Микро- и наноструктурирането на повърхността на нагревателния елемент позволява по-ефективното нагряване на водата и изразходването на по-малко енергия при всяко кипене.
Кипването на вода или други течности е енергоемък процес в основата на широк спектър от промишлени операции, включително повечето електроцентрали, много системи за производство на химикали и дори системи за охлаждане за електроника, както и при много домакински електроуреди.
Водата има висок топлинен капацитет и изисква много енергия за затопляне. Подобряването на ефективността на системите, които загряват и изпаряват вода, може значително да намали потреблението на енергия. Сега изследователи от Масачузетския технологичен институт са намерили начин със специално пригодена повърхностна обработка за материалите, използвани в тези системи да направят кипенето на водата по-бързо и по-лесно.
Подобрената ефективност идва от комбинация от три различни вида повърхностни модификации в различни размери. Новите констатации са описани в списание Advanced Materials в статия от професор Евелин Уан (Evelyn Wang) и нейните сътрудници от MIT. Изследователите отбелязват, че това първоначално откритие все още е в лабораторен мащаб и е необходима още работа, за да се разработи практичен процес в индустриален мащаб.
Когато водата се нагрява, на дъното на контейнера се появяват мехурчета, пълни с пара, и когато се приближат до точката на кипене, броят им се увеличава. В този случай обаче те са твърде близо един до друг, образувайки достатъчно плътен газов слой, което намалява ефективността на преноса на топлина от нагревателя към течността. Именно с този ефект се борят Евелин Уан и нейните колеги. За да направят това, те структурират повърхността на нагревателя по такъв начин, че да засилят образуването на мехурчета и в същото време да предотвратят появата на изолационен слой.
Високоскоростно видео на тестовата настройка на изследователите показва кипене на вода върху специално обработена повърхност, което води до образуване на мехурчета в определени отделни точки, вместо да се разпространява във филм по повърхността, което води до по-ефективно кипене. Видеото е забавено 100 пъти, за да се видят повече детайли. Кредит: ©Song et al., 2022
Има два ключови параметъра, казват те, които описват процеса на кипене: коефициентът на топлопреминаване (HTC - Heat transfer coefficient), който показва колко добре топлината се разпространява през веществото, и критичен топлинен поток (CHF - critical heat flux), характеризиращ образуването на газ по време на нагряване.
В дизайна на материалите обикновено има компромис между двата, така че всичко, което подобрява един от тези параметри, има тенденция да влошава другия. Но и двата са важни за ефективността на системата и сега, след години работа, екипът е постигнал начин за значително подобряване на двете свойства едновременно, чрез тяхната комбинация от различни текстури, добавени към повърхността на материала.
Структуриране на повърхността на нагревателя. Кредит: ©Song et al., 2022
Добавянето на поредица от микромащабни кухини или вдлъбнатини към повърхността е подходът за контролиране на начина, по който се образуват мехурчета върху тази повърхност, като ги поддържа ефективно закрепени към местата на вдлъбнатините, предотвратявайки разпространението им в топлоустойчив филм. В тази работа изследователите създават набор от вдлъбнатини с ширина 10 микрометра, разделени от около 2 милиметра една от друга, върху малки "колони" - възвишения, които насочват нагрятата вода от самото дъно, създавайки непрекъснат поток от течност, който бързо пренася топлината отдолу нагоре, за да предотвратят образуването на филм.
Но това разделяне също така намалява концентрацията на мехурчета на повърхността, което може да намали ефективността на кипене. За да компенсира това, екипът въвежда повърхностна обработка в много по-малък мащаб, създавайки малки неравности и ръбове в нанометров мащаб, което увеличава площта на повърхността на нагревателя и стимулира скоростта на изпарение под мехурчетата.
Лабораторните експерименти с такъв структуриран нагревател показват, че коефициентът на топлопреминаване HTC е почти четири пъти по-висок, а критичният топлинен поток CHF е почти един и половина пъти по-висок.
„Такава производителност ще позволи значителни икономии на енергия в редица приложения, където се използва кипене“, заключават учените.
Възможно е да има някои значителни приложения в малък мащаб, които биха могли да използват този процес в сегашната му форма като например термично управление на електронни устройства, област, която става все по-важна, тъй като полупроводниковите устройства стават по-малки и управлението на тяхната топлинна мощност става все по-важно. „Определено има място, където това е наистина важно“, отбелязва Уан.
Дори за тези видове приложения ще е нужно известно време за разработване, тъй като обикновено системите за термично управление за електроника използват течности, различни от вода, известни като диелектрични течности. Тези течности имат различно повърхностно напрежение и други свойства от водата, така че размерите на повърхностните характеристики трябва да бъдат съответно коригирани. Работата по тези разлики е една от следващите стъпки за текущите изследвания.
Справка: Three-Tier Hierarchical Structures for Extreme Pool Boiling Heat Transfer Performance
Youngsup Song,Carlos D. Díaz-Marín,Lenan Zhang,Hyeongyun Cha,Yajing Zhao,Evelyn N. Wang
Advanced Materials First published: 20 June 2022 https://doi.org/10.1002/adma.202200899
Източник: MIT engineers design surfaces that make water boil more efficiently, MIT News
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари