Исследование имеет дело с ключевым пунктом перехода, известным как критический тепловой поток, или швейцарский франк, ценность теплопередачи, в единицу времени и область, где особенности теплопередачи поверхности внезапно изменяются: Например, когда охлаждающиеся группы системы электроники становятся покрытыми слоем пара, который блокирует теплопередачу, получающееся повышение температуры может повредить или разрушить оборудование. Новые результаты могли поднять покупательную силу швейцарского франка, обеспечив дополнительные запасы прочности или управляя диапазонами для такого оборудования.Исследование было выполнено семью исследователями MIT и издано в журнале Applied Physics Letters.
Соавтор Якопо Буонджорно, адъюнкт-профессор ядерной науки и разработки, говорит, что это могло привести к более безопасным ядерным реакторам, более эффективным теплообменникам и лучшему тепловому управлению мощной электроникой.До сих пор не было никакого соглашения по относительной важности трех поверхностных признаков, которые могли затронуть начало швейцарского франка: грубость, wettability (способность воды распространиться через поверхность) и пористость.
Теперь, после подробного расследования, команда нашла, что присутствие пористого слоя на поверхности материала – безусловно наиболее важный фактор.В то время как другие исследователи изучили эти поверхностные эффекты, Буонджиорно объясняет, те более ранние исследования часто изменяли многократные поверхностные параметры в то же время, мешая определять, который был самым важным.
Команда Буонджиорно смогла независимо изменить каждый из этих трех параметров, и полученный «некоторые неожиданные результаты», говорит он.Новая работа выросла из более ранних исследований команды наножидкостей – наночастиц, приостановленных в воде – для возможного применения в системах охлаждения ядерной установки. Они нашли, что наночастицы, которые имели тенденцию вносить на поверхностях, заработали швейцарский франк, потенциально повысив безопасность на заводе.
Но было неясно точно, почему это работало. Соавтор Майкл Рабнер, профессор TDK Материаловедения Полимера и Разработки в MIT, говорит, что, когда Buongiorno «указал, что улучшения в швейцарском франке, кажется, связаны со смещением наночастиц на поверхности, мы вошли в азарт, так как мы развивали методологии для того, чтобы систематически внести наночастицы на поверхности с наноразмерным контролем над толщиной, wettability и пористостью. Используя эти методологии, мы смогли произвести четко определенные поверхностные особенности и структуры, которые позволили разобраться в важных факторах в действии в процессе».
На основе новых тестов команда решила, что наночастицы формируют гидрофильное пористое покрытие на поверхности, составляя улучшение. Более ранние «общие знания» среди исследователей, Буонджиорно говорит, были то, что wettability один, не пористость, была главная собственность, составляющая увеличения швейцарского франка.Соавтор Том Маккрелл, исследователь MIT, говорит, «Это была мультидисциплинарная команда, которая допускала это открытие». Без экспертных знаний команды в поверхностной наноинженерии, поверхностной характеристике и тепловой гидравлике, он добавляет, относительные вклады этих признаков к швейцарскому франку «остались бы тайной».
Для большинства заявлений – таких как топливные стержни в атомных электростанциях или жидкие системы охлаждения в мощной электронике – желательно за швейцарский франк быть максимально высоким. Но для некоторых заявлений – таких как сокращение сопротивления на поверхности объектов, перемещающихся под водой – низкий швейцарский франк желателен; новый анализ показывает, как уменьшить швейцарский франк, применив гидрофобное, пористое покрытие к поверхности.Новая работа основывается на более раннем исследовании Buongiorno и его коллегами, которые посмотрели на оборот швейцарского франка, процесс назвал подавление. Это – то, что происходит, когда горячий материал помещен в контакт с холодной жидкостью – такой как тогда, когда вода введена в перегретую тепловыводящую сборку в ядерной установке или пылающее – горячий кусок металла погружен в холодную нефть, чтобы спроектировать ее микроструктуру.
В таких случаях контакт жидкости с горячим металлом может создать барьер пара, который эффективно изолирует поверхность. Буонджиорно говорит, что металл мог быть «столь горячим, что, когда Вы помещаете воду на него, это не коснулось бы его» – проблема, которая может быть преодолена покрытием поверхность с пористым гидрофильным слоем, который ускоряет пересмачивание поверхности, увеличивая теплопередачу.
С другой стороны, если бы пересмачивание является нежелательным, пористый гидрофобный слой был бы применен.Джанго Ким, преподаватель машиностроения в Университете Мэриленда, говорит, что это исследование «бросает вызов нашему текущему пониманию механизмов швейцарского франка».
Майкл Коррэдини, преподаватель в Висконсинском университете и президент американского Ядерного Общества, добавляет, что это «является очень интересным исследованием, которое может помочь найти новые способы улучшить особенности теплопередачи для ядерного топлива или связанного с безопасностью оборудования».В дополнение к Buongiorno, Рабнеру и Маккреллу, исследовательская группа MIT включала Роберта Э. Коэна, профессора Св.
Лорента Химического машиностроения; аспирант Кэролайн Койл; Гарри О’Хэнли СМ ’12; и Лин-Вэнь Ху, заместитель директора Ядерной Реакторной Лаборатории MIT. Работа была поддержана ядерно-реакторной продавщицей Аревой НП.