Vilken är den minsta droppstorleken som initierar kokning i turbulenta emulsioner?

I studien av kokning i utspädda emulsioner i mikroskaliga flöden introducerar Rozentsvaig och Strashinskii två grundläggande modeller för att förutsäga den kritiska droppstorleken som krävs för att initiera kokning genom turbulensbaserade mekanismer: resonansmodellen och gradientmodellen. Dessa modeller bygger på olika fysikaliska antaganden om hur energi dissiperas och hur denna energi interagerar med droppar i emulsionen.

I detta sammanhang används en generaliserad form av bildningsarbetet, ΔW_cr, som inkluderar ytspänning, mättnadstryck och densitetsskillnader mellan gas- och vätskefaser. Ytspänningen antas variera linjärt med temperaturen, viskositeten exponentiellt och mättnadstrycket enligt ett Arrheniusliknande uttryck. Utifrån dessa samband fås ett slutgiltigt uttryck för d_min som explicit är en funktion av temperaturen.

Gradientmodellen gäller för droppar mindre än Kolmogorovs längdskala, där dynamiken domineras av viskös skjuvning snarare än inertial krafter. Här betraktas skjuvspänningar från turbulenta fluktuationer som den primära drivkraften bakom deformation av droppytan. Om denna deformation når en kritisk nivå kan kokning initieras. I detta fall jämförs den skjuvgenererade energin med den energi som krävs för att bilda en kritisk bubbla.

I de experiment som refereras är det dock viktigt att notera att kokningen sker i poolförhållanden, det vill säga utan initial turbulens i vätskefasen. Detta innebär att modellerna endast är applicerbara efter att kokningen har börjat, eftersom det är först då lokal turbulens skapas som dessa mekanismer kan träda i kraft. Den initiala kokningen måste alltså ske genom andra mekanismer, och först därefter kan turbulent inducerad kokning ske enligt de modeller som beskrivits.

Den grundläggande inkonsekvensen i modellerna är att de ekvivalerar två olika mekanismer för energidiffusion – turbulent dissipation i den inre turbulenta kärnan och väggskjuvspänning i den viskösa sublagret. Den förstnämnda representerar energiöverföring mellan virvlar i olika storlekar, medan den sistnämnda beskriver momentumspridning nära väggen. Att behandla dem som utbytbara leder till en modellteoretisk osäkerhet, även om prediktionerna överensstämmer med vissa experimentella observationer.

Den experimentella delen av arbetet visar på komplexiteten i värmeöverföring i utspädda emulsioner. Tre distinkta regimer identifieras beroende på väggtemperatur i förhållande till de ingående komponenternas mättnadstemperaturer. När temperaturen är under mättnadstemperaturen för den dispergerade fasen (t.ex. FC-72 vid 56 °C), sker enfasvärmeöverföring. I detta läge beter sig emulsionen i stort som vatten, men kan ha lägre värmeöverföringskoefficienter beroende på volymfraktion, flödeshastighet och gapets storlek.

När temperaturen når ett intervall där endast den dispergerade komponenten kokar, ökar värmeöverföringskoefficienten generellt, men variationerna är betydande. För vissa emulsioner kan koefficienten vara både högre eller lägre än för rent vatten beroende på temperaturintervall. I den tredje regionen, där båda komponenterna kokar, dominerar kokningen från den kontinuerliga fasen, eftersom den dispergerade fasen bara utgör en liten volymandel (<5 %). Här ser man en ytterligare ökning i värmeöverföringskoefficienten.

De experimentella resultaten visar även hur droppstorlek, volymfraktion och gapstorlek påverkar kokkurvorna. Till exempel, för Dh = 200 μm och ett massflöde av 350 kg/m²s, sker kokning vid högre väggtemperaturer för emulsioner jämfört med vatten, vilket indikerar sämre värmeöverföring. Dock kan detta mönster förändras vid andra gapstorlekar, vilket tyder på att även små förändringar i geometri och emulsionsegenskaper kan ha stor påverkan på kokningsförloppet.

Viktigt att förstå är att även om modellerna matematiskt kan förutsäga ett d_min för kokning, förutsätter båda att turbulent energi finns tillgänglig före kokningens början. I praktiken uppstår denna turbulens ofta som ett resultat av kokning, inte som en orsak till den. Därför är det centralt att skilja mellan kokinitierande mekanismer och de som upprätthåller eller förstärker kokningen när den väl börjat. Modellernas beroende av globala flödesparametrar, såsom Reynolds- och Prandtl-tal baserade på rördimensioner, kan dessutom vara tveksamma när turbulensen genereras lokalt av kokning snarare än av det inkommande flödet.

Hur påverkar porösa ytor värmeöverföring och tryckfall vid kokning av vatten?

Vid undersökning av värmeöverföring och kokbeteende på olika ytor, särskilt porösa ytor, framträder en komplex dynamik som är beroende av flera faktorer, inklusive gapstorlek, porositet och vätskemassflöde. När vatten kokar på släta ytor, som traditionellt studerats i många experiment, sker överföringen av värme vid högre temperaturer och över större värmeflöden jämfört med vad som observeras på porösa ytor. Detta beror på att den strukturella karaktären hos porösa ytor introducerar nya sätt för vätskan att interagera med ytan.

Vid små gapstorlekar mellan ytan och vätskan, tenderar de porösa ytorna att minska värmeöverföringen jämfört med släta ytor. En av de mest märkbara effekterna är att övergången till kritisk värmeflöde (CHF) inträffar vid betydligt lägre värmeflöden än på släta ytor. Detta innebär att kokprocessen på dessa ytor inte bara förändras i relation till hur snabbt kokningen inträffar, utan också i termer av effektiviteten hos den värmeöverföring som sker.

När gapstorleken ökar, exempelvis från 500 μm till 1000 μm, blir de porösa ytorna mer effektiva när det gäller värmeöverföring, och i vissa fall kan de överträffa den släta ytan. Vid ett gap på 500 μm visar den porösa ytan typ 1 (Porous Surface 1) en högre värmeöverföringskoefficient än den släta ytan, och vid ett gap på 1000 μm tenderar alla tre undersökta porösa ytor att ge bättre värmeöverföring än den släta ytan.

Det är också viktigt att notera att de porösa ytorna visar skillnader i tryckfall beroende på flödeshastigheten och den hydrauliska diametern. Vid ett gap på 500 μm är tryckfallet på Porous Surface 1 nästan detsamma som på den släta ytan, medan Porous Surface 2 oftast visar det största tryckfallet. Porösa ytor med en högre porositet, såsom Porous Surface 2 och 3, tenderar att ge större tryckfall eftersom flödet inom porerna skapar ytterligare motstånd.

Vid undersökning av kokning av vatten i emulsioner, som inkluderar små mängder dispergerade komponenter, förändras kokbeteendet ytterligare. Vid ett gap på 200 μm minskar värmeöverföringskoefficienten jämfört med rent vatten, och övergången till CHF sker vid lägre värmeflöden. Emulsionerna tenderar att minska värmeöverföringen ytterligare vid större gap, och skillnaden i värmeöverföring mellan emulsionerna och vatten blir mer uttalad.

I sammanhang där gapet är större än 500 μm, minskar skillnaden mellan emulsionerna och vatten i termer av tryckfall, men emulsionerna kan fortfarande uppvisa en lägre värmeöverföring än rent vatten vid samma temperaturer. Det är också värt att notera att för Porous Surface 1, påverkas inte övergången till CHF av emulsionens volymfraktion, medan för andra ytor, som Porous Surface 2, är detta mer påtagligt.

För att förstå effekterna av porösa ytor på värmeöverföring och tryckfall krävs en noggrann bedömning av ytorna samt den omgivande vätskans egenskaper. Den ökade komplexiteten hos porösa strukturer innebär att man måste ta hänsyn till både den makroskopiska och mikroskopiska interaktionen mellan vätskan och ytan, vilket i sin tur påverkar både kokbeteende och värmeöverföringsförmåga. Detta gör det svårt att förutsäga resultat utan att ta hänsyn till de exakta parametrarna för varje enskilt experiment.

Det är också viktigt att komma ihåg att kokning på porösa ytor inte bara handlar om att förbättra värmeöverföringen. För att uppnå optimerade resultat måste man också förstå balansen mellan värmeöverföring och tryckfall, samt de strukturella egenskaperna hos den porösa ytan. Genom att justera porositet, gapstorlek och vätskeflöde kan man kontrollera både tryckfall och värmeöverföring på ett sätt som förbättrar systemets övergripande effektivitet.

Hur man validerar en experimentell metodik för flödeskokning i mikrogap

För att öka förtroendet för de experimentella resultaten är det nödvändigt att kvantifiera osäkerheten för varje mätt parameter och värmeförlusten till omgivningen. Detta kan göras genom att säkerställa att apparaturen producerar resultat som är förväntade och reproducerbara. Eftersom flödesloppet och mikrogapet är designade för att ge fullt utvecklat laminarflöde vid ingången till den uppvärmda ytan, kan en analytisk uttryck för temperaturen i mikrogapet härledas. Detta uttryck kan jämföras med mätningar för enfasigt vatten för att säkerställa att apparaturen fungerar som förväntat och för att kvantifiera värmeförluster.

För laminar, stadig, inkompressibel och fullt utvecklad flöde av en Newtonsk vätska, uppvärmd av en konstant värmeflödesvägg i ett mikrogap (planplattkanal), kan temperaturfördelningen i både strömlinje- och väggnormalriktning beskrivas med en analytisk formel. Jämförelse mellan denna analytiska uttryck och experimentella resultat visar på ett trendmässigt samband, men en förskjutning mellan de experimentella data och den analytiska lösningen som representerar värmeförlust till omgivningen. Genom att subtrahera dessa förluster stämmer den analytiska temperaturfördelningen väl överens med den experimentellt uppmätta väggtemperaturen.

För att kontrollera de uppmätta värmeförlusterna beräknas den approximativa värmeförlusten genom en en-dimensionell ledningsmodell. Trots att ledningen i testsektionens väggar kan vara två- eller tredimensionell, ger den låga termiska ledningsförmågan hos Garolite™ och de långa ledningsvägarna i de tvärgående och axiella riktningarna en mycket lägre motståndskraft mot värmeförluster i väggnormalriktningen. En en-dimensionell ledningsmodell ger därför en bra approximation av värmeförlusterna, och denna approximation ger ett värde som stämmer väl överens med de mätta värmeförlusterna.

För att säkerställa upprepbarheten genomfördes experiment med vatten och emulsioner vid samma massflöde vid olika tillfällen. De resulterande kokkurvorna visade att apparaturen producerade reproducerbara resultat både vid kokning av vatten och emulsioner på en slät yta. Innan experimenten på de porösa ytorna utfördes, konditionerades dessa ytor genom att köra ett antal repetitiva experiment. Efter att ytorna var konditionerade producerade varje yta reproducerbara resultat vid kokning av både vatten och emulsioner.

För att ytterligare bekräfta pålitligheten i de experimentella metoderna och apparaturens funktion, måste varje del av systemet verifieras. Detta inkluderar att mäta eventuella värmeförluster till omgivningen och säkerställa att experimentella resultat ligger inom förväntade parametrar. Eftersom alla experiment utfördes på ett strikt kontrollerat sätt, kan resultatens upprepbarhet och tillförlitlighet anses vara tillförlitliga.

För att ytterligare förtydliga resultaten, kan det vara användbart att reflektera över hur mikrogapets specifika geometri påverkar kokregimerna och värmeöverföringsbeteendet i mikromiljöer. Kokregimer i mikrogap har undersökts av flera forskare och visar att den lilla gapstorleken leder till specifika flödesmönster och termiska effekter som inte alltid går att förutse med större system. Kokregimernas påverkan på överföring av värme, beroende på gapets storlek och flödeshastighet, är avgörande för att förstå den mikroflödesteori som ligger till grund för alla experimentella metoder.

Därför är det för läsaren av denna text av största vikt att förstå att resultaten från experimenten är starkt beroende av de exakta inställningarna för varje variabel, inklusive gapets storlek, flödeshastighet och vätskans egenskaper. Även små variationer i dessa parametrar kan leda till betydande skillnader i resultatet, vilket gör noggrannhet och precision i utförandet av experimenten absolut nödvändiga.

Varför är mikrospalter effektivare än mikrokanaler för kylning av högpresterande elektronik?

FC-72, Novec 7200 och Novec 7300 utgör tre köldmedier som i dag lockar till sig ökad uppmärksamhet för kylning av avancerad elektronik. Deras dielektriska natur gör det möjligt att föra dem i direkt kontakt med fungerande elektroniska komponenter, vilket möjliggör effektiv värmeavledning utan elektriska risker. En ytterligare fördel är möjligheten att styra vätskans kokpunkt genom kemisk sammansättning, vilket skapar ett verktyg för precisionsanpassad kylning. FC-72 kokar vid 56 °C och Novec 7200 vid 76 °C vid atmosfärstryck, vilket är väsentligt under gränstemperaturen för de flesta moderna processorer och minneschip (~95 °C).

Denna skillnad i mättnadstemperatur skapar dock komplexitet i utvärderingen av kokande värmeöverföring. För en given inloppstemperatur uppvisar olika vätskor olika nivåer av underkylning, vilket i sin tur påverkar kokpunktsinitiering och värmeövergångskoefficient. Mindre underkylning gör att kokning initieras tidigare och därmed förbättras värmeöverföringen vid låga värmeflöden. Samtidigt innebär mindre underkylning en nackdel vid höga värmeflöden: den kritiska värmeflödestätheten (CHF) minskar till följd av tidigare övergång till ångdominerad strömning och vägguttorkning.

Flödesregimer i mikrospalter är ännu inte fullständigt kartlagda, men slugflöde tycks dominera. I detta tillstånd bildas ångbubblor som rör sig som sammanhängande "pluggar" genom spalten. Moghaddam et al. utvecklade ett mätinstrument som registrerade lokal väggtemperatur och värmeflöde när en slug passerade. När slugens framkant nådde sensorn, sjönk väggens temperatur markant och den lokala värmeöverföringen ökade dramatiskt — ett tydligt tecken på intensiv avdunstning i den tunna vätskefilmen mellan slugen och kanalväggen. Efter passage minskade värmeöverföringen till följd av delvis vägguttorkning och reducerad värmekontakt mellan vätska och yta. Återvätningsfasen efter slugens passage karakteriseras av en gradvis temperaturökning tills ett stabilt konvektivt tillstånd återuppnås.

Denna typ av värmeöverföring – med tunna vätskefilmer, partiell uttorkning och transient värmeledning – har modellerats i trezonmodeller, där varje fas (framför, under och bakom slugen) antas ha sin egen värmeöverföringsmekanism. Modellerna bekräftar att värmeledningen direkt efter slugens passage domineras av transient konduktion snarare än konvektion, vilket gör denna mekanism central för förståelsen av kokning i mikroskala.

Jämförelsen mellan mikrospalter och mikrokanaler har varit föremål för direkt testning i identiska uppställningar av Alam et al. och Harirchian & Garimella. Resultaten visar att mikrospalter generellt ger högre värmeöverföringskoefficienter och högre CHF-värden vid identiska förhållanden. Det bör noteras att den hydrauliska diametern i mikrospalter (375 μm) är något större än i motsvarande mikrokanaler (270 μm), men att det totala flödesutrymmet är konstant mellan konfigurationerna.

Den ökade förståelsen av slugflöde, ytråhetens roll och den exakta inverkan av köldmediets egenskaper visar att design av mikrospalter inte enbart bör fokusera på geometriska parametrar, utan även måste beakta vätskans fysiska egenskaper och hur dessa samverkar med den