Hur initieras kokning i utspädda emulsioner och vad styr värmeöverföringen?

Kokning i utspädda emulsioner skiljer sig avsevärt från klassiska enkomponentsystem och kännetecknas av komplexa samspel mellan droppar, bubblor och uppvärmda ytor. Värmeöverföringskoefficienten i dessa system påverkas inte linjärt av emulsionens volymfraktion. I vissa fall, såsom med FC72-i-vatten-emulsioner, observeras en signifikant förbättring av värmeöverföringen vid relativt låga volymandelar (ε ≈ 1–2 %), medan andra system, som pentan-i-vatten-emulsioner, inte uppvisar någon sådan förstärkning ens vid liknande koncentrationer.

Den dominerande mekanismen bakom värmeöverföringsförbättringen i dessa emulsioner tycks vara initieringen av nukleär kokning vid lägre väggtemperaturer, där bubblbildning börjar långt under vätskans kokpunkt vid atmosfärstryck. Detta fenomen kan kopplas till närvaron av superupphettade droppar i emulsionen som, vid kontakt med en het yta eller vid interaktion med en växande bubbla, plötsligt förångas. Denna plötsliga fasövergång leder till en lokal turbulens, som i sin tur förbättrar den konvektiva värmeöverföringen genom ökad blandning och störning i gränsskiktet mellan vätska och yta.

Experimentella resultat från mikrokanaler och mikrogapstrukturer visar att dropparnas storlek och emulsionens flödesegenskaper spelar en avgörande roll. I mikrogapflöden med dominerande droppstorlekar på 5–7 μm, observeras kokningsinitiering vid väggtemperaturer mellan 75 och 85 °C, vilket är betydligt lägre än för rent vatten under motsvarande förhållanden. Värmeöverföringskoefficienten i 2 %-emulsionen visade sig vara upp till 70 % högre än i rent vatten under samma temperaturförhållanden, vilket understryker potentialen hos dessa system för förbättrad termisk prestanda.

Viktigt att notera är att denna förbättring inte alltid är linjär med ökande volymandel. I flera fall visar experimenten att förbättringen avstannar eller till och med avtar vid högre koncentrationer, som i fallet med PES4-baserade emulsioner där data tyder på att förbättringen når ett maximum vid ε ≈ 12 %. Vid högre koncentrationer tycks dropparnas interaktioner eller emulsionens förändrade viskositet motverka ytterligare förbättringar.

Fyra centrala mekanismer identifieras i dessa processer: tunnfilmsavdunstning mellan bubblan och ytan, värmeöverföring vid kontaktlinjen, transient konduktion från ytan till vätskan, samt mikro-konvektion orsakad av vätskans återfyllnad när bubblan lossnar. När en bubbla växer på ytan sker en betydande del av värmeöverföringen genom avdunstning i den tunna vätskefilmen som omger bubblans bas. När bubblan expanderar och lyfter av från ytan, sker en kraftig lokal vätskecirkulation, vilket ytterligare förstärker värmeöverföringen.

En särskilt intressant aspekt är den kedjereaktion av kokning som kan uppstå när en bubbla påverkar omkringliggande droppar. Bulanov et al. föreslår att den snabba expansionen av en bubbla genererar en tryckvåg – en slags chockvåg – som passerar genom den metastabila emulsionen och inducerar kokning i angränsande droppar. Denna kaskadeffekt förklaras med teorin om punktliknande explosioner, där tryckvågens amplitud avtar med avståndet men fortfarande är tillräcklig för att utlösa kokning i närliggande volymer.

Alternativt har det föreslagits att kedjekokningen inte orsakas av tryckvågor, utan snarare av fysisk kontakt mellan bubblor och droppar. Med tanke på dropparnas typiska storlek i mikrometerområdet, och deras täta fördelning i emulsionen, är det troligt att en växande bubbla kommer i kontakt med flera droppar under sin tillväxt. Detta kan trigga ytterligare kokning lokalt, vilket förstärker värmeöverföringen.

I vissa fall observeras dock ingen förstärkning alls, vilket antyder att faktorer såsom kanalgeometri, kontaktarea mellan emulsionen och den uppvärmda ytan, samt ytans mikrostruktur, spelar en avgörande roll. I enkanalskonfigurationer, där emulsionen endast kontaktar en varm yta, ackumuleras lättflyktiga komponenter som FC72 i botten av kanalen, vilket kan minska effektiviteten i värmeöverföringen jämfört med flerkanalskonfigurationer där tre ytor är i kontakt med vätskan.

Utöver dessa mekanistiska insikter är det viktigt att beakta att emulsionssystemens dynamik i mikroskala fortfarande är otillräckligt utforskad. Interaktionen mellan droppar och bubblor, särskilt under transient kokning, är komplex och potentiellt avgörande för systemets övergripande prestanda. Detta gäller inte bara för kokningsinitiering, utan även för stabiliteten i kokningsprocessen och hur effektivt värmen transporteras bort från ytan under stationära och dynamiska förhållanden.

Hur bubblor påverkar kokande droppar och värmeöverföring i mikrokanaler

När en bubbla rör sig i en vätska och kommer i kontakt med en dropp, kan detta orsaka en störning i droppens metastabila tillstånd. Droppen, som är nära kokpunkten, kan börja koka vid kontaktpunkten. Om flera droppar träffas av bubblan kan en kedjereaktion av kokande droppar initieras genom enkel kontakt. Den hastighet med vilken dessa droppar kokar och interagerar med varandra är avgörande för hur snabbt nya bubblor bildas, vilket i sin tur påverkar effektiviteten hos värmeöverföringsprocessen. När bubblorna bildas både på ytor och i bulkvätskan, vid mikroskopiska nukleationssiter, skapar turbulens i kokningsprocessen ökad energiöverföring.

Roesle och Kulacki föreslår en modell för att beskriva detta fenomen i sina beräkningar av flödeskokning i emulsioner. Deras modell bygger på RANS-ekvationerna (Reynolds Averaged Navier–Stokes) och innehåller termer för både medelvärden och fluktuationer av olika variabler, såsom hastighet och tryck. Modellen behandlar tre faser i en emulsion: den kontinuerliga vätskefasen, dispergerade droppfasen och bubbelfasen. För att simulera kokning antar de att varje fas är en inkompressibel Newtonsk vätska och att massöverföringen sker mellan dropparna, bubblorna och den kontinuerliga vätskan. De antar att när droppar kommer i kontakt med en uppvärmd yta, kommer de omedelbart att koka, vilket förenklar massöverföringsberäkningarna.

En viktig del av deras modell är beräkningen av massöverföringshastigheten, som beror på flera faktorer: kokning vid kontakt med uppvärmda ytor, kollisioner mellan droppar och bubblor, spontan nukleation av bubblor och kondensering av bubblor i områden med subkylning. Kollisioner mellan droppar och bubblor spelar en särskilt central roll, eftersom dessa kan utlösa kokning i omgivande droppar och därigenom sätta igång ytterligare nukleation. Roesle och Kulacki använder statistisk mekanik för att bestämma nukleationshastigheten och kollisionseffektiviteten, vilket ger ett sätt att beräkna massproduktionen vid sådana kollisioner.

I samband med detta tas också hänsyn till interfas-krafter, såsom dragkraft mellan droppar och den kontinuerliga fasen samt mellan bubblor och den kontinuerliga fasen. De specifika krafter som beaktas inkluderar Stokes-drag, som är en klassisk modell för vätskefasens resistans mot rörliga partiklar.

Det är viktigt att förstå att i verkliga applikationer kan dessa processer vara mycket komplexa. Från experimentell synpunkt finns det fortfarande oklarheter kring huruvida dropparna kokar direkt vid ytan eller om de kokar bort från den uppvärmda ytan och sedan interagerar med andra droppar i det fria flödet. Därför är en grundläggande förståelse av hur kokning initieras och hur massöverföring sker avgörande för att kunna optimera processer som är beroende av effektiv värmeöverföring.

Hur påverkar mikroporösa ytor kokning av utspädda emulsioner?

För att förstå kokning av utspädda emulsioner på mikroporösa ytor är det viktigt att analysera de fysiska mekanismerna och hur olika faktorer påverkar värmeöverföringen och tryckfallet i dessa system. Vid kokning på mikroporösa ytor, som skiljer sig markant från vanliga ytor, spelar både emulsionens egenskaper och ytstrukturen en avgörande roll. Experimentella resultat har visat att emulsionens droppstorlek, volymfraktion och till och med de tillsatser som används för att stabilisera emulsionen har en stor påverkan på kokningsbeteendet.

En av de viktigaste observationerna från experimenten är att kokningen huvudsakligen sker på den uppvärmda ytan, där dispergerade komponenter i emulsionen – ofta mikroskopiska droppar – samlas och bildar ett skikt eller film. Denna film av dispergerat material kan påverka både tryckfallet och värmeöverföringen avsevärt. Det har också noterats att vid vissa temperaturer, till exempel vid Tw omkring 71 °C, kan det ske ett plötsligt hopp i tryckfallet, även om värmeöverföringen inte förändras i samma utsträckning. Detta är ett resultat av interaktionen mellan den mikroporösa ytan och emulsionen, där tryckförändringar inte alltid sammanfaller med förändringar i värmeöverföringseffektivitet.

De fysiska mekanismerna bakom dessa fenomen kan förstås genom att använda differentialekvationer som beskriver flödet av massor, rörelse och energi i systemet. För enkla, enkelfasiga flöden härleds ekvationerna för fluidens rörelse genom massbalanser och momentumbalans för varje fluidelement. För mer komplexa flöden som involverar flera faser, som i fallet med emulsioner, krävs en mer avancerad analys som beaktar växelverkan mellan faserna, samt övergångar mellan olika fysiska tillstånd, som till exempel fasövergångar (från vätska till ånga). Dessa termer måste inkluderas i de differentialekvationer som styr flödet av både massa, rörelse och energi.

Vid simulering av dessa processer används ofta numeriska metoder som direkt numerisk simulering (DNS), stor-eddy simulering (LES) eller Reynolds-medelvärderad Navier-Stokes (RANS) för att studera kokningsbeteendet och för att modellera faserna i systemet. För att dessa metoder ska kunna tillämpas korrekt krävs emellertid en noggrann förståelse för de fysikaliska mekanismerna bakom kokningsprocessen. Denna förståelse kan tillgodoses genom att noggrant studera experimentella resultat och identifiera trender som kan kopplas till de specifika fysiska fenomenen.

Förutom den grundläggande förståelsen av kokningsmekanismer och tryckfall i emulsioner, är det viktigt att även tänka på hur emulsionens sammansättning och strukturen på de mikroporösa ytorna kan optimeras för specifika tillämpningar. Exempelvis, för industriella tillämpningar där hög värmeöverföring är avgörande, kan det vara värt att fokusera på emulsioner med mindre droppstorlek och en högre volymfraktion av dispergerat material. Samtidigt måste man överväga hur dessa faktorer påverkar tryckfallet och om det finns en balans mellan effektiv värmeöverföring och praktiska begränsningar, som exempelvis tryckförluster i systemet.

Hur man mäter och analyserar porositet i lödytor

För att mäta porositeten på de lödda ytorna används avancerad teknik som svepelektronmikroskopi (SEM). SEM-bilderna omvandlas först till svartvita bilder där de svarta pixlarna representerar porer (voids) och de vita pixlarna fast material. Detta kräver en viss förutsättning om att porositeten är enhetlig i förhållande till bildplanet, vilket innebär att den kan beräknas genom att använda ytorna för voids och fast material, snarare än volymen. En metod som tidigare har använts för att mäta porositet är omvandlingen av bilder från frostlagertillväxtstudier.

En viktig aspekt av denna mätmetod är att omvandlingen av SEM-bilder till svartvita bilder inte alltid är perfekt. Det kan ibland hända att områden med fast material felaktigt klassificeras som voids beroende på algoritmens tröskelvärde för gråskala. I sådana fall kan användaren justera gråskalans tröskel för att bättre representera materialets struktur och få mer precisa mätningar. Exempel på detta visas i bilder där röda cirklar markerar områden där fast material identifieras som void, trots att det är synligt i SEM-bilden.

För att analysera porositeten ytterligare delas varje SEM-bild upp i 25 segment, som sedan omvandlas till svartvita bilder. För varje segment beräknas porositeten, och distributionen av porositet i varje bild visas i ytterligare grafiska representationer. Det är viktigt att notera att porositeten kan variera beroende på om man betraktar ytan från toppen eller från sidan. Den genomsnittliga porositeten beräknad från toppvybilder är en central parameter för att beskriva ytans egenskaper och kan skilja sig beroende på synvinkeln.

Temperatur- och tryckmätningar är också centrala för att förstå hur vätskan och värmen påverkar lödprocessen. Temperaturmätningarna görs med typ E-termometrar och trycket med tryckgivare, och dessa data används för att noggrant övervaka systemets prestanda under hela processen. Efter att mätningar tagits, flödar vätskan genom en värmeväxlare för att kondensera ångan innan den återvänder till inloppet.

För att sammanfatta, metoder som SEM-bilder och detaljerade temperatur- och tryckmätningar är oumbärliga för att noggrant kunna analysera och förstå de strukturella egenskaperna hos lödda ytor. Porositeten är en nyckelfaktor i att bedöma kvaliteten på lödningen, och korrekt mätning av denna egenskap kan hjälpa till att optimera tillverkningsprocessen och säkerställa högre kvalitet i de slutliga produkterna.