Використання льоду для кип’ятіння води: дослідник робить відкриття теплопередачі, яке розширюється за принципом 18 століття

 Доцент Джонатан Борейко та аспірант Моджтаба Едалатпур зробили відкриття про властивості води, яке могло б стати захоплюючим доповненням до явища, що виникло більше двох століть тому. Відкриття також відкриває цікаві можливості для охолоджувальних пристроїв і процесів у промисловому застосуванні, використовуючи лише основні властивості води.

Вода може існувати в трьох фазах: заморожена тверда речовина, рідина і газ. Коли тепло піддається замороженому твердому речовині, воно стає рідиною. При нанесенні на рідину вона стає парою. Цей елементарний принцип знайомий кожному, хто спостерігав за склянкою холодного чаю в спекотний день або закип’ятив каструлю води для приготування спагетті,пише Рhys.org.

Коли джерело тепла досить гаряче, поведінка води різко змінюється. За словами Борейка, крапля води, нанесена на алюмінієву пластину, нагріту до 150 градусів за Цельсієм (302 градуси за Фаренгейтом) і вище, більше не кипить. Натомість пара, що утворюється, коли крапля наближається до поверхні, буде захоплюватися під краплею, створюючи подушку, яка запобігає прямому контакту рідини з поверхнею. Затримана пара змушує рідину левітувати, ковзаючи по нагрітій поверхні, як аерохокейна шайба. Це явище відоме як ефект Лейденфроста, названий на честь німецького лікаря і теолога, який вперше описав його в публікації 1751 року .

Цей загальноприйнятий науковий принцип стосується води як рідини, що плаває на шарі пари. Команда Борейка задалася питанням: чи може лід виступати так само?

«Про левітуючу рідину є стільки робіт, що ми хотіли поставити питання про левітуючий лід», – сказав Борейко. «Це почалося як цікавий проект. Нашим дослідженням підштовхнуло питання про те, чи можна було мати трифазний ефект Лейденфросту з твердою речовиною, рідиною та парою».

Заходячи в лід

Цікавість породила перше дослідження в лабораторії Борейка близько п’яти років тому у формі дослідницького проекту тодішнього студента-бакалавра Деніеля Кусумано. Те, що він спостерігав, було вражаючим. Навіть коли алюміній нагрівся вище 150 С, лід не левітував на парі, як рідина. Кусумано продовжував підвищувати температуру, спостерігаючи за поведінкою льоду в міру зростання тепла. Він виявив, що поріг левітації був значно вищим: 550 C (1022 F), а не 150 C. До цього порогу тала вода під льодом продовжувала кипіти при прямому контакті з поверхнею, а не виявляла ефект Лейденфроста. .

Що відбувалося під льодом, що продовжило кипіння? Незабаром проект був підхоплений аспірантом Моджтабою Едалатпуром, щоб розгадати таємницю. Едалатпур працював з Борейко над розробкою нових методів теплопередачі та застосуванням цих знань у підході до цієї проблеми. Відповіддю виявилася різниця температур у шарі талої води під льодом. Шар талої води має дві різні межі: його дно кипить, що фіксує температуру приблизно на рівні 100 C, але його верх прилипає до льоду, що залишився, що фіксує його приблизно на 0 C. Модель Едалатпура показала, що підтримання цієї екстремальної температури диференціал споживає більшу частину тепла поверхні, що пояснює, чому левітація була складнішою для льоду.

— уточнив Борейко. «Різниця температур, яку створює лід у шарі води, змінила те, що відбувається в самій воді, тому що тепер більша частина тепла від гарячої плити повинна проходити через воду, щоб підтримувати цей екстремальний перепад. Тому лише крихітна частка енергію можна більше використовувати для виробництва пари».

Підвищена температура 550 градусів за Цельсієм для ефекту крижаного Лейденфроста практично важлива. Кипляча вода оптимально відводить тепло від підкладки, тому ви відчуваєте, як від каструлі з водою, яка кипить, піднімається достатньо тепла, а не від просто гарячої. Це означає, що труднощі з левітацією льоду насправді є хорошою річчю, оскільки більше температурне вікно для кипіння призведе до кращої теплопередачі в порівнянні з використанням окремої рідини.

«Левітувати лід набагато важче, ніж краплю води», – сказав Борейко. «Теплообмін різко падає, щойно починається левітація, тому що, коли рідина левітує, вона більше не кипить. Вона пливе над поверхнею, а не торкається, і при дотику вона випаровує тепло. Отже, для передачі тепла, левітація це жахливо. Кипіння неймовірне».

Використання льоду для передачі тепла

Коли команда досліджувала можливості практичного застосування, вони звернулися до наявної роботи. Оскільки Едалатпур провів широкі дослідження в області теплопередачі, ця тема стала логічною.

Передача тепла найбільше важлива для охолодження таких речей, як комп’ютерні сервери або автомобільні двигуни. Для цього потрібна речовина або механізм, який може відводити енергію від гарячої поверхні, швидко перерозподіляючи тепло, щоб зменшити знос металевих деталей. На атомних електростанціях застосування льоду для швидкого охолодження може стати аварійним заходом, який легко розгортається в разі збою електроенергії, або звичайною практикою обслуговування частин електростанції.

Є також потенційні застосування в металургії. Для виробництва сплавів необхідно гасити тепло від металів, які були сформовані за вузьке вікно часу, роблячи метал міцнішим і менш крихким. Якщо застосувати лід, це дозволить швидко відводити тепло через три водні фази, швидко охолоджуючи метал.

Борейко також передбачає потенціал для застосування в гасінні пожежі.

«Ви можете уявити, що у вас є спеціально виготовлений шланг, який розпорошує крижану крих ту, а не струмінь води», — сказав він. «Це не наукова фантастика. Я відвідав аерокосмічну компанію, яка має тунель для обмерзання, і вони вже мають цю технологію, коли насадка розпорошує частинки льоду, а не краплі води».

Маючи безліч можливостей, Борейко та Едалатпур схвильовані новим внеском, який прийшов у світ науки. Озираючись на минулі п’ять років, вони все ще пояснюють цю захоплюючу розробку їхньою спільною іскрою цікавості та прагненням до творчості в дослідженнях.