Un dream team descubierto para conquistar el calor
Profesor Asociado Jonathan Boreyko lidera un equipo de Virginia Tech que ha creado una sólida cartera de trabajo con hielo y agua, explorando el Opciones de descongelación de aeronavesEdificio nuevos dispositivos de recolección de aguay la creación bolas de nieve de burbujas. Esta familiaridad con el agua le dio al equipo una idea clara de cómo se comporta en diferentes estados, lo que llevó a un nuevo proyecto que muestra cómo el hielo apaga el calor en comparación con el agua. Los resultados se publicaron en Chem el 14 de abril.
Mojtaba Edalatpour y la estudiante de maestría Camryn Colón llevaron a cabo este proyecto. Investigaron métodos para extinguir el calor del metal, un paso fundamental en aplicaciones como la metalurgia y la extinción de incendios. Ambas instancias requieren velocidad. Los metalúrgicos deben bajar rápidamente la temperatura de una pieza forjada para obtener propiedades específicas del materialmientras los bomberos trabajan para detener la destrucción de la propiedad Lo mas rapido posible. El enfriamiento con agua solo es efectivo por debajo de una temperatura crítica: más alta y el agua levita sobre su propio vapor y ya no puede evaporar el calor.
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El equipo de Boreyko quería ver si el uso de hielo, en lugar de agua, podría sortear el problema de la levitación para permitir la extinción de superficies ultracalientes.
Medir, calentar y volver a medir
Para realizar esta investigación, Edalatpour y Colón calentaron una placa de aluminio y midieron la velocidad de enfriamiento del agua en comparación con el hielo. Para asegurar una comparación directa, liberaron la misma cantidad de agua y hielo sobre la superficie después de calentarla a la temperatura deseada.
Cuando la temperatura inicial de la superficie de la escena estaba entre 100 y 300 grados Celsius, el agua y el hielo enfriaron con éxito la superficie por debajo de los 100 C. Sin embargo, el hielo logró esto en la mitad de tiempo. A temperaturas iniciales más altas – 300-500°C – sólo tuvo éxito el enfriamiento rápido con hielo. La transferencia de calor con hielo fue más de 100 veces más eficiente que con agua líquida a estas altas temperaturas.
¿Cuál fue la diferencia? Las propiedades del agua impiden que alcance el punto óptimo para eliminar el calor.
Este punto dulce está hirviendo, porque el vapor que se escapa en las burbujas elimina el calor de manera más eficiente. Debido a que el agua levita fácilmente sobre su vapor a altas temperaturas, se aísla de la superficie y nunca llega a hervir. El hielo se comporta de manera diferente. Cuando cae sobre una superficie caliente, el hielo absorbe gran parte del calor a medida que se derrite. Esto reduce la cantidad de calor disponible para producir burbujas de vapor, evitando así el problema de la levitación. En otras palabras, el agua derretida hierve a un ritmo más lento que el agua pura, lo que ayuda a mantener la ebullición a altas temperaturas.
Boreyko comparó el comportamiento inusual del líquido con la productividad del trabajador.
“Piense en un adicto al trabajo que siempre está concentrado en su trabajo”, dijo. «Empiezan siendo hiperproductivos, pero se desgastan rápidamente y se vuelven ineficaces. Resulta que el agua es igual cuando se expone a superficies a temperaturas ultra altas: es tan concentrada y productiva para convertir el agua hirviendo en vapor que experimenta un «agotamiento», que es el término científico para la levitación y la falla catastrófica de enfriamiento que resulta. Entonces, el hielo es como la tortuga lenta y constante que gana a largo plazo. No burbujea vapor muy bien, pero permite que siga hirviendo y evita levitación cuando las cosas se calientan.
El camino congelado continúa
La hipótesis del grupo de usar hielo para templar siguió su descubrimiento reciente que el hielo no levita y pierde su capacidad de ebullición hasta los 550 C, frente a los 150 C del agua. Con base en estos hallazgos, el equipo de Boreyko lanzó varios proyectos nuevos aplicando sus principios. Esta transferencia de calor es el primer crecimiento que se publica.
El trabajo de seguimiento de Colón incluye medir el rendimiento de enfriamiento del hielo cuando la superficie se establece a una temperatura constante en lugar de dejar que se enfríe.
“Cuando tienes una temperatura constante, puedes medir el flujo de calor en estado estable, lo que nos permitiría comparar directamente la transferencia de calor del hielo con las calderas de última generación”, dijo Colón.
El equipo también está considerando cómo implementar un sistema práctico de extinción de hielo.
«Queda por ver exactamente cómo implementar la transferencia de calor trifásica para aplicaciones del mundo real, pero estamos entusiasmados de descubrirlo en los próximos años», dijo Boreyko. «Esto podría implicar hacer boquillas de rociado capaces de expulsar partículas de hielo en lugar de agua, o tal vez sea más como liberar un bloque de hielo preformado sobre una superficie sobrecalentada. Todavía hay mucho por descubrir antes de que se vuelva inestable». tecnología de estantes”.
