Raziskovalci iz Laboratorija za toplotno tehniko (LTT), skupaj s kolegi z univerze KU Leuven (Belgija), so pojasnili, kako površinska napetost vpliva na nastanek, rast in odcepitev parnih mehurčkov v režimu mehurčkastega vrenja. Rezultati raziskave so objavljeni v reviji Applied Thermal Engineering (IF = 6.9).
Slika 1: (a,b) Umetno ustvarjeno mesto nukleacije mehurčkov in (c) vizualizacija nastanka in rasti mehurčkov.
Učinkovito odvajanje toplote je ključno za sodobno visoko zmogljivo miniaturizirano elektroniko, kjer običajni pristopi hlajenja pogosto ne zadoščajo, zato se vse več uporablja mehurčkasto vrenje. Čeprav slednje dokazano močno izboljša prenos toplote, pa raziskovalci posameznih mehanizmov nastanka in odcepitve mehurčkov še vedno niso popolnoma razjasnili. Zlasti učinek površinske napetosti na točno določenem mestu nukleacije doslej še ni bil eksperimentalno izoliran, zaradi kompleksnih interakcij med sosednjimi mehurčki.
Pretekle študije na tem področju so temeljile na večjem številu hkratnih mehurčkov ali na hkratnem spreminjanju več lastnosti tekočine, kar je onemogočalo ločevanje vpliva površinske napetosti od interakcij med sosednjimi mehurčki ali od drugih lastnosti fluida. Posledično so bile napovedi dinamike mehurčkov pogosto zelo drugačne od praktičnih opažanj.
S femtosekundnimi laserskimi pulzi so raziskovalci na 100 µm debelih titanovih folijah izdelali prefinjeno konično votlino, sposobno nukleirati posamezne mehurčke pri nadzorovanem toplotnem toku. Površinsko napetost vode so raziskovalci postopno nižali z uporabo surfaktanta Dynol 800, ki zanemarljivo vpliva na ostale fluidne lastnosti. Hitro tekoči posnetki iz bočne perspektive v kombinaciji z infrardečo termografijo so služili spremljanju rasti mehurčkov, premera med odcepitvijo in beleženju lokalne temperaturo površine. Iz analize so raziskovalci odkrili dvojno vlogo površinske napetosti, ki med življenjskim ciklom mehurčkov izkazuje nemonotono odvisnost: zmerno znižanje površinske napetosti pospeši rast mehurčkov in zmanjša premer ob odcepitvi, nadaljnje znižanje pa obrne ta trend zaradi sprememb v dinamiki toplotnega mejnega sloja.
Ti novi vpogledi postavljajo temelje za razvoj naprednih površin za mehurčkasto vrenje, ki bodo omogočile natančen nadzor procesa vrenja, kar bi lahko revolucioniralo upravljanje s toploto v visoko zmogljivi elektroniki, energetiki in drugih tehnološko zahtevnih okoljih.
Naslovna slika ustvarjena s pomočjo UI.