В исследовании рассматривается ключевой момент перехода, известный как критический тепловой поток, или CHF, величина теплопередачи в единицу времени и площади, при которой характеристики теплопередачи поверхности внезапно меняются: например, когда охлаждающие панели электроники Система покрывается слоем пара, который блокирует теплопередачу, в результате чего повышение температуры может повредить или разрушить оборудование. Новые результаты могут повысить ценность CHF, обеспечивая дополнительные запасы безопасности или рабочие диапазоны для такого оборудования.
Исследование было проведено семью исследователями Массачусетского технологического института и опубликовано в журнале Applied Physics Letters. Соавтор Якопо Буонджорно, доцент кафедры ядерной науки и техники, говорит, что это может привести к созданию более безопасных ядерных реакторов, более эффективных теплообменников и лучшего управления температурой в электронике большой мощности.
До сих пор не было согласия относительно относительной важности трех свойств поверхности, которые могут повлиять на возникновение CHF: шероховатость, смачиваемость (способность воды распространяться по поверхности) и пористость. Теперь, после подробного исследования, команда обнаружила, что наличие пористого слоя на поверхности материала, безусловно, является наиболее важным фактором.
В то время как другие исследователи изучали эти поверхностные эффекты, объясняет Буонджорно, эти более ранние анализы часто меняли несколько параметров поверхности одновременно, что затрудняло определение наиболее важного. Команда Буонджорно смогла независимо варьировать каждый из трех параметров и получила «некоторые удивительные результаты», — говорит он.Новая работа выросла из более ранних исследований группы наножидкостей — наночастиц, взвешенных в воде, — для возможного использования в системах охлаждения атомных станций.
Они обнаружили, что наночастицы, которые имеют тенденцию осаждаться на поверхности, повышают CHF, потенциально повышая безопасность на заводе.Но было неясно, почему именно это сработало. Соавтор Майкл Рубнер, профессор кафедры полимерного материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, говорит, что, когда Буонджорно «указал, что увеличение CHF, по-видимому, связано с осаждением наночастиц на поверхности, мы были взволнованы, поскольку разработали методики систематического осаждение наночастиц на поверхности с помощью наноразмерного контроля толщины, смачиваемости и пористости.
Используя эти методологии, мы смогли получить четко определенные характеристики поверхности и структуры, которые позволили отсортировать важные факторы, влияющие на процесс ».Основываясь на новых тестах, команда определила, что наночастицы образуют гидрофильное пористое покрытие на поверхности, что и объясняет улучшение. По словам Буонджорно, ранее «общая мудрость» исследователей заключалась в том, что именно смачиваемость, а не пористость, была основным свойством, объясняющим увеличение CHF.Соавтор исследования Том МакКрелл, исследователь из Массачусетского технологического института, говорит: «Это открытие было сделано многопрофильной командой».
Он добавляет, что без опыта команды в области поверхностной наноинженерии, определения характеристик поверхности и теплогидравлики относительный вклад этих атрибутов в CHF «остался бы загадкой».Для большинства применений, таких как топливные стержни на атомных электростанциях или системы жидкостного охлаждения в электронике большой мощности, желательно, чтобы CHF был как можно выше. Но для некоторых приложений, таких как уменьшение сопротивления поверхности объектов, движущихся под водой, желателен низкий CHF; новый анализ показывает, как снизить CHF путем нанесения на поверхность гидрофобного пористого покрытия.
Новая работа основана на более ранних исследованиях Буонджорно и его коллег, которые рассмотрели обратную сторону CHF, процесс, называемый тушением. Это то, что происходит, когда горячий материал контактирует с холодной жидкостью — например, когда вода вводится в перегретую тепловыделяющую сборку на атомной станции, или раскаленный кусок металла погружается в холодное масло, чтобы спроектировать его. микроструктура.В таких случаях контакт жидкости с горячим металлом может создать пароизоляцию, которая эффективно изолирует поверхность. Буонджорно говорит, что металл может быть «настолько горячим, что, если на него налить воду, он не коснется его» — проблема, которую можно решить, нанеся на поверхность пористый гидрофильный слой, который ускоряет повторное смачивание поверхности и усиливает тепло. передача.
И наоборот, если повторное смачивание нежелательно, следует нанести пористый гидрофобный слой.Джунхо Ким, профессор машиностроения в Университете Мэриленда, говорит, что это исследование «бросает вызов нашему нынешнему пониманию механизмов CHF».
Майкл Коррадини, профессор Университета Висконсина и президент Американского ядерного общества, добавляет, что это «очень интересное исследование, которое может помочь найти новые способы улучшения характеристик теплопередачи для ядерного топлива или оборудования, связанного с безопасностью».Помимо Буонджорно, Рубнера и МакКрелла, в исследовательскую группу Массачусетского технологического института входили Роберт Э. Коэн, профессор химической инженерии Сен-Лорана; аспирантка Кэролайн Койл; Гарри О’Хэнли SM ’12; и Линь-Вэнь Ху, заместитель директора Лаборатории ядерных реакторов Массачусетского технологического института.
Работа поддержана поставщиком ядерных реакторов Areva NP.