Адъюнкт-профессор Джонатан Борейко возглавляет группу в Технологическом институте Вирджинии, которая создала большой портфель работ со льдом и водой, изучая возможности противообледенительной обработки самолетов , создания новых устройств для сбора воды и создания снежных шаров из пузырей . Это знакомство с водой дало команде четкое представление о ее поведении в разных состояниях, что привело к новому проекту, который показывает, как лед гасит тепло по сравнению с водой. Результаты были опубликованы в журнале Chem 14 апреля.
Этот проект выполнили Мойтаба Эдалатпур и студентка магистратуры Камрин Колон. Они исследовали методы гашения тепла от металла, что является важным шагом в таких областях, как металлургия и пожаротушение. Оба экземпляра требуют скорости. Металлурги должны быстро снизить температуру кованого изделия, чтобы получить определенные свойства материала, а пожарные работают над тем, чтобы как можно быстрее остановить разрушение имущества . Закалка водой эффективна только при критической температуре — при любой более высокой температуре вода парит в воздухе и больше не может выпаривать тепло.
Команда Борейко хотела посмотреть, сможет ли использование льда, а не воды, обойти проблему левитации, чтобы обеспечить охлаждение сверхгорячих поверхностей.
Измерение, нагрев и снова измерение
Для проведения этого исследования Эдалатпур и Колон нагрели алюминиевый столик и измерили скорость охлаждения воды по сравнению со льдом. Чтобы обеспечить прямое сравнение, они выпустили одинаковое количество воды и льда на поверхность после того, как она была нагрета до нужной температуры.
Когда начальная температура поверхности предметного столика составляла от 100°C до 300°C, и вода, и лед успешно охлаждали поверхность ниже 100°C. Лед, однако, добился этого результата в два раза быстрее. При более высоких начальных температурах — от 300°С до 500°С — успешной была только закалка льдом. Теплопередача со льдом была более чем в 100 раз эффективнее, чем с жидкой водой при таких высоких температурах.
Какая разница? Свойства воды не позволяют ей попасть в золотую середину для отвода тепла.
Это сладкое пятно кипит, потому что пар, выходящий в виде пузырьков, наиболее эффективно уносит тепло. Поскольку вода легко парит в воздухе при высоких температурах, она изолируется от поверхности, и кипение никогда не происходит. Лед ведет себя иначе. При падении на горячую поверхность лед при таянии поглощает большую часть тепла. Это уменьшает количество тепла, доступного для образования пузырьков пара, предотвращая проблему левитации. Другими словами, талая вода кипит медленнее, чем чистая вода, что помогает поддерживать кипение при высоких температурах.
Борейко сравнил необычное поведение жидкости с производительностью труда.
«Подумайте о трудоголике, который всегда сосредоточен на своей работе», — сказал он. «Они начинают гиперпродуктивно, но быстро перегорают и становятся неэффективными. Оказывается, вода ведет себя так же, когда подвергается воздействию сверхвысокотемпературных поверхностей: она настолько сосредоточена и продуктивна при кипячении воды в пар, что испытывает «выгорание, «, что является научным термином для левитации и катастрофического отказа в охлаждении, который возникает в результате. Таким образом, лед подобен медленной и устойчивой черепахе, которая выигрывает в долгосрочной перспективе. Он не очень хорошо образует пузырьки пара, но это позволяет ему продолжать кипеть. и избегайте левитации, когда все накаляется».
Замерзший путь продолжается
Гипотеза группы об использовании льда для закалки последовала за ее недавним открытием, что лед не левитирует и не теряет способность к кипению до 550 ° C, по сравнению с 150 ° C для воды. Основываясь на этих выводах, команда Борейко начала несколько новых проектов, применяя ее принципы. Этот теплообмен является первым результатом, который будет опубликован.
Последующая работа Колона включает измерение охлаждающей способности льда, когда поверхность фиксируется при постоянной температуре, а не охлаждается.
«Когда у вас есть постоянная температура, вы можете измерить установившийся тепловой поток, что позволит нам напрямую сравнить теплопередачу льда с современными котлами», — сказал Колон.
Команда также проводит мозговой штурм, как внедрить практическую систему тушения льда.
«Еще предстоит выяснить, как именно реализовать трехфазный теплообмен для реальных приложений, но мы рады выяснить это в течение следующих нескольких лет», — сказал Борейко. «Это может включать создание распылительных форсунок, способных выбрасывать частицы льда вместо воды, или, возможно, это будет больше похоже на выпуск предварительно сформированного блока льда на перегретую поверхность — готовая технология».
