Izboljšan prenos toplote pri vrenju z uporabo hierarhičnih funkcionaliziranih površin (eHEATs)

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.

Eden glavnih pristopov za izboljšanje procesa vrenja je modifikacija vrelne površine, pri čemer je projekt eHEATs obravnaval študijo izboljšanega prenosa toplote pri vrenju na podlagi razvoja naprednih funcionaliziranih površin s pomočjo metode direktnega laserskega strukturiranja. Znotraj projekta razvite metode danes omogočajo strukturiranje na makro, mikro in nano-nivoju in modificiranje površinske kemije ter uporabo za izboljšanje prenosa toplote pri vrenju ob uporabi različnih fluidov. Zaradi izrazite potrebe po interdisciplinarnosti je projekt vključeval vrhunske raziskovalce iz področja strojništva (prenos toplote in snovi ter procesna tehnika), fizike, laserske tehnike ter znanosti o materialih.

Cilji projekta, ki vključujejo (i) razvoj naprednih površin za izboljšan prenos toplote pri vrenju čistih snovi in večkomponentnih zmesi, (ii) izboljšanje razumevanja procesa vrenja na naprednih površinah z uporabo različnih delovnih fluidov in pri različnih obratovalnih pogojih in (iii) pojasnjevanje vpliva vrenja na obstojnost razvitih naprednih površin za izboljšan prenos toplote so bili v celoti doseženi. Odmevni in mednarodno prepoznani rezultati projekta so bili med drugim objavljeni v skupno 22 izvirnih znanstvenih člankih v SCI revijah in 7 konferenčnih prispevkih.

Projekt eHEATs je zagotovil nova znanja pri razumevanju mehanizmov izboljšanega prenosa toplote pri vrenju, z uvedbo laserskega strukturiranja pa odprl novo področje razvoja okolju prijazne in hitre metode za funkcionalizacijo površin. Vsebina projekta se je neposredno nanašala na prejšnje uspešno zaključene projekte (financirane s strani ARIS in ESA), katerih vodje so bili vključeni v eHEATs: L2-7172; J2-1741; BI-US/15-16- 066; 4200020289. Dodatno pa je raziskovalna skupina v okviru izvajanja projekta okrepila sodelovanje ESA in MIT ter vzpostavila novo sodelovanje z univerzo KU Leuven, s katerimi so pridobili dva nova projekta (WEAVE ARIS N2-0251 ter ESA OSIP I-2022-05343). Zaradi odmevnosti znanstvenih objav in doprinosa na področju izboljšanega prenosa toplote je bil vodja eHEATS povabljen tudi v stalni uredniški odbor revije Applied Thermal Engineering (Elsevier, IF: 6.4). Projekt je na ta način celo presegel pričakovane učinke na obravnavanem znanstvenem področju in nadaljnjem razvoju raziskovalnih skupin, v okviru katerih je bil realiziran.

 

Nucleate boiling is among the most efficient heat transfer mechanisms encountered daily and extensively exploited in engineering applications; from cooling electronic devices and nuclear fuel rods to control and communication components in aerospace engineering. Due to persistent technological advancements, device miniaturization, and stricter safety requirements, the need for efficient heat dissipation is constantly growing. This drives increased investment in fundamental and applied research on efficient heat transfer.

 One of the main approaches to improve the boiling process is the modification of the boiling surface, with the eHEATs project addressing the study of enhanced heat transfer during boiling through the development of advanced functionalized surfaces using direct laser structuring. The methods developed within the project now allow structuring at macro, micro, and nano-levels, surface chemistry modification, and application for improving boiling heat transfer using various fluids. Due to the pronounced need for interdisciplinary collaboration, the project involved leading researchers in mechanical engineering (heat and mass transfer and process engineering), physics, laser technology, and materials science.

 The project’s objectives, including (i) developing advanced surfaces for improved heat transfer during boiling of pure substances and multicomponent mixtures, (ii) enhancing the understanding of boiling processes on advanced surfaces using different working fluids and under various operating conditions, and (iii) elucidating the impact of boiling on the durability of developed advanced surfaces for improved heat transfer, have been fully achieved. The significant and internationally recognized results of the project have been published in a total of 22 original scientific articles in SCI journals and 7 conference contributions.

 The eHEATs project has provided new insights into the mechanisms of enhanced heat transfer during boiling, and with the introduction of laser structuring, it has opened up a new area of environmentally friendly and rapid surface functionalization development. The project’s content directly related to previously successfully completed projects (funded by ARIS and ESA), whose leaders were involved in eHEATs: L2-7172; J2-1741; BI-US/15-16-066; 4200020289. Additionally, the research group, during the project implementation, strengthened cooperation with ESA and MIT and established new collaboration with KU Leuven University, resulting in two new projects (WEAVE ARIS N2-0251 and ESA OSIP I-2022-05343). Due to the significance of scientific publications and contributions in the field of enhanced heat transfer, the eHEATs project leader was also invited to the editorial board of the Applied Thermal Engineering journal (Elsevier, IF: 6.4). In this way, the project even exceeded expected effects on the addressed scientific field and further development of research groups within which it was implemented.

 

Cilj O1: Razvoj naprednih površin za izboljšan prenos toplote pri vrenju čistih snovi in večkomponentnih zmesi.

Kvantitativna ocena uresničitve cilja cilja 100%.

Aktivnosti za dosego cilja so bile vključene v 2. delovni sklop (WP2: Površinski inženiring za izboljšan prenos toplote pri vrenju), katerega program dela je bil razdeljen na štiri naloge (T2.1 – T2.4) časovno opredeljene na mesece izvajanja M1-M30. Opis nalog in njihova realizacija je podana v nadaljevanju skupaj s kvalitativno oceno uresničitve cilja in pomena za celoten projekt.

·         T2.1 Preliminarna zasnova in izdelava naprednih površin (M1-M9)

Naloga je v celoti uspešno realizirana. Preliminarna zasnova površin je bila uspešno realizirana, predvsem uspešni in objavljeni rezultati so bili doseženi na bakru, cirkonijevi zlitini, nerjavnem jeklu in titanu.

·         T2.2 Izvedba strukturiranih površin na tankih kovinskih plasteh (M6-M16)

Naloga je v celoti uspešno realizirana. Strukture so bile izdelane na tankih kovinskih filmih in folijah v debelinah 12 µm, 25 µm, 50 µm in 100 µm. Kot optimalni debelini sta se izkazali 25 µm, 50 µm, rezultati so bili uspešno objavljeni.

·         T2.3 Optimizacija izdelave naprednih površin (M10-M24)

Naloga je v celoti uspešno realizirana. Optimizacija je bila narejena predvsem za vodo, v sodelovanju z Massachusetts Institute of Technology smo poleg optimizacije razporeditve aktivnih nukleacijskih mest razvili tudi model, ki omogoča optimizacijo glede na maksimiranje toplotnega toka pri uparjanju. Izredno pomemben rezultat objavljen v reviji s faktorjem vpliva 19 je bil dosežen tudi na bifilnih bakrenih površinah z optimizacijo razporeditve nukleacijskih mest.

·         T2.4 Skaliranje procesa izdelave naprednih površin (M25-M30)

Naloga je v celoti uspešno realizirana. Razviti postopki funkcionalizacije površin so bili uporabljeni za preučevanje mašenja prenosnikov toplote in drugih sistemov, ki so podvrženi obratovanju z nečistimi fluidi kjer prihaja do možnosti pojava kristalizacijskega mašenja. Rezultati so bili objavljeni v dveh člankih in so pomembni za skalabilnost razvijte tehnologije. Poleg tega so bile izdelane izboljšane površine na neravnih (3D) površinah cevi in poslane na Univerzo v Illinoisu za nadaljnje raziskave.

Cilj O2: Izboljšanje razumevanja procesa vrenja na naprednih površinah z uporabo različnih delovnih fluidov in pri različnih obratovalnih pogojih.

Kvantitativna ocena uresničitve cilja cilja 100%.

Aktivnosti za dosego cilja so bile vključene v 3. delovni sklop (WP3: Eksperimenti vrenja na funkcionaliziranih površinah pri različnih obratovalnih pogojih), katerega program dela je bil razdeljen na štiri naloge (T3.1 – T3.4) časovno opredeljene na mesece izvajanja M6-M34. Opis nalog in njihova realizacija je podana v nadaljevanju skupaj s kvalitativno oceno uresničitve cilja in pomena za celoten projekt.

T3.1 Izvajanje eksperimentov vrenja čistih snovi (M6-M20)

Naloga je v celoti uspešno realizirana. Najbolj uspešni in objavljeni rezultati so doseženi z vodo kot polarnim medijem na razvitih bifilnih površinah izdelanih z nanosekundnimi laserskimi bliski in nepolarnim dielektrikom Novec 649 na periodičnih strukturah izdelanih s pomočjo femtosekundnega laserja. Objava z uporabo fluida Novec 649 (v reviji s faktorjem vpliva 6.4) je okrepila sodelovanje z univerzo KU Leuven in odprla nove možnosti za sodelovanje predvsem na področju hlajenja mikroelektronike. Odmevna objava na področju bifilnih površin (faktor vpliva 19) pa odpira nove možnosti uporabe naprednih bakrenih površin za hlajenje v najzahtevnejših aplikacijah z zahtevo po odvajanju visoke gostote toplotnih tokov preko 2  MW/m2.

T3.2 Izvajanja eksperimentov vrenja zmesi (M8-M20)

Naloga je v celoti uspešno realizirana. Največ pozornosti je bilo namenjene namenili samoomočljivim fluidom v kombinaciji voda/n-butanol ter binarnim zmesem voda/glicerin. Najuspešnejše kombinacije zmesi v povezavi z izboljšanimi površinami so bile objavljene v več znanstvenih člankih. Predvsem je pomeben zaključek, da funkcionalizirane površine lahko izboljšajo koeficient toplotne prestopnosti pri vrenju tudi v primerjavi uporabe zmesi, ne morejo pa popolnoma eliminrati omejitev,  ki nastopajo zaradi omejene difuzije snovi v binarnih zmeseh ni možno popolnoma eliminirati z uporabo naprednih funkcionaliziranih površin. Je pa možno izboljšati prenos toplote

T3.3 Vrenje v mikrogravitacijskih pogojih (M13-M28)

Naloga je v celoti uspešno realizirana. Razviti algoritmi znotraj tega projekta so bili uspešno preneseni na eksperimente v mikrogravitacijskih pogojih in objavljeni v dveh znanstvenih publikacijah. Obe objavi sta uvrščeni med najkakovostnejše dosežke objavljeni v reviji v kategoriji A”. Sami eksperimenti, potrebni za apliciranje novo razvitih algoritmov, so se izvajali izven aktivnosti projekta eHEATs na Mednarodni vesoljski postaji v ločenem mednarodnem projektu financiranem s strani Evropske vesoljske agencije.

T3.4 Evalvacija obratovanja optimiziranih naprednih površin (M21-M34)

Naloga je v celoti uspešno realizirana. Medsebojna interakcija aktivnih nukleacijskih mest ter identifikacija nukleacij s pomočjo obdelave slik je bila podrobno preučena v sodelovanju z MIT in objavljena v reviji s faktorjem vpliva 6.4 ter dodatno objavljena v zaključeni znanstveni zbirko raziskovalnih podatkov, ki je po našem vedenju edina tovrstna zbirka raziskovalnih podatkov prosto dostopna po celem svetu. Funkcionalizacija površin je bila uspešno realizirana na cirkonijevi zlitini, kar ima izjemen pomen za implementacijo v nuklearni industriji. Tovrstna implementacija zahteva tudi testiranje pri povišanih tlakih, kar bo v realizirano na MIT v prihodnosti, ko bo tovrstna infrastruktura za izvedbo eksperimentalne evalvacije realizirana.

Cilj O3: Pojasnjevanje vpliva vrenja na obstojnost razvitih naprednih površin za izboljšan prenos toplote.

Kvantitativna ocena uresničitve cilja cilja 100%.

Aktivnosti za uresničitev cilja so bile vključene v 4. delovni sklop (WP4: Obstojnost funkcionaliziranih površin) katerega program je bil razdeljen na štiri naloge T4.1-T4.4 in časovvno opredeljen na izvajanje v mesecih M10-M36. Opis nalog in njihova realizacija je podana v nadaljevanju skupaj s kvalitativno oceno uresničitve cilja in pomena za celoten projekt.

WP4: Obstojnost funkcionaliziranih površin

T4.1 Razvoj eksperimentalnega sistema za izvajanje dolgotrajnih testov vrenja (M10-M14)

Eksperimentalni sistem je bil uspešno razvit, objavljen je bil en konferenčni prispevek in eden znanstveni članek. Eksperimentalni sistem je in bo ostal v uporabi, kar bo omogočilo nadaljnjo diseminacijo rezultatov projekta in pridobivanje novih informacij za namen poglobitve temeljnega razumevanja kot tudi aplikativnih študij. Kot je nam znano, tovrstnega sistema, ki bi omogočal paralelno in avtonomno izvajanje kar štirih testov dolgotrajnega vrenja pri identičnih pogojih, v svetu ni na voljo.

T4.2 Analiza neobdelanih in razvitih naprednih površin (M10-M18)

Razvite površine so bile uspešno testirane s predvidenimi postopki za določanje površinske topografije in omočljivosti površin. Glavni rezultati so predstavljeni znotraj več znanstvenih publikacij, navadenih v točki B3 tega projektnega poročila.

T4.3 Izvedba dolgotrajnih testov vrenja (M15-M34)

Naloga je v celoti realizirana. Rezultati so objavljeni na enem konferenčnem prispevku in enem znanstvenem članku.

T4.4 Analiza neobdelanih in razvitih naprednih površin po izvajanju dolgotrajnih testov vrenja (M28-M36)

Naloga je v celoti realizirana in objavljena v eni znanstveni publikaciji. Kot ena najbolj naprednih površin je bila izbrana bakrena lasersko obdelana površina v kombinaciji z nano-tankim hidrofobnim nanosom. Analiza površinske kemije, omočljivosti in karakteristike prenosa toplote je bila izvedena pred in po izvajanju dolgotrajnih testov vrenja, pri čemer je bila dodatno uporabljena tudi sol CaSO4 za pospešeno degradacijo površine. Rezultati, edinstveni na tem področju, so uspešno objavljeni v reviji s faktorjem vpliva 6,4.

Izvirni znanstveni članki

[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]

[19] J. Berce et al. Infrared thermography observations of crystallization fouling in a plate heat exchanger. Applied thermal engineering (2023). [COBISS.SI-ID 141882115]

[20] J. Berce et al. Boiling-induced surface aging and crystallization fouling of functionalized smooth and laser-textured copper interfaces. Applied thermal engineering. (2024). [COBISS.SI-ID 182964995]

[21] M. Zupančič et al. Enhanced nucleate boiling of Novec 649 on thin metal foils via laser-induced periodic surface structures. Applied thermal engineering (2024). [COBISS.SI-ID 170665731]

[22] A. Hadžić et al. Superbiphilic laser-microengineered surfaces with a self-assembled monolayer coating for exceptional boiling performance. Advanced functional materials (2024). [COBISS.SI-ID 173601027]

 

 

Objavljeni znanstveni prispevki na konferencah

[23] K. Arhar in M. Može. Sprememba intenzivnosti prenosa toplote pri mehurčkastem vrenju zaradi staranja bakrenih površin. Akademija strojništva 2022.

[24] M. Zupančič et al. Pool boiling performance of laser-textured surfaces with time dependent wettability. 8th European Thermal Sciences Conference, 20-22 September 2021.

[25] M. Može et al. Comparison of pool boiling performance of hydrophilic and superhydrophobic nanostructured titanium surfaces. Akademija strojništva 2020.

[26] K. Arhar et al. Enhanced boiling heat transfer with Novec 649 dielectric fluid on functionalized copper surfaces. Akademija strojnštva 2021.

[27] M. Bucci et al. Can the transport of intensity equation be used to perform non-intrusive temperature measurements in liquids? Akademija strojništva 2021.

[28] J. Berce et al. Adaptive prognosis of heat exchanger remaining useful life. Akademija strojništva 2023. [COBISS.SI-ID 174373123]

[29] J. Berce et al. Changes of high-performing copper interfaces during long-term nucleate pool boiling in water and salt solutions. Akademija strojništva 2023. [COBISS.SI-ID 180647683]

 

Kratek znanstveni prispevek

[30] M. Vodopivec et al. Analiza nukleacije parnih mehurčkov pri vrenju na lasersko ustvarjenih nukleacijskih mestih z in brez nanosa grafenskega oksida. Svet strojništva. 2022, letn. 11, št. ½.

 

Druga izvedena dela – predstavitev na webinarju

[31] M. Zupančič. Towards better understanding of nucleate boiling process on surfaces with extreme wetting properties. Thermal Trasnport Café, December 15th 2020. [COBISS.SI-ID 48582147]

 

Zaključena znanstvena zbirka raziskovalnih podatkov

[32] M. Zupančič et al. Dataset supporting journal publication ‘The wall heat flux partitioning during the pool boiling of water on thin metallic foils’. Mendeley Data (2021). [COBISS.SI-ID 80089859]