Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za raziskovalno dejavnost
- Članica UL: UL Fakulteta za strojništvo
- Šifra projekta: J2-2486
- Veda: Tehnika
- SICRIS: Izboljšan prenos toplote pri vrenju z uporabo hierarhičnih funkcionaliziranih površin (eHEATs) (cobiss.net)
Vsebinski opis projekta
Mehurčkasto vrenje je najbolj učinkovit mehanizem prenosa toplote pri majhnih temperaturnih razlikah med površino in delovno tekočino, s katerim se vsakodnevno srečujemo, v inženirstvu pa se ta proces izrablja v širokem spektru aplikacij; od hlajenja elektronskih naprav in jedrskih gorivnih palic, do krmilnih in komunikacijskih komponent v vesoljski tehniki. Zaradi vztrajnega tehnološkega napredka ter miniaturizacije naprav in strožjih varnostnih zahtev, potreba po učinkovitem odvodu toplote nenehno narašča. To je razlog za vse več vlaganj v bazične in aplikativne raziskave učinkovitega prenosa toplote s strani proizvajalcev toplotnih izmenjevalcev, elektronskih komponent ter vodilnih institucij na področju vesoljske tehnologije kot so ESA, NASA in CMSA.
Eden glavnih pristopov za izboljšanje procesa vrenja je modifikacija vrelne površine. eHEATs obravnava študijo izboljšanega prenosa toplote pri vrenju na podlagi razvoja naprednih funcionaliziranih površin s pomočjo metode direktnega laserskega strukturiranja. Metoda omogoča strukturiranje na makro, mikro in nano-nivoju (hierarhično strukturirane površine) ter vpliva na površinsko kemijo, kar predstavlja osnovo za razvoj površin z ustrezno topografijo in ustrezno omočljivostjo za izboljšanje prenosa toplote pri uporabi različnih fluidov. Vsled izrazite potrebe po interdisciplinarnosti projekt vključuje vrhunske raziskovalce iz področja strojništva (prenos toplote in snovi ter procesna tehnika), fizike, laserske tehnike ter znanosti o materialih.
Zaradi interakcije treh različnih faz in množice vplivnih parametrov, je mehurčkasto vrenje kompleksen dinamični proces, ki nujno zahteva eksperimentalni pristop. Pri preizkusih vrenja bo v okviru eHEATs primarno uporabljena hitrotekoča IR termografija za zajem nestacionarnih temperaturnih polj ter hitrotekoča video kamera za vizualizacijo vrelnih mehurčkov. Z razvitimi algoritmi za obdelavo podatkov bo s tem možno pridobiti ključne informacije o značilnicah vrelnega procesa. Razvoj naprednih površin bo sprva osnovan na podlagi teoretičnih nukleacijskih kriterijev in modelov kapilarnega vleka. Po eksperimentalnih testiranjih pa bo izvedena optimizacija tudi z uporabo nedavno razvitega statističnega perkolativnega modela, ki temelji na vrednotenju interakcij naključno ali diskretno razporejenih aktivnih nukleacijskih mest. Namen optimizacije je doseganje čim višje frekvence nukleacij, enakomerne distribucije nukleacijskih mest, preprečevanje pojava horizontalnih koalescenc in pojava pregretih izsušenih področji na vrelni površini. S tem pristopom bo možno preseči trenutne zmogljivosti strukturiranih površin.
Fleksibilnost laserskega strukturiranja omogoča tudi strukturiranje zelo tankih kovinskih slojev, kar bo znotraj eHEATs uporabljeno za razvoj hibridnih površin (vključuje lasersko strukturiranje in nano-nanose) za preučevanje izboljšanega prenosa toplote v mikrogravitaciji. Z analizami topografskih in kemijskih lastnosti bomo sistematično preučevali tudi vpliv vrenja na obstojnost površin, kar je ključno za njihov nadaljnji razvoj in implementacijo v realnih aplikacijah. Tovrstne raziskave obstojnosti površin še niso bile izvedene, zato bodo rezultati edinstveni v svetovnem merilu.
eHEATs bo zagotovil nova znanja pri razumevanju mehanizmov izboljšanega prenosa toplote pri vrenju, z uvedbo laserskega strukturiranja pa se odpira novo področje razvoja okolju prijazne in hitre metode za funkcionalizacijo površin. Vsebina projekta se neposredno nanaša na prejšnje uspešno zaključene in trenutno aktivne projekte, katerih vodje so tudi vključeni v eHEATs: ARRS L2-7172; ARRS J2-1741; ARRS BI-US/15-16-066; ESA 4200020289. Z okrepitvijo trenutnega sodelovanja s pomembnimi tujimi razvojno-raziskovalnimi organizacijami – Evropske vesoljske agencije (ESA), Kitajske vesoljske agencije (CMSA) in Massachusetts Institute of Technology (MIT) – bo eHEATs pomembno prispeval pri razvoju tehnologije nove generacije na področju izboljšanega prenosa toplote.
Faze projekta in njihova realizacija
Z namenom doseganja zastavljenih ciljev, so aktivnosti projekta organizirane v 5 delovnih sklopov (ang. Work Package – WP) in vključujejo projektno vodenje (WP1), razvojno-raziskovalne aktivnosti (WP2-WP4) ter razširjanje in izkoriščanje rezultatov projekta (WP5).
Projektni cilji so osnovani na podlagi nadaljnjega razvoja pristopov in raziskovalnih smeri, ki bodo zagotovili nova temeljenja znanja in spremenile sodobno tehnologijo na področju izboljšanega prenosa toplote pri vrenju:
(O1) Razvoj naprednih površin za izboljšan prenos toplote pri vrenju čistih snovi in večkomponentnih zmesi.
· Strukturiranje površin za izboljšan prenos toplote je bilo uspešno aplicirano na baker, titan, nerjavno jeklo in cirkonijevo zlitino. To je dokazano v objavah [2, 3, 5, 10, 12, 14, 20, 21, 22].
· Razvita tehnologija površinskega inženiringa omogoča modifikacijo površinske omočljivosti vse od superhidrofobnega do superhidrofilnega stanja in tudi bifilnih površin. Dokaz tega je predstavljen v objavah [2, 5, 6, 12, 23]. Površine so bile tudi implementirane v popolnoma novo področje velikostne separacije vodnih kapljic [7], kar kaže na uspešno diseminacijo raziskovalnih rezultatov.
· Poleg debelih vzorcev smo aplicirali tehnologije obdelave površin tudi na tanke filme, kar je objavljeno v referencah. [6, 10, 13]
(O2) Izboljšanje razumevanja procesa vrenja na naprednih površinah z uporabo različnih delovnih fluidov in pri različnih obratovalnih pogojih.
· Na podlagi pregleda in razvoja modelov [8] so bili razloženi mehanizmi izboljšanja prenosa toplote pri vrenju čistih snovi in zmesi. To je dokazano z objavami navedenimi v referencah [3, 4, 11, 12, 14, 17].
· Optimiranje vrelnih površin preko optimizacije razporeditve nukleacijskih mest in oblike mikrojamic je bilo doseženo in objavljeno v referenci [10].
· Algoritmi razviti za analizo posnetkov mehurčkov, analizo temperaturnih polj in sil, ki delujejo na vrelni mehurček so bili uspešno preneseni na področje prenosa toplote v mikrogravitaciji [1, 9] in na obravnavo tvorjenja kapljic pri procesu pršenja [18], kar kaže na uspešno diseminacijo raziskovalnih rezultatov in nadaljevanje raziskovalnih aktivnosti tudi po zaključku projekta.
(O3) Pojasnjevanje vpliva vrenja na obstojnost razvitih naprednih površin za izboljšan prenos toplote.
· Vpliv vrenja in doseganja kritične gostote toplotnega toka na intenzivnost prenosa toplote ter spreminjanje omočljivosti in topografije površin je bilo obravnavano in pojasnjeno v treh objavah [3, 8, 12] in enem spletni predstavitvi celotni raziskovalni skupnosti [24]. V preglednem članku [15] smo obravnavali tudi aplikativni vidik staranja površin v prenosnikih toplote.
· Vplivi delovnih fluidov na lastnosti vrelnih površin so bili obravnavani in pojasnjeni v referencah [2, 16, 17]. Dve novi objavi iz tega področja sta v delu, ena od niju je že bila poslana v objavo.
Vsi cilji, zastavljeni znotraj projekta eHEATs, so do sedaj doseženi skladno z zastavljenim časovnim načrtom projekta. Vsi preostali cilji, ki skladno s časovnim načrtom še ne morejo biti končani, se izvajajo po planu in bodo realizirani do konca izvajanja projekta.
Dosedanje objave, ki so v celoti ali deloma nastale pod okriljem projekta eHEATs
[1] M. Bucci et al. The role of the electric field in the departure of vapor bubbles in microgravity. Physics of fluids (2023). [COBISS.SI-ID 136576515]
[2] M. Može et al. Boiling heat transfer enhancement on titanium through nucleation-promoting morphology and tailored wettability. International journal of heat and mass transfer (2022). [COBISS.SI-ID 112393987]
[3] A. Hadžić et al. Effect of nanoparticle size and concentration on pool boiling heat transfer with TiO2 nanofluids on laser-textured copper surfaces. Nanomaterials (2022). [COBISS.SI-ID 117262083]
[4] V. Vajc et al. IR measurements of heat transfer coefficients and nucleation parameters during saturated nucleate boiling of water–glycerin mixtures. Case studies in thermal engineering (2022). [COBISS.SI-ID 100823555]
[5] M. Može et al. Nanosecond Laser-Textured Copper Surfaces Hydrophobized with Self-Assembled Monolayers for Enhanced Pool Boiling Heat Transfer. Nanomaterials (2022). [COBISS.SI-ID 129879555]
[6] T. Bregar et al. Pool-boiling performance on thin metal foils with graphene-oxide-nanoflake deposit. Nanomaterials (2022). [COBISS.SI-ID 118246915]
[7] S. Jereb et al. Predicting the drop size passing through a superhydrophobic orifice. Physics of fluids (2022). [COBISS.SI-ID 129336579]
[8] M. Može et al. Revisiting the corresponding-states-based correlation for pool boiling critical heat flux. Energies (2022). [COBISS.SI-ID 107631363]
[9] A. Sielaff et al. The multiscale boiling investigation on-board the International Space Station: an overview. Applied thermal engineering (2022). [COBISS.SI-ID 93026307]
[10] M. Zupančič et al. The wall heat flux partitioning during the pool boiling of water on thin metallic foils. Applied thermal engineering (2022). [COBISS.SI-ID 80131843]
[11] M. Zupančič et al. Experimental investigation of single-bubble growth during the saturated pool boiling of water and self-rewetting aqueous n-butanol mixtures. Case studies in thermal engineering (2021). [COBISS.SI-ID 79463683]
[12] M. Može et al. Hydrophilic and hydrophobic nanostructured copper surfaces for efficient pool boiling heat transfer with water, water/butanol mixtures and Novec 649. Nanomaterials (2021). [COBISS.SI-ID 87305987]
[13] M. Takeyama et al. Influence of hydrodynamic interactions among multiple bubbles on convective heat transfer in nucleate boiling. Experimental thermal and fluid science (2021). [COBISS.SI-ID 66639875]
[14] M. Može et al. Pool boiling performance of water and self-rewetting fluids on hybrid functionalized aluminum surfaces. Processes (2021). [COBISS.SI-ID 67560707]
[15] J. Berce et al. A review of crystallization fouling in heat exchangers. Processes (2021). [COBISS.SI-ID 72562947]
[16] M. Može et al. Effect of boiling-induced aging on pool boiling heat transfer performance of untreated and laser-textured copper surfaces. Applied thermal engineering (2020). [COBISS.SI-ID 30098691]
[17] V. Vajc et al. Saturated and subcooled pool boiling heat transfer in mixtures of water and glycerin. Experimental Heat Transfer (2020). [COBISS.SI-ID 96861187]
[18] N. Koračin et al. Characterization of the spray droplets and spray pattern by means of innovative optical microscopy measurement method with the high-speed camera. International journal of pharmaceutics (2022). [COBISS.SI-ID 130835715]
Današnji razvoj naprednih in kompaktnih elektronskih ali mehatronskih naprav je omejen z učinkovitostjo odvoda toplote. Ena najbolj primernih metod za učinkovito hlajenje takih naprav je preko spremembe agregatnega stanja delovne tekočine iz kapljevine v paro, čemur pravimo vrenje ali uparjanje. S tem procesom se vsakodnevno srečujemo vsi, v inženirstvu pa se ga že danes izrablja v različnih procesih – od hlajenja jedrskih palic v nuklearnih elektrarnah, hlajenja solarnih kolektorjev, izrabe v vesoljskih aplikacijah, do miniaturnih toplotnih cevi, ki se masovno uporabljajo za hlajenje mobilnih telefonov. Vrenje je možno bistveno izboljšati s pomočjo modifikacije površin, s čimer se ukvarja projekt eHEATs. V projektu bomo združevali postopke laserskega teksturiranja ter kemičnega naparjanja in tako razvili hibridne površine, ki bodo v primerjavi s trenutno poznanimi površinami omogočale bistveno izboljšanje prenosa toplote in boljši nadzor nad procesom vrenja. Z analizami topografskih in kemijskih lastnosti bomo sistematično preučevali tudi vpliv vrenja na obstojnost površin, kar do danes še ni raziskano a vendar ključno za nadaljnji razvoj.
The effective heat transfer limits current development of miniature electronic and mechatronic devices. One of the most suitable cooling methods for such devices is by liquid-vapour phase-change, known as boiling or evaporation. Boiling is a part of our everyday life and is utilized for cooling and general heat transfer in many applications on various scales – from boiling water reactors in large nuclear power plants to small heat pipes, which are massively produced and are employed in computers, mobile phones, solar collectors, and space applications. Boiling can be enhanced by through surface modification, which is a part of eHEATs. In this project, we will combine laser texturing and chemical vapour deposition to produce novel hybrid surfaces in order to provide best-in-class boiling performance and gain control over the complex nucleation phenomena. Finally, the effect of the boiling process on long-term stability of boiling surfaces, which is crucial for further development and later implementation into real systems, will be systematically studied using topography and surface chemistry analyses.