比较冰和水在金属热淬火中的应用

乔纳森·博雷科(Jonathan Boreyko)副教授领导着弗吉尼亚理工大学的一个团队，该团队在冰和水方面建立了强大的工作组合，探索了除冰飞机的可能性，建造了新型集水装置，并用气泡制造雪球。这种对水的熟悉使团队对水在不同状态下的行为有了强烈的了解，从而产生了一个新项目，展示了与水相比，冰如何淬火。研究结果于14月<>日发表在《化学》杂志上。

Mojtaba Edalatpour和硕士生Camryn Colón进行了这个项目。他们研究了从金属中淬火的方法，这是冶金和消防等应用中的关键步骤。这两种情况都需要速度。冶金学家需要迅速降低锻件的温度以实现特定的材料性能，而消防员则努力尽快阻止财产破坏。用水淬火只有在临界温度下才有效——任何更高的温度，水就会悬浮在自己的蒸汽上，不能再将热量煮沸。

Boreyko的团队想看看使用冰而不是水是否可以绕过悬浮问题，从而能够淬灭超热表面。

测量、加热和再次测量

为了进行这项研究，Edalatpour和Colón加热了一个铝制载物台，并测量了水与冰的冷却速度。为了确保直接比较，他们在加热到所需温度后将相同数量的水和冰释放到表面上。

当载物台的初始表面温度在100°C至300°C之间时，水和冰都成功地将表面淬火到100°C以下。 然而，冰在一半的时间内实现了这一结果。在较高的初始温度(300°C至500°C)下，只有冰淬火才能成功。在这些高温下，冰的传热比液态水有效100倍以上。

有什么区别?水的特性可防止它达到散热的最佳点。

这个甜蜜点正在沸腾，因为气泡中逸出的蒸汽最有效地带走了热量。因为水在高温下很容易悬浮在蒸气上，所以它与表面绝缘，沸腾永远不会发生。冰的行为不同。当落到热表面上时，冰在融化时会吸收大部分热量。这减少了可用于产生蒸汽气泡的热量，防止了悬浮问题。换句话说，与纯水相比，融水的沸腾速度较慢，因此有助于在高温下保持沸腾。

Boreyko将这种不寻常的液体行为与工人的生产力进行了比较。

“想想一个总是专注于工作的工作狂，”他说。“他们一开始效率很高，但很快就会筋疲力尽，变得无效。事实证明，当水暴露在超高温表面时，水也是同样的方式：它在将水煮成蒸汽时非常专注和高效，以至于它经历了“倦怠”，这是悬浮和灾难性冷却失败的科学术语。所以冰就像一只缓慢而稳定的，从长远来看会获胜。它不能很好地产生蒸汽气泡，但这允许它保持沸腾并在物体加热时避免悬浮。

冰冻的道路仍在继续

该小组使用冰进行淬火的假设是在最近发现冰在550°C之前不会悬浮并失去沸腾能力，而水则为150°C。基于这些发现，Boreyko的团队开始了几个应用其原则的新项目。这种传热是第一个被发表的产物。

科隆的后续工作包括测量冰表面固定在恒定温度而不是冷却时的冷却性能。

“当你有一个恒定的温度时，你可以测量稳态热通量，这将使我们能够直接比较冰与最先进的锅炉的传热，”科隆说。

该团队还在集思广益，研究如何实施实用的冰淬火系统。

“如何为现实生活中的应用实施三相传热还有待观察，但我们很高兴在未来几年内弄清楚，”Boreyko说。“这可能涉及制造能够喷射冰粒而不是水的喷嘴，或者看起来更像是将预先形成的冰块释放到过热的表面上。在它成为现成的技术之前，还有很多事情需要弄清楚。