Hoe beïnvloeden microporeuze en poreuze oppervlakken het koken en warmteoverdracht in stromingssystemen?

De interactie tussen een vloeistof en het oppervlak waarop het kookt, speelt een cruciale rol in het warmteoverdrachtsproces. In het bijzonder beïnvloeden microporeuze en poreuze oppervlakken aanzienlijk de karakteristieken van het koken en de bijbehorende kritische warmteflux (CHF). Het onderscheid tussen microporeuze en poreuze oppervlakken wordt vaak gemaakt op basis van de verhouding tussen de oppervlaktdikte en de dikte van de oververhitte vloeistoflaag. Deze eigenschappen bepalen in hoge mate hoe het kookproces verloopt, zowel bij stilstaand water (pool boiling) als bij stromend water (flow boiling).

Onderzoek van Chang en You toont aan dat de CHF toeneemt met de oppervlaktdikte tot een limiet, waarna verdere toename van de dikte geen significant effect heeft. Dit fenomeen wordt ondersteund door vergelijkbare bevindingen van El-Genk en Ali, wat wijst op een grenswaarde waarboven het oppervlak zijn effect op CHF verzadigt. Daarnaast bevestigen gegevens dat het gedrag van superheat, warmteoverdrachtscoëfficiënt en CHF bij pool boiling op microporeuze oppervlakken in grote lijnen overeenkomt met observaties bij flow boiling.

Massastroom, ofwel mass flux, blijkt eveneens een bepalende factor voor het kookproces. Zowel Ammerman en You als Sarwar et al. tonen aan dat een hogere massastroom de CHF verhoogt bij zowel microporeuze als gladde oppervlakken. Op microporeuze oppervlakken stijgt de CHF zelfs lineair met de massastroom, wat wijst op een sterke interactie tussen vloeistofdynamica en oppervlaktestructuur. De drukval is in deze context ook relevant; bij lage massastromen en hoge onderkoeling is de drukval vergelijkbaar voor gladde en microporeuze oppervlakken. Bij hogere massastromen en lagere onderkoeling neemt de drukval op microporeuze oppervlakken echter tot 33% toe in vergelijking met gladde oppervlakken, wat wijst op een verhoogde stromingsweerstand door de poreuze structuur.

De drukval bij kleine hydraulische diameters toont een opmerkelijk fenomeen: in tegenstelling tot gladde oppervlakken, neemt de drukval bij poreuze oppervlakken al toe vóór het begin van het koken. Dit effect is bijzonder sterk bij bepaalde poreuze oppervlakken, waarbij de drukvalstijging tot wel 200% kan oplopen. Dit duidt op een aanzienlijke invloed van de microstructuur op de stromingsweerstand, ook in het enkel-fase regime.

Bij vergelijking van gladde en poreuze oppervlakken wordt duidelijk dat poreuze oppervlakken, zoals Porous Surface 1, in de enkel-fase stroom een hogere warmteoverdrachtscoëfficiënt vertonen bij elke massastroom. Dit correspondeert met een verschuiving van de kookcurve naar lagere wandtemperaturen. Na het begin van koken vallen de warmteoverdrachtscoëfficiënten van gladde en poreuze oppervlakken echter grotendeels samen. Andere poreuze oppervlakken (zoals Surfaces 2 en 3) vertonen een verschuiving naar hogere wandtemperaturen en een lagere warmteoverdrachtscoëfficiënt bij hogere temperaturen, evenals een vroegere overgang naar CHF. Dit effect neemt af bij stijgende massastroom.

Naast deze empirische bevindingen is het essentieel te begrijpen dat het kookproces op microporeuze en poreuze oppervlakken een complex samenspel is van microscopische oppervlaktestructuur, vloeistofdynamica en thermische condities. De interactie tussen de gas- en vloeistoffase in de poriën, de verdeling van de dampbellen, en de mate van vloeistoftoetreding bepalen gezamenlijk de efficiëntie en stabiliteit van het kookproces. Hierbij is niet alleen de poreusheid en dikte van het oppervlak relevant, maar ook de specifieke vorm en verdeling van de poriën.

Verder moeten lezers zich bewust zijn van het feit dat de schaal en dimensie van de poreuze structuren sterk bepalen of het effect op warmteoverdracht gunstig dan wel nadelig is. Kleine deeltjes kunnen een harde tweede laag creëren die minder effectief is voor warmteoverdracht, terwijl grotere deeltjes juist de CHF verhogen door verbeterde vloeistofverdeling en dampafvoer.

De systematische benadering van zowel microscopische oppervlaktestructuur als macroscopen stromingscondities is onontbeerlijk voor het ontwikkelen van geavanceerde warmtewisselaars en kooksystemen die optimaal gebruikmaken van poreuze en microporeuze oppervlakken. Dit vraagt om nauwkeurige karakterisering van oppervlaktes, gecombineerd met geavanceerde metingen van warmteoverdrachtscoëfficiënten, drukval en dynamische stromingsparameters.

Hoe beïnvloeden stromingsregimes en spleetgrootte het kookproces in microkanalen?

Bij stromend koken in microgaps is het stromingsregime een doorslaggevende factor in zowel de warmteoverdracht als het dynamisch gedrag van de vloeistof. De gegevens tonen aan dat bij een spleet van 1 mm en massafluxen tussen 52 en 208 kg/m²s het stromingsregime vrijwel volledig in het annulaire domein valt. In tegenstelling hiermee laat een smallere spleet van 0,4 mm, bij dezelfde massafluxwaarden, een mengsel zien van annulaire en intermitterende stroming – een fenomeen dat mogelijk veroorzaakt wordt door het verschil in systeemdruk, namelijk 219 kPa bij de 0,4 mm spleet tegenover 108 kPa bij de 1 mm spleet.

Met behulp van hogesnelheidscamerabeelden hebben Harirchian en Garimella een gedetailleerde classificatie van stromingsregimes in microgaps van 707 μm en breder geanalyseerd. Tussen de bubbelstroming en de annulaire stroming onderscheiden zij meerdere subregimes zoals slug-, churn- en wispy-annulaire stroming. De churn flow wordt gekenmerkt door kleine, onregelmatige dampstructuren met intense turbulentie, terwijl de wispy-annulaire stroming een dikkere vloeistoffilm langs de wand vertoont met damp die grotere druppels meesleept.

In bredere microgaps van 5850 μm kunnen verschillende regimes gelijktijdig naast elkaar bestaan door de grotere aspectverhouding. Bij lage wandwarmteflux domineert bubbelstroming, die bij toenemende warmteflux overgaat in churn- en wispy-annulaire stroming. Uiteindelijk treedt churn-annulaire stroming op bij nog hogere warmtefluxen. De overgangsvolgorde van de regimes hangt sterk af van de massaflux, waarbij hogere massafluxen het bubbelstromingsregime over een breder warmtefluxbereik uitbreiden.

Bij identieke spleetgroottes, massafluxen en wandwarmtefluxen ontwikkelen zich achtereenvolgens bubbly-, slug- en annulaire stroming, als gevolg van nucleatie, groei en coalescentie van bellen. De waarnemingen stemmen overeen met eerdere voorspellingen, maar directe vergelijkingen tussen camerabeelden en theoretische kaarten zoals die van Taitel-Dukler ontbreken nog. De geldigheid van zulke kaarten op microschaal is daarom nog niet vastgesteld.

Warmteoverdracht op microschaal volgt vergelijkbare trends als op conventionele schaal, maar met nuances die eigen zijn aan kleine geometrieën. De overgang van bubbly naar slug en annulaire stroming gaat gepaard met een stijging van de warmteoverdrachtscoëfficiënt, voornamelijk door de efficiënte verdamping in de dunne vloeistoffilm langs de wand. Deze stijging wordt geaccentueerd bij kleinere spleten, waar annulaire stroming eerder optreedt. Dit leidt tot verhoogde warmteoverdrachtcoëfficiënten bij lage wandtemperaturen, maar ook tot een vroegtijdige overgang naar kritische warmteflux (CHF), waardoor de warmteoverdracht bij hogere fluxen juist kan afnemen in kleinere gaps.

De massaflux beïnvloedt eveneens de warmteoverdracht. In het enkel-fasegebied verlaagt een hogere massaflux de wandtemperatuur en verhoogt hij de warmteoverdrachtscoëfficiënt. Echter, lagere massafluxen veroorzaken een eerdere aanvang van koken bij lagere warmtefluxen, wat paradoxaal genoeg hogere warmteoverdracht kan opleveren bij lage fluxen. Hogere massafluxen vertragen de overgang naar CHF, deels door het uitstellen van de overgang naar annulaire stroming en de effectiviteit van enkel-fasekoeling.

Het gebruik van verschillende vloeistoffen toont dat water superieur is qua warmteoverdrachtcapaciteit, dankzij zijn hoge soortelijke warmte, verdampingswarmte en thermische geleidbaarheid. Studies tonen aan dat water in zowel enkel- als twee-fasige stroming hogere warmteoverdrachtscoëfficiënten levert dan Fluorinert- of Novec-vloeistoffen. Toch moeten vergelijkingen tussen vloeistoffen met voorzichtigheid worden geïnterpreteerd, aangezien de inlaat- en uitlaatmanifoldgeometrie een significante invloed uitoefent op zowel stroming als warmteoverdracht.

Bij analyse van stromend koken op microschaal is het cruciaal niet enkel naar gemiddelde parameters te kijken, maar vooral naar de lokale dynamica van stromingsregimes. De instabiliteit van deze regimes – hun overgang, co-existentie en afhankelijkheid van externe parameters zoals druk, spleetgrootte en massaflux – bepaalt in sterke mate de effectiviteit en betrouwbaarheid van warmteoverdracht in microfluïdische systemen. Bestaande stromingskaarten zoals die van Taitel-Dukler kunnen geen voldoende nauwkeurige voorspellingen bieden zonder verdere validatie op deze schaal.