktespanning zich herverdelen of coalesceren, wat de werking van het kookmechanisme beïnvloedt. Bovendien kan langdurige blootstelling aan hoge temperaturen de stabiliteit van de emulsie aantasten en leiden tot scheiding van de fasen, waardoor de prestaties na verloop van tijd variabel kunnen worden.

Het is eveneens essentieel te begrijpen dat de optimale configuratie van warmteoverdracht via emulsies niet alleen een functie is van de volumefractie, maar afhankelijk blijft van de structuur van het oppervlak, de werkvloeistof, en de thermohydraulische condities zoals massastroom en aanvangstemperatuur van de wand. Systematische variatie van al deze parameters is noodzakelijk om de grenzen en voordelen van emulsiegekookte systemen volledig te benutten.