Использование льда для кипячения воды: исследователь делает открытие теплопередачи, которое расширяет принцип 18-го века

Вода может существовать в трех фазах: замерзшее твердое тело, жидкость и газ. Когда тепло применяется к замороженному твердому телу, оно становится жидкостью. При нанесении на жидкость она превращается в пар. Этот элементарный принцип знаком каждому, кто наблюдал за стаканом чая со льдом в жаркий день или кипятил кастрюлю с водой, чтобы сварить спагетти.

Когда источник тепла достаточно горячий, поведение воды резко меняется. По словам Борейко, капля воды, нанесенная на алюминиевую пластину, нагретую до 150 градусов Цельсия (302 градуса по Фаренгейту) или выше, больше не будет кипеть. Вместо этого пар, который образуется, когда капля приближается к поверхности, оказывается в ловушке под каплей, создавая подушку, препятствующую прямому контакту жидкости с поверхностью. Захваченный пар заставляет жидкость левитировать, скользя по нагретой поверхности, как шайба в аэрохоккее. Это явление известно как эффект Лейденфроста, названный в честь немецкого врача и теолога, впервые описавшего его в публикации 1751 года.

Этот общепринятый научный принцип применим к воде как к жидкости, плавающей на слое пара. Команда Борейко задалась вопросом: может ли лед вести себя так же?

«Есть так много статей о левитации жидкости, что мы хотели задать вопрос о левитации льда», — сказал Борейко. «Это началось как любопытный проект. В основе нашего исследования лежал вопрос о возможности трехфазного эффекта Лейденфроста с твердым телом, жидкостью и паром».

Уходим в лед

Любопытство вызвало первое исследование в лаборатории Борейко около пяти лет назад в форме исследовательского проекта тогдашнего студента Даниэля Кусумано. То, что он наблюдал, было захватывающим. Даже когда алюминий был нагрет выше 150°С, лед не парил в воздухе, как это делает жидкость. Кусумано продолжал повышать температуру, наблюдая за поведением льда по мере увеличения температуры. Он обнаружил, что порог для левитации был значительно выше: 550 C (1022 F), а не 150 C. До этого порога талая вода подо льдом продолжала кипеть в прямом контакте с поверхностью, а не проявляла эффект Лейденфроста. .

Что происходило подо льдом, что продлило кипение? Через некоторое время аспирант Моджтаба Эдалатпур подхватил проект, чтобы разгадать тайну. Эдалатпур работал с Борейко над разработкой новых методов теплопередачи и использовал эти знания для решения этой проблемы. Ответом оказался перепад температур в слое талой воды подо льдом. Слой талой воды имеет две разные крайности: его дно кипящее, что фиксирует температуру около 100 ° C, но его верхняя часть прилипает к оставшемуся льду, что фиксирует температуру около 0 ° C. Модель Эдалатпура показала, что поддержание этой экстремальной температуры дифференциал потребляет большую часть тепла поверхности, что объясняет, почему левитация была более сложной для льда.

— уточнил Борейко. «Разность температур, создаваемая льдом в толще воды, изменила то, что происходит в самой воде, потому что теперь большая часть тепла от нагревателя должна проходить через воду, чтобы поддерживать эту экстремальную разницу. Таким образом, для производства пара теперь можно использовать лишь малую долю энергии».

Повышенная температура в 550 градусов по Цельсию для ледяного эффекта Лейденфроста имеет практическое значение. Кипящая вода оптимально отводит тепло от субстрата, поэтому вы чувствуете достаточное количество тепла, исходящего от кастрюли с кипящей водой, а не от кастрюли с просто горячей водой. Это означает, что сложность левитации льда на самом деле является хорошей вещью, поскольку большее температурное окно для кипячения приведет к лучшей теплопередаче по сравнению с использованием одной жидкости.

«Левитировать лед намного сложнее, чем каплю воды», — сказал Борейко. «Теплообмен резко падает, как только начинается левитация, потому что когда жидкость левитирует, она больше не кипит. Он плывет по поверхности, а не соприкасается, и прикосновение — это то, что заставляет его выпаривать тепло. Итак, для теплопередачи левитация ужасна. Кипячение невероятно».

Использование льда для теплопередачи

Пока команда изучала возможности практического применения, они обратились к своей существующей работе. Поскольку Эдалатпур провел обширные исследования в области теплопередачи, эта тема стала логичной.

Теплопередача больше всего нужна для охлаждения таких вещей, как компьютерные серверы или автомобильные двигатели. Для этого требуется вещество или механизм, который может отводить энергию от горячей поверхности, быстро перераспределяя тепло, чтобы уменьшить износ металлических деталей. На атомных электростанциях применение льда для быстрого охлаждения может стать легко применяемой аварийной мерой в случае отключения электроэнергии или обычной практикой обслуживания деталей электростанции.

Есть также потенциальные приложения для металлургии. Для производства сплавов необходимо гасить тепло от металлов, которые были сформированы в течение узкого промежутка времени, делая металл более прочным и менее хрупким. Если бы применялся лед, это позволило бы быстро отводить тепло через три водные фазы, быстро охлаждая металл.

Борейко также предвидит потенциал для применения в пожаротушении.

«Вы можете представить себе, что у вас есть специально изготовленный шланг, который разбрызгивает ледяную крошку, а не струю воды», — сказал он. «Это не научная фантастика. Я посетил аэрокосмическую компанию, у которой есть туннель для обледенения, и у них уже есть эта технология, когда сопло выбрасывает частицы льда, а не капли воды».

Имея множество возможностей, Борейко и Эдалатпур в восторге от нового вклада, внесенного в научный мир. Оглядываясь назад на последние пять лет, они по-прежнему считают, что это захватывающее развитие произошло благодаря их общей искре любопытства и стремлению к творчеству в исследованиях.