Druppel op gloeiende plaat ontmaskerd

Het afkoelen van een gloeiend hete plaat met water is geen sinecure: de druppels verdampen direct en verhinderen zo warmteoverdracht.  Met speciale optische techniek hebben onderzoekers van de Universiteit Twente het warmtecontact van de druppels zichtbaar gemaakt.

De nieuwe techniek liet een paar interessante dingen zien. Laat een druppel op een gloeiende plaat vallen en er treden bijzonder verschijnselen op, afhankelijk van de temperatuur van de plaat en de snelheid waarmee de druppel erop valt. Is de plaat niet extreem heet, dan gaat de druppel koken door direct contact tussen de plaat en de druppel. Is de temperatuur van de plaat een stuk hoger, dan ontstaat een damplaag waarop de druppel kan ronddansen.

Contactoppervlak

‘Bij koeling van een hete plaat met een vloeistof wil je weten wat de warmteoverdracht is, oftewel hoe groot het contactoppervlak is’, zegt promovendus Michiel van Limbeek van het Mesa+ instituut van de Universiteit Twente. In de situatie van damp onder de vloeistof, het zogeheten Leidenfrost-effect (vernoemd naar de ontdekker ervan in de 18de eeuw), is die wamteoverdracht nihil. ‘De veronderstelling is altijd geweest dat er een omslagpunt is van wel warmte-overdracht naar niet-warmteoverdracht. Wij hebben nu aangetoond dat die overgang veel geleidelijker gaat.’ (persbericht)

Hoge-snelheidscamera

Tot nu toe was men om het verschijnsel waar te nemen aangewezen op hogesnelheidscamera’s. De UTwente heeft een nieuwe manier bedacht, die gebruik maakt van het verschil in brekingsindex tussen vloeistof en damp, en een bijzonder optisch verschijnsel dat optreedt rond het overgangsoppervlak.

De meetopstelling met het prisma dat het laserlicht onder een bepaalde hoek op de druppel laat schijnen.

‘Het hete oppervlak is gemaakt van saffier: dat is transparant en een goede warmtegeleider. Onder het laagje saffier zit een prisma, dat het laserlicht onder zo’n hoek op het oppervlak schijnt dat het licht in de damp wordt weerkaatst, maar bij de vloeistof in de druppel verdwijnt. We zien het verschil tussen vloeistof en damp dan als licht en donker.’ Vervolgens maakte Van Limbeek gebruik van een bijzonder verschijnsel van elektromagnetische golven, waarbij lichtintensiteit rond de overgang van vloeistof naar damp exponentieel afneemt met de afstand tot die overgang. ‘Op die manier meten we wat de afstand is van de vloeistof/damp tot het hete oppervlak.’

 

Het gedrag van een druppel op een plaat met verschillende temperaturen. De bovenste beelden zijn shots met een camera van opzij, de reeks beelden eronder laat het contactoppervlak tussen druppelvloeistof en de plaat zien, de rode cirkel is de rand van de druppelvloeistof. Het contact binnen die cirkel is weergegeven voor de ene helft in zwart-wit, de andere helft in kleur  Bij 150 °C is dat contact maximaal, bij 220 °C helemaal niet, bij temperaturen ertussen is voor het eerst aangetoond dat er sprake is van een overgangssituatie.

Het verschijnsel van de ‘dansende’ druppel is duidelijk terug te zien. Is de plaat niet te heet, dan valt het contactoppervlak samen met de vloeistofrand van de druppel: er is optimaal contact. Is de plaat veel heter, dan is er helemaal geen contact met de vloeistofdruppel, en treedt het Leidenfrosteffect op. ‘Het bijzonderst is de overgang tussen beide. We zien dat het contactoppervlak tussen vloeibare druppel en het hete oppervlak geleidelijk minder wordt, en dus niet omklapt, zoals tot nu toe altijd werd gedacht.’ Het temperatuurgebied waarin dit verschijnsel zich voordoet is mede afhankelijk van de snelheid waarmee de druppel op de plaat valt.

Koelproces

Los van de fascinatie van dit verschijnsel zelf, heeft het ook praktische betekenis. ‘We hebben nu een methode waarmee we kunnen nagaan hoe hard een druppel op een plaat moet worden gespoten om een bepaald oppervlaktecontact en dus bepaalde warmteoverdracht tot stand te brengen. Voor allerhande koelprocessen in energiecentrales, motoren en dergelijke kan dat van belang zijn.’

Lead image: foto Mike Walker

 

Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.