Hur emulsioner påverkar värmeöverföring vid flödeskokning i mikrospalter

I dagens tekniska samhälle, där effektivitet och högpresterande material är grundläggande för framsteg inom värmeöverföring och vätskeflöde, är förståelsen för hur emulsioner kan påverka dessa processer avgörande. Flödeskokning i mikrospalter, där vätskan flödar genom mycket små kanaler, har visat sig vara en kritisk process för att optimera kylsystem i många industriella tillämpningar, särskilt i småskaliga värmeöverföringssystem.

Denna studie undersöker flödeskokning av en späd emulsion i små mikrospalter, och jämför detta med traditionell flödeskokning av vatten. Mikrospalter med hydrauliska diametrar på 200, 500 och 1000 μm används för att studera hur vätskor med olika volymfraktioner av FC-72 (en vätska som används för att skapa emulsionen) påverkar värmeöverföringsegenskaper. Emulsionerna varierar i koncentration från 0.1 % till 2 % FC-72, och experiment utförs både på släta ytor och på mikroporösa ytor med olika tjocklekar och porositeter.

När flödeskokning av vatten genomförs på en porös yta, observeras förbättrad värmeöverföring vid större massflöden och större gapstorlekar. Specifikt visade en porös yta med en tjocklek på 708 μm och en bulkporositet på 0.354 de bästa värmeöverföringsegenskaperna. För emulsionskokning på porösa ytor varierade resultaten beroende på porstrukturens egenskaper. Porös yta 2, med en tjocklek på 633 μm och bulkporositet på 0.410, gav ökad värmeöverföring vid små gapstorlekar, vilket kan bero på den öppna porstrukturen som underlättar både bubbeldynamik och värmeöverföring.

Det har också observerats att vid porösa ytor, där emulsioner applicerades, minskade tryckfallet jämfört med vid vattenkokning, särskilt för de ytor där värmeöverföring var förbättrad. Detta indikerar att den öppna porösa strukturen tillåter FC-72-dropparna att strömma in i porerna, vilket underlättar kokning och gasfrisättning, vilket är fördelaktigt för värmeöverföringseffektiviteten.

Värmeöverföring i mikrospalter är komplex, och emulsioner erbjuder både fördelar och utmaningar beroende på deras sammansättning och de fysiska egenskaperna hos de ytor de interagerar med. För att fullt förstå effekten av emulsioner på värmeöverföring i sådana system, är det viktigt att beakta inte bara kokningens mekanismer utan också porstrukturen hos de ytor som används i systemet. Det bör också noteras att vissa emulsioner kan leda till en ökning i tryckfall, vilket kan påverka systemets totala effektivitet och drift.

Hur kan modeller för kokning i emulsioner förbättra vår förståelse av värmeöverföring i mikrogappar?

Modeller för turbulens och kokning i emulsioner är avgörande för att förstå och förutsäga beteendet hos dispergerade system, särskilt när det gäller värmeöverföring under kokningsförhållanden. Ett av de mest använda tillvägagångssätten för att modellera denna komplexa process är att relatera den turbulenta konduktiviteten till den turbulenta viskositeten, skalfaktorer och specifik värme. Denna metod, trots att den tillåter en lösning på de differensierade ekvationerna, har dock sina egna begränsningar, bland annat den höga beräkningskostnaden och de förenklade antagandena som används i modellerna. En av dessa är den empiriska tillvägagångssättet för att beskriva kollisionskoefficienten i emulsioner. För lägre volymfraktioner av dispergerad fas (emulsionens sammansättning), har det visats att en ökad kollisionskoefficient kan förbättra värmeöverföringen genom att öka antalet bubblor som kärnar, men för högre väggtemperaturer kan en ökning istället resultera i en minskning av värmeöverföringseffektiviteten. Detta beror på att en ökad mängd ånga kan ackumuleras i den termiska gränsskiktet, vilket hindrar effektiv värmeöverföring.

Denna modell visar på en viktig aspekt av kokning i emulsioner: att värmeöverföringen inte bara beror på den mängd energi som tillförs utan även på komplexa dynamiska interaktioner mellan droppar och den omgivande vätskan. Bulanovs modell gör det möjligt att räkna ut dessa effekter, men även här finns vissa begränsningar. Till exempel är det svårt att förutse kokningshastigheten exakt utan att använda empiriska justeringar, och modellen tar inte direkt hänsyn till alla de mekanismer som kan påverka kokningsdynamiken i praktiken.

För att ytterligare förfina förståelsen av kokning i emulsioner har modeller som den Rozentsvaig-Strashinskii modellen utvecklats. Här anses att turbulenta flöden kan orsaka deformationer på dropparnas yta, vilket minskar det kapillära trycket och därmed den temperaturöverskott som krävs för att bubbla ska börja koka. Denna modell kopplar turbulensens kinetiska energi med dropparnas storlek och relaterar det till kokningsprocessens fysik. Deformationsmekanismerna i modellen gör att den kan ge en djupare inblick i de mikroskopiska effekterna av turbulenta flöden på kokningen i emulsioner.

Vad dessa modeller gemensamt visar är att kokning i dispergerade system är en process där flera faktorer samverkar på olika skalor. För att fullt ut kunna förstå och optimera värmeöverföring i sådana system, krävs en grundlig förståelse för både de makroskopiska och mikroskopiska processerna. Den dynamiska interaktionen mellan dropparna, gränsskikten och den omgivande vätskan måste beaktas, särskilt när man arbetar med mycket utspädda emulsioner där små förändringar i systemets egenskaper kan leda till stora effekter på den totala värmeöverföringen.

Det är också viktigt att förstå att modeller, trots deras kraftfullhet, ofta förenklar verkligheten genom att göra antaganden om systemets idealiserade beteende. I praktiken måste experimentella data användas för att kalibrera och justera modellerna, vilket innebär att det finns en viss grad av osäkerhet i de förutsägelser som görs.