Sciencemag.cz
Doporučujeme
A co to znamená pro chlazení strojů včetně jaderných reaktorů.
Když na rozpálenou pánev stříknete několik kapek vody, voda zasyčí a kapky se budou jakoby kutálet a vznášet nad hladinou. Teplota, při které k tomuto jevu (Leidenfrostův efekt) dochází, musí být ale o dost vyšší než bod varu vody – obvykle nad 230 °C. Na Virginia Tech ovšem nyní přišli s tím, že levitace vody by mohla fungovat i při teplotách mnohem nižších.
Objev má mít velký potenciál v aplikacích přenosu tepla, jako je chlazení průmyslových strojů a čištění povrchu výměníků tepla od nečistot. Mohl by také pomoci zabránit poškození nebo i haváriím jaderných systémů.
K Leidenfrostově jevu dochází proto, že vedle sebe existují dva různé stavy vody. Kdybychom mohli vodu vidět na úrovni kapek, pozorovali bychom, že se na povrchu nevaří celá kapka, ale jen její část. Teplo odpařuje spodní část, ale energie neprochází celou kapkou. Kapalná část nad výparem dostává méně energie, protože její velká část se spotřebuje na vaření dna. Horní kapalná část tak zůstává neporušená – a vidíme ji vznášet se na vrstvě páry. Teplota 230 °C je výrazně nad bodem varu vody 100 °C, protože musí být dostatečně vysoká, aby se okamžitě vytvořila vrstva páry. Je-li příliš nízká, kapky se nevznášejí. Pokud je příliš vysoká, teplo odpaří celou kapku.
Jiangtao Cheng a jeho kolegové z Virginia Tech, Oak Ridge National Lab a Dalian University of Technology ale dokázali tento pohled na věc změnit. Tradiční měření Leidenfrostova efektu předpokládá, že ohřívaný povrch je rovný. Vědci nyní objevili způsob, jak snížit minimální teplotu pro jev tím, že vytvořil povrch pokrytý mikrosloupky. V experimentálním uspořádání jsou 0,08 milimetru vysoké a umístěné v pravidelném vzoru s rozestupem 0,12 milimetru. V kapce vody dopadlé na povrch jich bude 100 nebo víc. Sloupky uvolňují teplo do nitra kapky a urychlují její var. To způsobuje, že mikrokapky levitují a odskakují od hladiny během milisekund při nižších teplotách; rychlost varu lze přitom navíc řídit změnou výšky sloupků. Minimální teplotu pro levitaci vodních kapek se již takto podařilo snížit na 130 °C.
Leidenfrostův jev není zdaleka jen zajímavou hříčkou – představuje totiž také kritický bod v přenosu tepla. Když voda vře, nejúčinněji odvádí teplo z povrchu. V aplikacích, jako je chlazení pracujících strojů, to znamená, že přizpůsobení horkého povrchu pomocí sloupků/textur umožňuje odvádět teplo rychleji, což snižuje riziko poškození v důsledku přehřátí zařízení.
„Náš výzkum může zabránit katastrofám, jako jsou výbuchy par, které představují významnou hrozbu pro průmyslová zařízení pro přenos tepla,“ uvádí hlavní autor studie Wenge Huang z Virginia Tech. „K explozím par dochází, když se bubliny páry v kapalině rychle rozpínají v důsledku přítomnosti intenzivního zdroje tepla v blízkosti. Jedním z příkladů, kde je toto riziko obzvláště relevantní, jsou jaderné elektrárny.“
Zůstává ale ještě další problém. Je-li základem funkčnosti uspořádání povrchu se sloupky, hrozí, že se tento povrch naruší tím, jak se zde budou usazovat nečistoty z vody. Povrch lze samozřejmě zkoušet různě čistit, aby se struktura se sloupky zachovala. Ideální verzí, kterou navržený postup má víceméně umožňovat, je to, aby bublinky páry vytlačily nečistoty ven z povrchu do suspenze v kapce. Z povrchu pak bude odváděno nejen teplo, ale i nečistoty (poznámka PH: nespadnou pak ale stejně zase zpátky, odvede je pára?).
Zdroj: Nature Physics / Virginia Tech / Phys.org
