Burbuliukų įjungimas ir išjungimas virimo metu naudojant užpildytas aktyviąsias medžiagas | gamtos komunikacijos

Burbuliukų įjungimas ir išjungimas virimo metu naudojant užpildytas aktyviąsias medžiagas | gamtos komunikacijos

Anonim

Dalykai

  • Energijos ir katalizės medžiagos
  • Termodinamika

Anotacija

Virimą - procesą, kurio pramonė nuo garo amžiaus buvo varoma, reguliuoja burbulų susidarymas. Šiuolaikiniai virimo paviršiai dažnai padidina burbuliukų susidarymą dėl šiurkštumo ir (arba) drėgnumo modifikavimo, kad padidėtų našumas. Tačiau be aktyvaus burbulų valdymo vietoje , temperatūros ar garų srauto negalima sureguliuoti tam tikram šilumos kiekiui. Čia mes pranešame apie galimybę įjungti ir išjungti burbuliukus, nepriklausomai nuo šilumos sąnaudų, verdant tiek laikine, tiek erdvine prasme, molekuliškai manipuliuojant virimo paviršiumi. Dėl to mes galime greitai ir grįžtamai pakeisti šilumos perdavimo efektyvumą iki eilės dydžio. Mūsų eksperimentai rodo, kad ši aktyvi kontrolė pasiekiama elektrostatiniu būdu adsorbuojant ir desorbuojant įkrautas paviršiaus aktyviąsias medžiagas, kad pakeistų paviršiaus drėgnumą ir taip paveiktų branduolį. Šis požiūris gali pagerinti esamų virimo technologijų efektyvumą ir lankstumą, taip pat įgalinti naujas ar precedento neturinčias energijos programas.

Įvadas

Didžioji dalis šildymo, aušinimo ir elektros energijos gamybos sistemų 1, 2 priklauso nuo virimo, kad būtų perduodamas didelis šilumos kiekis, esant minimaliam temperatūrų skirtumui. Šio proceso efektyvumas yra išreiškiamas šilumos perdavimo koeficientu (HTC), kuris apibrėžiamas kaip šilumos srauto q ′ ir temperatūros skirtumo tarp virimo paviršiaus ir skysčio tūrio (perkaitimas), T bangos santykis. - T sėdėjo .

Image

Norint pagerinti HTC, drėgnumas paprastai sumažėja, kad padidėtų garų susidarymas padidėjus burbulų susidarymui 3, 4, 5 . Taip yra todėl, kad mažiau drėkinamas paviršius yra energetiškai palankus 6 branduoliui. Tačiau per didelis branduolio susidarymas gali pakenkti esant aukštam q ′ ′, kai pasiekiamas kritinis šilumos srautas (CHF). Esant CHF, tankiai supakuoti burbuliukai susilieja ir sudaro garų plėvelę, kuri žymiai pakelia paviršiaus temperatūrą, sumažina HTC ir gali sukelti prietaiso gedimą. Kai kurie virimo paviršiai yra sukurti tam, kad būtų išvengta CHF susidarymo, kai padidinamas drėkinimas, todėl burbuliukų susidarymas slopinamas 7 . Taigi vien dėl padidėjusio drėgnumo HTC sumažėja žemoje q ′ diapazone, nes daugiau energijos išskiriama konvekcijos, o ne garų generavimo dėka. Tačiau daugumoje 8, 9 metodų buvo naudojamos mikro- ir nanostruktūros, kad būtų padidintas branduolio vietų skaičius. Nepaisant to, virimo savybes labai lemia burbulų 10, kurių negalima aktyviai kontroliuoti tam tikrame paviršiuje, elgsena, nes drėgmė ir paviršiaus morfologija paprastai yra fiksuoti. Idealiu atveju, HTC būtų optimizuotas plačiam q ′ diapazonui, kai burbulų branduolys yra keičiamas pagal poreikį taip, kad daugiau būtų branduolių žemoje q ′ ir mažiau - esant aukštai q ′.

Be statinių paviršiaus modifikacijų, į skystį (paprastai vandenį) pridedamos aktyviosios paviršiaus medžiagos mažomis koncentracijomis padidina 11, 12 branduolį ir HTC. Pagerėjimas iš dalies priskiriamas paviršiaus aktyviosioms medžiagoms, adsorbuojančioms skysčio ir garų sąsają, mažinančioms skysčio ir garų paviršiaus įtempį ir leidžiančioms lengviau išbristi burbuliukams 13 . Kitas stiprinimo veiksnys yra paviršiaus aktyviųjų medžiagų adsorbcija kietojo skysčio sąsajoje 14, 15, 16 su jų hidrofobiniais komponentais kontaktuojant su vandeniu, kad būtų sukurta hidrofobinė ( nesušlapinanti ) „danga“, skatinanti branduolio susidarymą 13, 17, 18, 19. . Tačiau santykinė adsorbcijos svarba kietojo skysčio sąsajoje, palyginti su skysčio ir garų sąsaja, nebuvo aiški.

Čia mes naudojame elektrinius laukus ir įkrautas paviršiaus aktyviąsias medžiagas, kad tiesiogiai kontroliuotume kietojo skysčio adsorbciją 20, atsiedami jį nuo skysčio ir garų adsorbcijos poveikio. Atitinkamai, šis metodas leidžia aktyviai kontroliuoti kontaktinį kampą, taigi ir branduolių tankį bei virimo šilumos perdavimą. Palyginus su kitu aktyviu virimo metodu, elektrohidrodinaminiu (EHD) virimu, aktyviosios paviršiaus aktyviosios medžiagos virinimas turi tą pranašumą, kad nereikia didelių elektrinių potencialų (∼ 1 V, palyginti su ∼ 10 3 V), ir leidžiama naudoti vandenį, o ne mažesnius latentinius šilumnešius. 21, 22 .

Rezultatai

Branduolio įjungimas ir išjungimas

Mes pademonstruojame savo sugebėjimą aktyviai kontroliuoti burbulų susidarymą tiek, kad burbuliukai būtų „įjungiami ir išjungiami“ (1 pav.; 1 papildomas filmas). Tai pasiekiama elektrostatiniu būdu adsorbuojant ir desorbuojant užpildytas aktyviąsias medžiagas, naudojant mažą elektrinį potencialą (≤2 V). Mes pritaikėme pastovų 60 W šilumos indėlį verdant dejonizuotą (DI) vandenį su 2, 6 mM neigiamai įkrauto aktyviosios paviršiaus medžiagos natrio dodecilsulfato (SDS) 2 × 2 cm plote ant sidabro virimo paviršiaus (1a pav.). Verdant mes pakeitėme elektrinį potencialą, taikomą tarp paviršiaus ir priešingąjį elektrodą, įmerktą į skystį ( V ląstelė = V bangos - V skaitiklis ), nuo –0, 1 iki –2, 0 V, dėl ko burbulų branduolys iškart sumažėjo (1b pav.) . Labiau neigiamas potencialas elektrostatiškai atstumia neigiamai įkrautą SDS nuo paviršiaus, sumažindamas paviršiaus hidrofobinę „dangą“, dėl kurios padidėjo drėkinimas ir slopinamas branduolių susidarymas. Drėgnumo įtakos branduoliams iliustracija parodyta 2 pav., Išsamesnis paaiškinimas pateiktas 1 papildomoje pastaboje ir 1 papildomame paveiksle. Neigiamo potencialo susilpnėjimas nuo –2, 0 iki –0, 1 V elektrostatiškai pritraukto SDS paviršiaus, padidino hidrofobinę „dangą“ ir padidino branduolį (1c pav.). Branduolio slopinimas ir skatinimas įvyko greitai (atitinkamai <600 ir <300 ms). Atsiskaitymo laiko skirtumas yra susijęs su branduolio histereze 23 . Šie rezultatai rodo, kad kietojo skysčio adsorbcija / desorbcija vaidina svarbų vaidmenį branduolių susidaryme.

Image

a ) 2, 6 mM SDS (neigiamai įkrauto) tirpalo virinimas baseine su nuolatiniu 60 W galingumo krosnies tirpalu, esant potencialui tarp sidabro folijos virimo paviršiaus ir panardinto titano kovos elektrodo. A ( b ) –0, 1 į –2, 0 V jungiklis sumažino burbulo branduolį per 600 ms, nes SDS destabuota elektrostatiškai iš virimo paviršiaus. A ( c ) –2, 0 iki –0, 1 V jungiklis padidino branduolio susidarymą per 300 ms dėl SDS adsorbcijos (žr. 1 papildomą filmą). Svarstyklės, 1 cm.

Visas dydis

Image

Parodyta maža ir didelė kūgio formos ertmė esant temperatūrai T, esant skirtingoms paviršiaus aktyviosios medžiagos ir elektrinio potencialo sąlygoms. a ) Kai paviršiaus aktyviųjų medžiagų nėra, Laplaso slėgis užfiksuotuose garuose yra didelis dėl mažo kontaktinio kampo. Taigi slėgis abiejuose burbuliukuose yra per didelis soties sąlygoms; taigi, garavimas nevyksta. b ) Kai pridedama paviršiaus aktyviųjų medžiagų, jie adsorbuojasi į kietojo skysčio sąsają 19 uodegos pavidalo konfigūracijoje, todėl paviršius gali atrodyti labiau hidrofobinis, padidinant kontaktinį kampą ir sumažinant Laplaso slėgį, kurio šiuo atveju pakanka. sukelti išgaravimą didesnėje ertmėje. c ) Kai paviršinio aktyvumo medžiagoms naudojamas toks elektrinis potencialas, kad jie būtų elektrostatiškai traukiami į paviršių, paviršiaus aktyviųjų medžiagų skaičius kietojo skysčio sąsajoje padidėja, dar labiau padidindamas kontaktinį kampą, kurio pakanka suaktyvinti abi branduolių susidarymo vietas. Visais atvejais didesnėje ertmėje esantis burbulas prasideda nuo didesnio pradinio tūrio, nes kūgio tūrio dalis, kurią užima garai gaudymo (drėkinimo) proceso metu, yra pastovi, nes ji priklauso nuo kūgio kampo ir kontaktinio kampo, kurie yra vienodi visos ertmės 35 .

Visas dydis

Kvadratinių bangų potencialo eksperimentai

Norėdami išsamiau ištirti adsorbcijos / desorbcijos mechanizmą, kiekybiškai įvertinome neigiamai įkrautos paviršiaus aktyviosios medžiagos SDS ir teigiamai įkrautos paviršiaus aktyviosios medžiagos dodecil-trimetilamonio bromido (DTAB) tirpalų elektrinę ir šiluminę reakciją verdant kvadratinių bangų potencialui ( V ląstelių intervalas tarp –0, 1 ir –2, 0 V, 60 s laikotarpis; 3 pav.). Remdamiesi ciklinės voltamperometrijos eksperimentais (papildomas 2 pav.), Pasirinkome elektrodų medžiagas ir potencialo diapazoną nuo –0, 1 iki –2, 0 V (papildomas 2 pav.), Kad įsitikintume, jog redokso reakcijos yra minimalios ir kad sistema elgiasi kaip adsorbcijos / desorbcijos kondensatorius (žr. Metodus ir 2 papildomoji pastaba). Visų paviršiaus aktyviųjų medžiagų koncentracija buvo maža - 2, 6 mM, kad nepakenktų tūrinėms fizinėms savybėms. Ši koncentracija yra mažesnė už kritinę visų paviršiaus aktyviųjų medžiagų micelių koncentraciją šiame tyrime (3 papildoma pastaba; 1 papildoma lentelė). Dabartinis SDS ir DTAB atsakas (3 pav.) Patvirtino talpinį elgesį, kai pastovioji būsena neviršija 60 μA cm – 2 . Šiluminis atsakas buvo matuojamas įterptais termoporais po virimo paviršiumi (žr. Skyrių „Metodai“), o rezultatai patvirtina adsorbcijos / desorbcijos mechanizmą. Neigiamai įkrauto SDS atveju temperatūra pakilo ir HTC sumažėjo, o neigiamas potencialas buvo didesnis (atstumiantis SDS), nes daugiau šilumos išsisklaidė per konvekciją, o ne dėl garų susidarymo. Atitinkamai, temperatūra nebuvo potencialo fazėje, o HTC - potencialo fazėje (3a pav.). Priešingai, su teigiamai įkrautu DTAB, buvo gauta priešinga temperatūra ir HTC atsakas (3b pav.), Kaip tikėtasi.

Image

a ) Neigiamai įkrautas SDS, palyginti su įėjimo įtampa, turėjo temperatūros pokytį fazėje ir HTC atsaką fazėje. ( B ) teigiamai įkrautas DTAB, palyginti su įėjimo įtampa, turėjo fazės temperatūros atsaką ir ne fazės HTC atsaką. Abiejoms paviršiaus aktyviosioms medžiagoms esant 2, 6 mM, įėjimo įtampa per 60 s pasikeitė tarp –0, 1 ir –2, 0 V, o srovės atsakas buvo talpinis.

Visas dydis

Papildomi eksperimentai su kontroliniais priedais

Papildomi eksperimentai, kai potencialo įvestis buvo lėta trikampio banga (kvazistatinis potencialo pokytis), patvirtino kvadrato bangos eksperimentus (papildomas 3 pav.). Priešingai įkrautos paviršiaus aktyviosios medžiagos SDS ir DTAB turėjo priešingas šilumines reakcijas į tą pačią įtampą. Be to, buvo ištirti du neigiami kontroliniai junginiai: natrio bromidas (NaBr), kuris yra ne paviršiaus aktyvioji druska (SDS ir DTAB priešiniai), taip pat n- dekanoil- n- metilgliukaminas (MEGA-10), kuris yra nejoninis paviršiaus aktyvioji medžiaga. Nebuvo pakitęs branduolys, temperatūra ar HTC su neigiamos kontrolės galimybėmis (papildomi 3 ir 4 pav.). Tiesioginiai besivystančių kontaktinių kampų su NaBr, MEGA-10, SDS ir DTAB matavimai virimo sąlygomis su skirtingu potencialu (papildomas 5 pav.) Atitiko stebėtus branduolių pokyčius. Tiesą sakant, DTAB kontaktinis kampas padidėjo, kai tikėtasi įtampos; tai rodo reiškinį, visiškai priešingą elektriniam pašildymui. Be to, kontaktinio kampo matavimai ir trikampio bangos eksperimentai atmeta kitus aktyviai kontroliuojamos virimo, ty EHD ar elektrolizės, mechanizmus, kurie abu neturi priklausomybės nuo įkrautų paviršiaus aktyviųjų medžiagų (4 papildoma pastaba). Be to, taikomi potencialai išliko vien tik talpioje srityje (nuo –0, 1 iki –0, 8 V) ir buvo trimis laipsniais mažesni nei EHD virimo temperatūroje24. Kadangi sistema yra talpinė, adsorbuotų įkrautų aktyviųjų paviršiaus medžiagų skaičius, virimo branduolio pakitimai, temperatūra ir HTC (papildomas 3 pav.) Turėtų palaipsniui keistis atsižvelgiant į potencialą, kaip buvo pastebėta (tai yra, nėra kritinės įtampos, kurioje šie pokyčiai staiga įvyktų) ). Šie rezultatai rodo, kad įkrautos paviršiaus aktyviosios medžiagos, kurios elektrostatiškai adsorbuoja paviršių, sumažina drėgnumą ir padidina branduolių susidarymą.

Lauko sąlygotas šilumos perdavimo charakteristikų pritaikymas

Virimo charakteristikos ir lauko sąlygotas virimo laipsnis buvo kiekybiškai įvertinti gaunant ir analizuojant virimo kreives - santykį tarp q ′ ′ ir perkaitimo (4 pav.). Šiuose eksperimentuose į DI vandenį buvo įpilta 2, 6 mM NaBr, MEGA-10, SDS arba DTAB ir įdėta V ląstelė, o šildytuvo galia buvo keičiama kvazistatiškai. NaBr ir MEGA-10 virimo kreivės esant –0, 1 ir –2, 0 V esant potencialui nepasikeitė (4a, b pav.), Patvirtindamos neigiamus kontrolės rezultatus. Tuo tarpu joninių paviršiaus aktyviųjų medžiagų (SDS ir DTAB) virimo kreivės esant –0, 1 ir –2, 0 V nukrypo viena nuo kitos, kaip tikėtasi. SDS virimo kreivė esant –2 V buvo pakreipta dešinėn, palyginti su pradine –0, 1 V kreive, dėl padidėjusio drėgnumo ir sumažėjusios branduolio. Tarpas tarp –0, 1 ir –2, 0 V virimo kreivių parodo galimybę aktyviai kontroliuoti (sureguliuoti) virimą ten, kur SDS HTC gali būti padidintas iki ∼ 1000%, palyginti su jo minimalia verte, esant –2, 0 V, esant tam tikram perkaitimui. Šį HTC padidėjimą galima pamatyti vertikaliose rodyklėse esant 8, 7 ° C perkaitimui 4c pav., Kur viršutinė rodyklė nukreipta į 41 W cm −2 −0, 1 V kreivėje, o apatinė rodyklė - iki 3, 7 W cm −2 ant - 2, 0 V kreivė. Be to, temperatūra gali kisti> 2 ° C; juodos horizontalios strėlės, esančios 17 W cm – 2 pav., 4c pav., žemos temperatūros −2, 0 V kreivėje yra žemos, 7, 5 ° C, ir labai įkaista, –0, 1 V kreivės yra 10 ° C. CHF padidėjimas SDS esant didesniam neigiamam potencialui (nerodomas, bet daromas) atitinka padidėjusį drėgnumą dėl paviršiaus aktyviųjų medžiagų pašalinimo. Priešingai, pritaikius neigiamai −2, 0 V teigiamai įkrautam DTAB, sumažėjo drėgnumas, kad virimo kreivė pasislinktų į kairę, padidėtų HTC esant žemai q ″, bet taip pat sumažėtų CHF, palyginti su pradine linija –0, 1 V (4d pav.). DTAB HTC gali būti padidintas nuo jo vertės esant –0, 1 V iki ∼ 1100% esant tam tikram perkaitimui; vertikalios strėlės esant 7 ° C temperatūros perkaitimui, pavaizduotos 4d pav., turi didelį šilumos srautą –2, 0 V kreivėje 20 W cm – 2 ir mažą šilumos srautą −0, 1 V kreivėje - 1, 6 W cm – 2 . DTAB temperatūra gali būti keičiama iki beveik 2 ° C keičiant įtampą; horizontalios strėlės, kurių 3, 8 W cm −2, 4d pav., rodo aukštą 7, 8 ° C kreivės –0, 1 V perkaitimą ir 6, 1 ° C –2, 0 V kreivės žemą perkaitimą. Galimybė pasukti virimo kreivę kairėn ir dešinėn, taip pat modifikuoti CHF leidžia moduliuoti ir optimizuoti našumą įvairiomis sąlygomis. Pavyzdžiui, 4d pav., Mėlyna kreivė (−2, 0 V) yra labiau pageidautina esant mažesniems šilumos srautams, tuo tarpu raudona kreivė (–0, 1 V) yra labiau pageidautina esant didesniems šilumos srautams (virš mėlynos ir raudonos kreivių sankirtos esant 26 W cm −2 ) dėl didesnio CHF. Ši optimizavimo schema parodo galimybę kurti pritaikomus virimo įrenginius.

Image

Paprastas DI vanduo (juodas), –0, 1 V (raudonas) ir –2, 0 V (mėlynas) virimo kreivės 2, 6 mM ( a ) NaBr, b ) MEGA-10, c ) SDS ir d ) DTAB. Parodyti laiko vidurkiai, gauti iš atskiro virimo eksperimento su klaidų juostomis (2 standartiniai duomenų nuokrypiai nuo laiko vidurkio) ir slenkamaisiais vidurkiais (linijomis). A ) NaBr ir b ) MEGA-10 įtampa neturėjo įtakos virimui. ( C ) neigiamai įkrauto SDS atveju virimo kreivė esant –2, 0 V buvo nukreipta dešinėn, esant didesniam CHF, palyginti su –0, 1 V.. ( D ), teigiamai įkrauto DTAB, virimo kreivė esant –2, 0 V buvo palikta pasislinkus mažesnei CHF. palyginti su –0, 1 V. Maksimalus HTC pokytis (suderinamumas) esant pastoviai q ′ ′ (horizontalios rodyklės) ir nuolatinis perkaitimas (vertikalios rodyklės) yra parodyti SDS ir DTAB.

Visas dydis

Erdvinė virimo kontrolė

Remdamiesi savo supratimu apie mechanizmą, išplėtėme savo požiūrį, kad būtų parodyta tiek laiko, tiek erdvės virimo kontrolė (5 pav.). Mes pagaminome virimo paviršių aštuoniais atskirai vienas nuo kito izoliuotais adresais, kurių adresai yra auksiniai ir kurie buvo šildomi apačioje veikiančiais atspariais platinos šildytuvais (5a pav.). Esant 2, 6 mM DTAB, šių elektrodų potencialai buvo perjungti nuo –0, 1 iki –2, 0 V. Mes laikėme –2, 0 V būseną „įjungta“, nes teigiamai įkrautas DTAB adsorbuotųsi ant paviršiaus ir padidintų branduolį, palyginti su –0, 1 V „išjungta“. valstybės. Kiekvieno elektrodo pusėje, prieš prasidedant burbuliuko susidarymui, paviršiuje buvo pritaikytas palyginti tolygus šilumos srautas (pastovi šildytuvo galia), lygus 1, 5 W cm – 2 . 5c – j paveiksluose parodytas mūsų gebėjimas selektyviai suaktyvinti burbulus elektrodo „įjungimo“ srityje ir sekundės tikslumu visiškai nuslopinti burbuliukus „išjungtuose“ elektroduose (2 ir 3 papildomi filmai). Dėl lengvo pagaminimo buvo naudojami auksiniai elektrodai. Tačiau mes manome, kad šis reiškinys yra materialiai nepriklausomas tol, kol potencialai yra talpinio įkrovimo režime. Ribotas vario bandymas (papildomas 6 pav.) Taip pat parodė, kad lauko sukeliamas suderinamumo efektas bus pasiektas.

Image

2, 6 mM DTAB (teigiamai įkrauto) tirpalas DI vandenyje buvo virinamas eksperimento būdu ( a ), kuriame aštuoni atskiri aukso elektrodai buvo įjungti tarp –2, 0 V (geltonos) ir –0, 1 V (pilkos), kad įjungtų / ne burbulo susidarymas. Vaizdai, nufotografuoti skirtingu metu naudojant greitaeigę kamerą, rodo ( b ) burbuliukų nesusidarymą, kai nebuvo suaktyvinti elektrodai, ir ( c - j ) burbulų susidarymą tik tam tikrame suaktyvintame elektrode. Kiekvieno kadro laikai atitinka 2 papildomo filmo laikus. Mastelio juosta, 1 cm.

Visas dydis

Koncentracijos poveikis

Dabartinis mūsų parametrų erdvės tyrimas parodė, kad didelę reikšmę vaidina koncentracija. Pavyzdžiui, kvadratinių bangų bandymas, kurio labai maža 0, 2 mM DTAB koncentracija turi mažiau ryškų efektą nei 2, 6 mM (papildomas 7 pav.). Tai siejama su tuo, kad paviršiaus aktyviųjų medžiagų adsorbcijos izoterma yra monotoninė; todėl esant mažesnei birių koncentracijų 18, 19, 25 paviršiaus koncentracijos būtų mažesnės. Be to, mažesnės koncentracijos tirpalai yra labiau atsparūs elektrai, o tai susilpnins elektrinio dvigubo sluoksnio efektą (talpinis įkrovimas) dėl omos tūrio kritimo. Šis omų kritimas gali būti gana reikšmingas, nes mūsų bandymai parodė, kad pritaikomumas priklauso nuo priešinio elektrodo išdėstymo (daugiau pritaikomumo buvo pastebėta, kai priešpriešinis elektrodas buvo arčiau). Koncentracijos poveikį taip pat patvirtina natrio decilo sulfato (S10S) perkaitimas matuojant nuo 0 iki 27 mM koncentraciją (papildomas 8 pav.), Kurie parodo, kad didinant koncentraciją, derinimo efektas tampa stipresnis. Kol koncentracija yra mažesnė už kritinę micelių koncentraciją, kai virimo kreivė pradeda pasislinkti į dešinę 11 (tai taikoma visoms tiriamoms paviršiaus aktyviosioms medžiagoms), mes tikimės, kad atsiras lauko sukeltas suderinamumo efektas.

Diskusija

Mūsų darbas parodo, kad įmanoma tiksliai valdyti virimą, erdviniu būdu kelių milimetrų skalėje ir laikinai sub sekundėje, naudojant įkrautas paviršiaus aktyvumo medžiagas ir naudojant elektrinį potencialą. Šis tyrimas sutelkė dėmesį į gebėjimą turėti pritaikomus virimo prietaisus; Taigi šio tyrimo tikslas nebuvo pasiekti maksimalų HTC ar CHF efektyvumą. Kadangi ryšys tarp branduolių susidarymo ir drėgnumo yra esminis ir šis darbas susijęs su tiesioginiu manipuliavimu drėkinamumu, mūsų požiūris turėtų padėti pagerinti esamus aukšto efektyvumo virimo paviršius, turinčius struktūrizuotus 9 ar porėtus požymius 7 . Bet kurios adsorbuotos ar desorbuotos paviršiaus aktyviosios medžiagos pakeistų grubių ar struktūruotų paviršių vidinį kontaktinį kampą; taigi Wenzel modelis 26 galėtų padidinti efektą. Išsamus įvairių medžiagų, geometrijos, paviršiaus aktyviųjų medžiagų, įtampų ir koncentracijų parametrinis tyrimas tikriausiai atskleistų dar optimalias konfigūracijas. Manoma, kad tirpalų pH nebus didelis veiksnys, nes metalų zeta potencialas yra apytiksliai keliomis dešimtimis milivoltų 27, o čia naudojamas potencialas yra maždaug eilės didesnis. Dėl šios priežasties ir dėl to, kad daugumos metalų ir oksidų vidiniai kontaktiniai kampai yra panašūs, mes nemanome, kad pritaikomumas labai priklauso nuo pasirinktos medžiagos.

Prieš pradedant naudoti elektrinius laukus ir paviršiaus aktyviąsias medžiagas realiuose pritaikymuose, reikėtų atlikti ilgalaikį bendro sistemos patvarumo tyrimą. Nors mūsų eksperimentuose skilimo įrodymų nebuvo pastebėta. Viršijus 10 valandų virimo eksperimentų, pastebimų virimo elgsenos pokyčių nepastebėta. Be to, nepastebėta jokių pokyčių net tarp eksperimentinių bandymų, kurie truko net kelias savaites. Šiluminis skilimas greičiausiai buvo minimalus, nes paviršiaus aktyviosios medžiagos išliko daug žemesnės nei šiluminio skilimo temperatūra, kuri paprastai yra 400 ° C (28 nuoroda). Naudojant padidinto slėgio vandens kritiniame taške ( T krit = 374 ° C), pavyzdžiui, šiluminėse elektrinėse, paviršiaus aktyviosios medžiagos, turinčios fluoro angliavandenilių uodegas, galėtų būti termiškai stabilios iki 600 ° C (žr. 29). Elektriniu būdu mes nepastebėjome jokio negrįžtamo įkrovimo / iškrovimo; taigi mes manome, kad procesas yra beveik visiškai grįžtamasis, kuris atitinka elektrinio kondensatoriaus modelį. Be to, elektrinių laukų panaudojimas jonams judinti pramonėje nėra precedento neturintis, nes gėlinimo tikslais naudojami elektrodializės ir talpinės dejonizacijos metodai 30 . Net jei skaidymasis ar kitas negrįžtamas poveikis būtų pastebimas, manome, kad periodiškas papildymas gali būti perspektyvus pasirinkimas, nes reikia tik labai mažos paviršiaus aktyviųjų medžiagų koncentracijos.

Šis paviršinio aktyvumo medžiagos virimo su elektriniais laukais metodas apskritai rodo, kad šį reiškinį galima panaudoti įvairiausioms reikmėms. Įgyvendinti būtų gana lengva, nes ant paviršiaus nereikia gaminti jokių sudėtingų ar mikrotankų ar nanoskalvių struktūrų. Nors mūsų erdvinis kontrolinis mėginys buvo sukurtas naudojant mikrofabrikavimo metodus, jie buvo naudojami tik elektrodų modeliavimui milimetro skalėje virimo paviršiuje arba šildytuvų gale, o ne kuriant struktūras, turinčias įtakos branduolių susidarymui. Erdvinė kontrolė būtų naudinga naudojant srauto virimo programas, kuriose šilumos perdavimo efektyvumas ir stabilumas gali būti labai jautrūs burbulo susidarymo vietai 31 . Apskritai, laikinas virimo valdymas būtų naudingas tokioms nestabilios būsenos programoms kaip dispečerinės elektrinės, elektronikos aušinimas 32, paskirstytoji galia 33 arba mikrofluidinės pavaros 34 .

Metodai

Paprasto paviršiaus baseino virimo sistema

Visi baseino virimo eksperimentai buvo atlikti su baseino virimo įrenginiu. Paprasto paviršiaus (sidabro virimo paviršiaus) eksperimentams 51 μm storio sidabro folija buvo grublėta 240 švitrinio popieriaus (CAMI) švitriniu popieriumi, kad susidarytų tam tikros branduolio dėmės, ir buvo suvirinta į specialiai pagamintą vario kaitinimo bloką, kurį buvo galima pašildyti iš viršaus. apačioje - penki kasetiniai šildytuvai (CIR-1029, Chromalox). Šie kasetiniai šildytuvai buvo maitinami programuojamu didelės galios šaltiniu (KLP-600-4, „Kepco“). Vario bloko viršutinė dalis turėjo siaurą 2 × 2 cm skerspjūvio plotą ir buvo izoliuota, kad būtų užtikrintas vienmatis (1D) laidumas. Stiklinis gaubtas (skysčiui laikyti) buvo uždėtas ant sidabrinės folijos, užkimštos etileno propileno dieto monomero (EPDM) gumine tarpine (1a pav.). Stiklinio gaubto viršuje buvo sumontuota speciali PEEK danga su angos skylėmis priešiniam elektrodui, skysčio pridėjimui / pašalinimui ir ritės refliukso kondensatoriui (QC-6-4, Quarkglass). Skysta kondensatoriaus pusė buvo sujungta su aušintuvu (RTE-111, Neslab), kad atšaldytas vanduo galėtų cirkuliuoti per kondensatorių ir kondensuoti virintus garus, palaikydamas uždarų kontūrų sistemą. Aplink stiklinį gaubtą suvynioti virvių šildytuvai padėjo išlaikyti sočias sąlygas. Priešinį elektrodą sudarė 40 × 40 (JAV) titano tinklelis (dideliam paviršiaus plotui) aplink 6, 35 mm skersmens titano strypą.

Šilumos srautui apskaičiuoti ir temperatūrai išmatuoti buvo naudojami keturi termoelementai, išdėstyti vienas nuo kito 8 mm atstumu, esant vario bloko pastoviam kvadratiniam skerspjūviui tiesiai po folija. Paviršiaus temperatūrai matuoti buvo naudojamas aukščiausias termoelementas. Dėl šilumos nuostolių buvimo (netobulas 1D laidumas) buvo išspręsta ši fin lygtis ir panaudota termoporos duomenims pritaikyti šilumos srautui paviršiuje nustatyti.

Image

H cb yra HTC nuo vario bloko iki aplinkos, P cb yra bloko perimetras, k cb yra vario šilumos laidumas, o cb yra bloko skerspjūvis. Šiuo atveju galioja fin lygtis, nes buvo apskaičiuotas Biot skaičius kaip 0, 003. Buvo naudojamos ribinės sąlygos

Image
ir T ( x = 0) = T naršyti . Buvo taikoma savavališka L vertė, tuo tarpu
Image
ir h buvo naudojami kaip tinkami parametrai.

Įtampa tarp sidabro folijos ir titano priešpriešinio elektrodo buvo naudojama įtampos sekikliui op amp, o srovė buvo matuojama naudojant srovės sekiklį op amp. Prie duomenų kaupimo įtaiso (U3-HV, Labjack) pritvirtintas skaitmeninis į analoginį keitiklį (DAC) pateikė įtampos įvesties signalą, o multimetras (2001, Keithley) išmatuojo įtampą per srovės sekiklį, kad būtų gaunama srovė. Kadangi optinio stiprintuvo įėjimuose buvo prarasta tam tikra įtampa, V ląstelė buvo stebima atskiru multimetru (34401A, Agilent), o pritaikyta „LabView“ programa įgyvendino PID valdymą norimai įtampai palaikyti. Padidėjęs įtampos nuostolis atliekant MEGA-10 trikampio bangos eksperimentus (papildomas 3 pav.) Kartu su DAC diapazono apribojimais neleido V kamerai pasiekti –0, 1 V; taigi vietoj jo buvo naudojamas –0, 2 V.

Virimo kreivės buvo gautos kaitinant skystį iki tam tikros galios ir pašalinant iš šildytuvų galią, leidžiančią paviršiui atvėsti nuo perkaitintos būklės; taigi gautos mažėjančios virimo kreivės. Aušinimo greitis (nuo 1 iki 2 ° C min- 1 ) buvo pakankamai lėtas, nes virimo kreivės, gautos naudojant lėtesnį aušinimo greitį, buvo beveik identiškos.

Vaizdai ir filmai buvo fotografuojami naudojant didelės spartos fotoaparatą („Phantom V7“, „Vision Research“), turintį vieno objektyvo refleksinį objektyvą (EF 28–135 mm f / 3, 5–5, 6 IS USM, „Canon“), esant 640 × 480 raiškai ir 120 kadrų per vieną. antra. Apšvietimą pateikė halogeninė šviesolaidinė šviesa.

Erdviniu būdu kontroliuojama virimo sistema

Erdviškai kontroliuojamas virimo paviršius buvo sukurtas ant silicio plokštelės: 600–650 μm storio, boro pavidalo, (100) grūdo orientacijos ir 10–50 Ω cm varžos (WaferNet). 1 μm oksido sluoksnis (silicio dioksidas) buvo termiškai išaugintas drėgno oksidacijos būdu 1 050 ° C temperatūroje. Po plokštelių paruošimo HMDS krosnyje, esant 150 ° C, poliruotoje pusėje buvo padengtas atvirkštinio vaizdo fotorezistorius (AZ5214E, AZ Electronics Materials). Po minkšto kepimo 95 ° C temperatūroje 30 minučių fotorezistorius buvo veikiamas ultravioletiniu spinduliu 1, 6 s. Po to kietas kepimas buvo atliekamas karštoje plokštelėje 120 ° C temperatūroje 90 s, o potvynis (ultravioletinė spinduliuotė) - 60 s. Tuomet plokštelė buvo sukurta naudojant AZ422 MIF programuotoją (AZ Electronics Materials), kad būtų gautas neigiamas plonos plėvelės šildytuvo vaizdas. Galiausiai elektronų pluošto garinimas buvo panaudotas 10 nm titano sukibimui sukibimui, po to 100 nm platina šildytuvams. Po nusodinimo vaflis buvo dedamas į acetono vonią, kad būtų pašalintas fotoresistras ir sukurtas galutinis plonasluoksnio šildytuvo dizainas. Neapdorotoje pusėje aliuminio šešėlinė kaukė su 1 cm pločio elektrodų plyšiais buvo supjaustyta vandens srove ir uždėta ant silicio plokštelės. Tuomet vaflis apibarstomas 100 nm titano adhezijai ir 500 nm aukso elektrodo medžiagos. Nepoliruota (šiurkšti) pusė buvo naudojama virimui, kad susidarytų kai kurios branduolio dėmės.

Kiekvieną auksinį elektrodą buvo galima perjungti nuo –0, 1 iki –2, 0 V. Tai buvo pasiekta naudojant du teigiamos įtampos DAC kanalus, kurių vienas buvo nustatytas 0, 1 V, o kitas - 2, 0 V. Kiekvienas DAC kanalas buvo apverstas naudojant vienybės ir prieaugio apvertimą. op amp, kad būtų pasiekta galutinė neigiama įtampa. Kiekvienam elektrodui įtampa iš bet kurio kanalo buvo parinkta naudojant SPDT jungiklį, kurį valdė skaitmeninio išvesties kanalas iš duomenų kaupimo įrenginio. Šildytuvai buvo kontroliuojami naudojant 5 kΩ potenciometrus nuosekliai. Kiekviena šildytuvo-potenciometro linija buvo sujungta lygiagrečiai su didelės galios šaltiniu.

Kontaktinio kampo matavimai

Buvo pagamintas 30 × 6 × 13 mm vario blokas su 130 μm skersmens anga apačioje. Apatinė pusė buvo nušlifuota 1 μm poliravimo popieriumi. Skylė buvo sujungta su garų kamera, esančia bloke, iš kurio tekėjo helis ir iš jo galėjo išeiti. Blokas buvo pastatytas šiek tiek pakreipus, kad aplink skylę susidaręs burbulas dėl plūdrumo galų gale nuslystų. Kai burbulas atslūgo, tolimesnis kontaktinis kampas buvo matuojamas naudojant didelės spartos kamerą ir makro objektyvą (MP-E 65 mm f / 2, 8 × 1–5 „Macro Photo“, „Canon“). Kontaktiniai kampai buvo matuojami pritaikant apskritimą, liečiantį kontaktinę liniją su pasirinktiniu „Mathematica“ kodu. Apskritimas buvo tinkamas naudojant tris kontrolinius taškus. Automatiškai keičiant valdymo taškus aplink dominančią sritį, buvo nustatytas neapibrėžtumas. Kai kurie pagrindiniai klaidų šaltiniai yra netobulai apvalus burbuliukų profilis, programinės įrangos galimybė pašalinti burbulo kraštus šešėlinėse srityse ir kameros padėtis - visa tai skirtinguose testuose galėjo skirtis.

Paviršinio aktyvumo medžiagos paruošimas

NaBr, MEGA-10, S10S, SDS ir DTAB (visi iš „Sigma“) buvo ištirpinti DI vandenyje esant 173 mM koncentracijai. Mišiniai buvo sonikuoti 1 val. 40 ° C temperatūroje, kad jie visiškai ištirptų. Daugelio eksperimentų metu 6 ml šių tirpalų buvo įpilta į 400 ml DI vandens, naudojant automatinę pipetę, kad bendra koncentracija būtų 2, 6 mM.

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildoma informacija

    1-8 paveikslai, 1 papildoma lentelė, 1-4 papildomos pastabos ir papildomos nuorodos.

Vaizdo įrašai

  1. 1.

    1 papildomas filmas

    Virimo įjungimas ir išjungimas naudojant elektrinį potencialą. 2, 6 mM SDS buvo užvirinta ant sidabro folijos su pastovia 60 W šilumos sąnaudomis ir keičiant įtampą pakeitusį branduolį. Filmą sudaro dvi dalys: (1) realaus laiko ir 33x sulėtėjęs perėjimas nuo -0, 1 V iki -2, 0 V, parodantis branduolių slopinimą, ir (2) realiojo laiko ir 33x sulėtėjimas nuo -2, 0 V iki -0, 1 V perėjimas, parodantis branduolio paspartėjimą. .

  2. 2.

    2 papildomas filmas

    Virimo įjungimas ir išjungimas skirtingose ​​individualiai nustatytose vietose. Naudojant 1-D aukso elektrodų matricą, virinama DTAB esant 2, 6 mM esant pastoviam šildytuvo galingumui, kai įjungimo ir išjungimo įtampa tarp -2, 0 V ir -0, 1 V įjungiama ir išjungiama atskiruose elektroduose. Atkūrimo greitis sulėtėja iki 0, 25 karto realiu laiku. Laikai atitinka 1 pav. Pateiktus kadrus.

  3. 3.

    3 papildomas filmas

    Odė burbulams. Filmas apie erdvinį ir laikinį branduolio aktyvavimą sinchroniškai su Bethoveno simfonija Nr. 9 („Odė džiaugsmui“), naudojant 1-D aukso elektrodų matricos pavyzdį, DTAB esant 2, 6 mM, esant pastoviam šildytuvo galingumui ir esant -2, 0 V ir –0, 1 įtampai. V. Kiekvienas elektrodas atitinka muzikinę natos oktavos skalėje. Atkūrimo greitis yra 1, 54x realiu laiku.

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.