Влияние наноструктуры поверхности на пузырьковое кипение воды

Была рассмотрена работа Heitich и др.[14] (2012) – влияние наноструктуры поверхности на пузырьковое кипение воды. В этой работе исследуется влияние наноструктур на пузырьковое кипение (коэффициент теплоотдачи и КТП). Изучаемые наноструктуры, состоят из наночастиц молибдена (полученных методом распыления),  и магемита, нанесённых на подложку из очень тонких константановых лент.

В рассмотренной работе, молибденовую наноструктуру получают методом плазменного напыления - атомы вылетают из молибденовой пластины (катода) на константановую ленту (анод). Образцы с циклом напыления в 30 мин. называются Mo_1, а с циклом в 1 ч. Mo_2.

*- Растровый электронный микроскоп

**- Размер осаждённых частиц

Магемитовая наноструктура получалась путём осаждения суспензии, состоящей из воды и наночастиц магемита (ɣ - Fe₂O₃) , на нагретую поверхность. Образцы с двумя слоями наночастиц называются Maghemite_1, а образцы с четырьмя слоями - Maghemite_2.

Кривые кипения:

Рис.1 показывает результаты для молибденовой наноструктуры и гладкой поверхности. КТП возрос примерно на 19% по сравнению с гладкой поверхностью, и аналогичное возрастание наблюдалось для шероховатой поверхности в сравнении с гладкой поверхностью. Коэффициент теплоотдачи показывает различные поведения для низких и высоких тепловых потоков: для низкого теплового потока коэффициент теплоотдачи уменьшается, а для высоких – возрастает.

Рис.1. Кривая кипения для гладкой поверхности

и молибденовой наноструктуры [1].

Рис.2. представляет результаты для магемитной наноструктурированной поверхности и гладкой поверхности. КТП значительно увеличивается, около 140% и 200% для магемитных наноструктур, по сравнению с гладкой поверхностью. Экспериментальные точки для наноструктур  магемит_1 и наноструктур магемит_2 сдвинуты влево, что указывает на лучший коэффициент теплоотдачи. Для тепловых потоков выше 753 кВт/м², повышение кипения наблюдалось для наноструктур магемит_1.

Рис.2. Кривая кипения для гладкой поверхности и магемитной наноструктуры [1].

Рис.3. показывает результаты пузырькового кипения на гладкой поверхности и трёх поверхностях с тем же типом шероховатости: первый без осаждения, и два других с нанесением слоя молибдена и слоя магемита, соответственно. Осаждения наночастиц показывают более низкий коэффициент теплопередачи по сравнению с грубой подложкой без осаждения. Тем не менее, экспериментальные точки на поверхности с магемитным осаждением смещены влево, что указывает на лучший коэффициент теплопередачи. Осаждения молибдена и магемита проводились с использованием методами распыления и испарения, соответственно.

Рис.3. Кривые кипения для гладкой и шероховатой подложке

и шероховатой подложке с осаждением наночастиц [1].

Было отмечено, что шероховатая поверхность показала увеличение коэффициента теплоотдачи. Так как эта поверхность не осаждается наночастицами, полости и поверхностные дефекты являются возможными центрами парообразования. Тем не менее, эта поверхность показала гидрофобность, в то время как другие проанализированные поверхности показали гидрофильность. Это может быть объяснено тем, что шероховатая поверхность имеет меньшее количество полостей и меньшее поверхностное натяжение и, следовательно, меньшую смачиваемость. В результате, возможные центры парообразования не залиты, что позволяет захват пара, который вносит свой вклад в активацию центров парообразования и, следовательно, теплоотдача увеличивается.

Таким образом, предполагается, что микроструктура наноструктурированных поверхностей влияет на процесс передачи тепла таким образом, что поверхностные дефекты могут рассматриваться как центры парообразования, и такие факторы как размер и число этих дефектов являются важными. Кроме того, гидрофобные поверхности имеют больший коэффициент теплоотдачи и поверхностную смачиваемость, что так же является результатом конфигурации поверхностных дефектов.

Проанализированные наноструктуры показали снижение статического и оттекающего угла контакта и увеличение КТП. Наноструктуры магемита показали абсолютную смачиваемость и высокое значение КТП по сравнению с другими проанализированными поверхностями.

Более высокая смачиваемость наноструктур может быть также объяснена увеличением числа дефектов, которые увеличивают вязкие напряжение и следовательно, увеличивают их взаимодействие с жидкостью. Считается, что гидрофильные поверхности контактируют с жидкостью в течении долгого периода, что препятствует высыханию и задерживает создание условий, необходимых для возникновения критического теплового потока и пережога (плёночного кипения).

Было отмечено, что на наноструктурированных поверхностях меньшее количество пузырей в начале кипения, но с большим диаметром. Для тепловых потоков близких к критическому, было замечено, что пузырьки пара в случае наноструктур были значительно больше, чем в случае гладкой подложки.

В рассмотренной работе были выявлены важные изменения краевого угла как функции дефектов поверхности, связанных с наноструктурой. Так же          предполагается существование вкладов от, увеличения смачиваемости в результате дефектов наноструктурирования, и шероховатости, созданной осаждением наночастиц.

Авторы делают выводы о том, что:

Магемитная наноповерхность показалала большую пористость и шероховатость. Эти образцы имеют большую толщину слоя наночастиц и, следовательно, большую смачиваемость по сравнению с образцами молибдена, предполагается, что шероховатость и толщины нанесённого слоя способствуют увеличения поверхностного натяжения. Наноструктуры показали рост КТП, особенно в случае с отложением магемита. КТП увеличивается по мере увеличения смачиваемости. Увеличение КТП наблюдалось при уменьшении статического, и оттекающего угла смачивания. Можно сделать вывод о том, что характер наноструктуры сильно влияет на процесс пузырькового кипения. Небольшой размер частиц в наноструктурах способствует заметным изменениям смачиваемости, которая является функцией рельефа подложки и осаждения.