Ученые нашли способ экономить энергию и эффективнее кипятить воду
(Song et al.)Вода часто закипает — будь то чашка чая, завариваемая на кухне, или электростанция, вырабатывающая электроэнергию. Любые улучшения в эффективности этого процесса окажут огромное влияние на общее количество энергии, используемой для него каждый день.
Одним из таких улучшений может стать недавно разработанная обработка поверхностей, участвующих в нагреве и испарении воды. . Обработка улучшает два ключевых параметра, определяющих процесс кипения: коэффициент теплопередачи (HTC) и критический тепловой поток (CHF).
Большую часть времени между этими двумя параметрами существует компромисс – поскольку одно улучшается, другое ухудшается. После многих лет исследований исследовательский термин, лежащий в основе этой техники, нашел способ улучшить оба параметра.
«Оба параметра важны, но улучшить оба параметра вместе довольно сложно, потому что они имеют внутренний компромисс», — говорит ученый-биоинформатик Янгсап Сонг из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в Калифорнии.
«Если у нас много пузырьков на поверхности кипения, это означает, что кипение очень эффективно, но если у нас слишком много пузырьков на поверхности , они могут сливаться вместе, образуя паровую пленку над кипящей поверхностью.»
Любая паровая пленка между горячей поверхностью и водой создает сопротивление, снижая эффективность теплопередачи и значение CHF. Чтобы обойти эту проблему, исследователи разработали три различных вида модификации поверхности.
Во-первых, добавляется ряд микротрубок. Этот массив трубок шириной 10 микрометров, расположенных на расстоянии около 2 миллиметров друг от друга, контролирует образование пузырьков и удерживает пузырьки в полостях. Это предотвращает образование паровой пленки.
В то же время снижает концентрацию пузырьков на поверхности, снижая эффективность кипения. Чтобы решить эту проблему, исследователи внедрили еще меньшую обработку в качестве второй модификации, добавив выпуклости и выступы размером всего нанометры на поверхности полых трубок. Это увеличивает доступную площадь поверхности и способствует скорости испарения.
И наконец, микрополости были размещены в центре ряда столбов на поверхности материала. Эти столбы ускоряют процесс отбора жидкости за счет увеличения площади поверхности. В сочетании эффективность кипячения значительно повышается.
(Song et al.)
Вверху: замедленное видео установки исследователей показывает кипение воды на специально обработанная поверхность, которая вызывает образование пузырьков в определенных отдельных точках.
Поскольку наноструктуры также способствуют испарению под пузырьками, а столбики обеспечивают постоянный приток жидкости к этому основанию пузырьков, можно поддерживать слой воды между поверхностью кипения и пузырьками, увеличивая максимальный тепловой поток.
«Показать, что мы можем контролировать поверхность таким образом, чтобы получить улучшение, — это первый шаг», — говорит инженер-механик. Эвелин Ван из Массачусетского технологического института. «Тогда следующим шагом будет подумать о более масштабируемых подходах».
«Эти виды структур, которые мы создаем, не предназначены для масштабирования в их нынешнем виде».
Принимая во внимание преобразование небольшой лаборатории во что-то, что можно будет использовать в коммерческих целях, будет не таким простым, но исследователи уверены, что это возможно.
Одна из задач будет заключаться в следующем. поиск способов создания текстур поверхности и трех «ярусов» модификаций. Хорошей новостью является то, что существуют разные подходы, которые можно исследовать, и процедура должна работать и для разных типов жидкостей.
«Такие детали можно изменить, и это может стать нашим следующим шагом. — говорит Сонг.
Исследование опубликовано в Advanced Materials.
