Leidenfrost effekt

Leidenfrost - effekten er navnet gitt til fenomenet damplaget som dannes rundt en væske, når det finnes på en overflate med en temperatur som er betydelig høyere enn kokepunktet til den væsken.

Når en dråpe av en flyktig væske (vann, alkohol, etc.) plasseres på en metallbase ved høy temperatur, fordamper ikke dråpen øyeblikkelig, men beveger seg uberegnelig over overflaten i en viss tid, til den til slutt forsvinner. Men det tar lengre tid å forsvinne enn ved lavere temperatur.

Navnet kommer fra den tyske fysikeren Johann Gottlob Leidenfrost , som først beskrev det i 1756.

Pierre Hippolyte Boutigny (1798-1884) studerte Leidenfrost-effekten og mente at dråpene som forble suspendert på overflaten av varmeplaten utgjorde en ny materietilstand , som han kalte den sfæroidale tilstanden .

Effekt

Effekten kan visualiseres når du steker et kyllingegg i olivenolje: hvis oljen ikke er varm nok, vil egget synke til bunnen og kan feste seg til pannen, mens hvis det er det, vil egget flyte og gli på pannen olje, slik at matlagingen blir jevnere. Det kan også observeres ved å drysse vanndråper på et brett ved forskjellige temperaturer: til å begynne med, med bretttemperaturen under 100°C, flater vannet ut og fordamper sakte. Når pannetemperaturen stiger over 100°C, lager vanndråpene en susende lyd på pannen og fordamper raskt. Senere, når temperaturen overstiger Leidenfrost-punktet, kommer Leidenfrost-effekten inn. Ved kontakt med kjelen dannes det mange små vanndråper som glir på overflaten, og det tar lengre tid å fordampe enn da temperaturen på kjelen var lavere. Denne effekten skjer inntil man når en mye høyere temperatur, noe som fører til at en dråpe vann fordamper for raskt til å forårsake denne effekten.

Dette er fordi ved temperaturer over Leidenfrost-punktet, fordamper bunnen av vanndråpen umiddelbart ved kontakt med varmeplaten. Den resulterende gassen løfter resten av vanndråpen rett over den, og forhindrer all direkte kontakt mellom det flytende vannet og varmeplaten. Siden damp har en mye lavere varmeledningsevne , reduseres varmeoverføringen mellom platen og dråpen betraktelig. I tillegg gjør dette at dråpen kan gli med svært liten friksjon på damplaget under den.

Temperaturen der Leidenfrost-effekten begynner å oppstå er ikke lett å forutsi. Selv om volumet til væskedråpen forblir det samme, kan Leidenfrost-punktet være ganske annerledes, med en komplisert avhengighet av overflatens egenskaper, samt eventuelle urenheter i væsken. Det er utført en del forskning på en teoretisk modell av systemet, men det er ganske komplisert. [ 1 ] Som en veldig grov beregning kan Leidenfrost-punktet for en vanndråpe i en panne oppstå ved 193 °C.

Effekten ble også beskrevet av den eminente viktorianske designeren av dampkjeler , Sir William Fairbairn , med referanse til dens effekt på å massivt redusere varmeoverføringen fra en varm jernoverflate til vann, for eksempel i en kjele. I et par forelesninger om kjeledesign [ 2 ] siterte han arbeidet til M. Boutigny fra Professor Bowman, King's College , London hvor dette ble studert. En dråpe vann som fordamper nesten umiddelbart ved 168°C vedvarte i 152 sekunder ved 202°C. Som et paradoksalt resultat kan de lavere temperaturene i en kjelebrannkammer fordampe vannet raskere, sammenlign Mpemba-effekten . En alternativ tilnærming er å øke temperaturen utover Leidenfrost-punktet. Fairbairn vurderer dette også, og kan ha vurdert flash-dampkjelen, men vurderte de tekniske aspektene uten sidestykke for tiden.

Leidenfrost-punktet kan også defineres som den temperaturen som det flytende dråpet varer lengst. [ 3 ]

Leidenfrost-punktet

Leidenfrost-punktet betyr begynnelsen på stabil koking på film. Den representerer punktet på kokekurven hvor varmefluksen er på et minimum og overflaten er fullstendig dekket av et teppe av damp. Varmeoverføring fra overflaten til væsken skjer ved ledning og stråling gjennom dampen. I 1756 observerte Leidenfrost at vanndråper støttet av dampfilmen sakte fordamper når de beveger seg over den varme overflaten. Når overflatetemperaturen øker, blir strålingen gjennom dampfilmen mer signifikant og temperaturøkningen øker strålingsvarmefluksen.

Minimum varmefluks fra en stor horisontal plate kan fås fra Zubers ligning, [ 3 ]

{{{\frac {q}{A}}}_{{min}}}=C{{h}_{{fg}}}{{\rho }_{{v}}}{{\left[ {\frac {\sigma g\left({{\rho }_{{L}}}-{{\rho }_{{v}}}\right)}{{{\left({{\rho } {L}}}+{{\rho }_{{v}}}\right)}^{{2}}}}}\right]}^{{{}^{{1}}\! \! \diagup \!\!{}_{{4}}\;}}}

hvor egenskapene vurderes ved metningstemperatur. Zuber konstant, C er omtrent 0,09 for de fleste væsker ved moderat trykk.

Korrelasjoner brukt i varmeoverføring

Varmeoverføringskoeffisienten kan tilnærmes ved å bruke Bromley-ligningen, [ 3 ]

h=C{{\venstre[{\frac {k_{{v}}^{{3}}{{\rho }_{{v}}}g\left({{\rho }_{{L} }}-{{\rho }_{{v}}}\right)\left({{h}_{{fg}}}+0.4{{c}_{{pv}}}\left({{ T}_{{s}}}-{{T}_{{sat}}}\right)\right)}{{{D}_{{o}}}{{\mu }_{{v} }}\left({{T}_{{s}}}-{{T}_{{sat}}}\right)}}\right]}^{{}^{{1}}\! \!\diagup \!\!{}_{{4}}\;}}}

hvor er utvendig diameter på røret. Korrelasjonskonstanten C er 0,62 for sylindre og vertikale plater og 0,67 for horisontale kuler. Dampegenskaper vurderes ved filmtemperatur. ${{Gjøre}}}$

For stabil filmkoking på en horisontal overflate har Berenson modifisert Bromley-ligningen for å gi, [ 4 ]

h=0,425{{\left[{\frac {k_{{vf}}^{{3}}{{\rho }_{{vf}}}g\left({{\rho }_{{L} }}-{{\rho }_{{v}}}\right)\left({{h}_{{fg}}}+0.4{{c}_{{pv}}}\left({{ T}_{{s}}}-{{T}_{{sat}}}\right)\right)}{{{\mu }_{{vf}}}\left({{T}_{ {s}}}-{{T}_{{sat}}}\right){\sqrt {\sigma /g\left({{\rho }_{{L}}}-{{\rho }_ {{v}}}\right)}}}}\right]}^{{{}^{{1}}\!\!\diagup \!\!{}_{{4}}\;}} }

For vertikale rør har Hsu og Westwater korrelert følgende ligning, [ 4 ]

h{{\left[{\frac {\mu{v}}^{{2}}}{g{{\rho }_{{v}}}\left({{\rho }_{{ L} }}-{{\rho }_{{v}}}\right)k_{{v}}^{{3}}}}\right]}^{{{}^{{1}}\ !\ !\diagup \!\!{}_{{3}}\;}}}=0,0020{{\left[{\frac {4m}{\pi {{D}_{{v}}}{ {\ mu }_{{v}}}}}\right]}^{{0.6}}}

Hvor m er massestrømningshastigheten på toppen av røret $l{{b}_{{m}}}/time$

Ved temperaturer over den overskytende minimumsvarmefluksen, blir strålingsbidraget merkbart og blir dominerende ved høye overtemperaturer. Den totale varmeoverføringskoeffisienten kan være enten, det er en kombinasjon av de to. Bromley har foreslått følgende ligninger for filmkoking på den ytre overflaten av horisontale rør.

${{h}^{{{}^{{{4}}\!\!\diagup \!\!{}_{{3}}\;}}}={{h}_{{conv}} } {{}^{{4}}\!\!\diagup \!\!{}_{{3}}\;}}+{{h}_{{rad}}}{{h}^ { {{}^{{1}}\!\!\diagup \!\!{}_{{3}}\;}}}$

Ja , ${{h}_{{rad}}}<{{h}_{{conv}}}$

$h={{h}_{{conv}}}+{\frac {3}{4}}{{h}_{{rad}}}$

Den effektive strålingskoeffisienten kan uttrykkes som, ${{h}_{{rad}}}$

{{h}_{{rad}}}={\frac {\varepsilon \sigma \left(T_{{s}}^{{4}}-T_{{sat}}^{{4}}\right )}{\left({{T}_{{s}}}-{{T}_{{sat}}}\right)}}

hvor er emissiviteten til faststoffet og er Stefan-Boltzmann-konstanten . $\varepsilon$ $\sigma$

Trivia

I den britiske filmen Simba fra 1955, kampen mot Mau-Mau i én scene, brukes Leidenfrost-effekten med en opphetet machete og tunge for å skremme en innfødt.

I 2009 MythBusters sesongfinale i "Mini Myth Mayhem"-seksjonen, demonstrerte teamet at en person kan, ved å dyppe hånden, kort dyppe den i smeltet bly uten skade ved å bruke Leidenfrost-effekten som et vitenskapelig grunnlag.

I Jules Vernes bok Miguel Strogoff kan Leidenfrost-effekten forklare hvorfor karakteren ikke blir blendet når et varmt sverd blir brakt til øynene hans.

Referanser

↑ Bernardin og Mudawar, "A Cavity Activation and Bubble Growth Model of the Leidenfrost Point," Transactions of the ASME, (Vol. 124, okt. 2002)
↑ Sir William Fairbairn (1851). To forelesninger: Byggingen av kjeler, og om kjeleeksplosjoner, med midler til forebygging .
↑ a b c Incropera, DeWitt, Bergman & Lavine: Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6. utgave.
^ a b James R. Welty; Charles E. Wicks; Robert E. Wilson; Gregory L. Rorrer., "Fundamentals of Momentum, Heat and Mass transfer" 5. utgave, John Wiley and Sons