Naukowcy znaleźli sposób na bardziej efektywne oszczędzanie energii i gotowanie wody

Woda jest gotowana dużo – czy to filiżanka herbaty parzonej w kuchni, czy w elektrowni. Jakakolwiek poprawa wydajności tego procesu będzie miała znaczący wpływ na całkowitą ilość energii zużywanej na niego każdego dnia.

Jednym z takich ulepszeń może być nowo opracowana obróbka powierzchni wykorzystywanych do podgrzewania i odparowywania wody. Przetwarzanie poprawia dwa kluczowe parametry, które definiują proces wrzenia: współczynnik przenikania ciepła (HTC) i krytyczny przepływ ciepła (CHF).

Przez większość czasu istnieje kompromis między tymi dwoma – im lepszy, tym gorszy. Po latach poszukiwań wyszukiwane hasło stojące za tą techniką znalazło sposób na ulepszenie obu.

„Oba parametry są ważne, ale optymalizacja obu parametrów razem jest dość trudna, ponieważ wiążą się z wewnętrznym kompromisem” Naukowiec bioinformatyki Yongsap Song mówi Od Lawrence Berkeley National Laboratory w Kalifornii.

„Jeśli mamy dużo bąbelków na wrzącej powierzchni, wrzenie jest bardzo wydajne, ale jeśli mamy zbyt wiele bąbelków na powierzchni, mogą się one ze sobą łączyć, co może stworzyć warstwę pary nad wrzącą powierzchnią”.

Każda warstwa pary pomiędzy gorącą powierzchnią a wodą stawia opór, co zmniejsza wydajność wymiany ciepła i wartość CHF. Aby obejść ten problem, naukowcy opracowali trzy różne rodzaje modyfikacji powierzchni.

Najpierw dodaje się serię mikrotubul. Ta grupa rurek o szerokości 10 µm, rozmieszczonych w odstępach około 2 mm, kontroluje tworzenie się pęcherzyków i utrzymuje pęcherzyki w zagłębieniach. Zapobiega to tworzeniu się filmu pary.

Jednocześnie zmniejsza koncentrację bąbelków na powierzchni, co zmniejsza wydajność gotowania. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy wprowadzili obróbkę na mniejszą skalę jako drugą modyfikację, dodając tylko występy i krawędzie o rozmiarach nanometrowych na powierzchni pustych rurek. Zwiększa to dostępną powierzchnię i zwiększa szybkość parowania.

Na koniec mikrownęki umieszczono pośrodku szeregu kolumn na powierzchni materiału. Te pióropusze przyspieszają proces pobierania płynów, zwiększając powierzchnię. W połączeniu wydajność wrzenia znacznie wzrasta.

(Song i in.)

Powyżej: Nagranie wideo spowolnione przez naukowców pokazuje gotowanie się wody na specjalnie przygotowanej powierzchni, powodujące tworzenie się bąbelków w określonych, oddzielnych punktach.

Ponieważ nanostruktury sprzyjają również parowaniu pod pęcherzykami, a kolumny utrzymują stały dopływ cieczy do podstawy pęcherzyka, warstwa wody może być utrzymywana między powierzchnią wrzenia a pęcherzykami, co sprzyja maksymalnemu przepływowi ciepła.

„Zademonstrowanie naszej zdolności do manipulowania powierzchnią w ten sposób w celu uzyskania optymalizacji to pierwszy krok” Inżynier mechanik Evelyn Wang mówi: z Massachusetts Institute of Technology. „Następnym krokiem jest zastanowienie się nad bardziej skalowalnymi podejściami”.

„Tego typu konstrukcje, które wykonujemy, nie są przeznaczone do skalowania do ich obecnej formy”.

Przeniesienie pracy z laboratorium na małą skalę do czegoś, co może być wykorzystywane w branżach komercyjnych, nie będzie łatwe, ale naukowcy są pewni, że da się to zrobić.

Jednym z wyzwań jest znalezienie sposobów na stworzenie tekstury powierzchni i trzech „poziomów” korekt. Dobrą wiadomością jest to, że istnieją różne metody, które można zbadać, a procedura powinna działać również dla różnych rodzajów płynów.

„Tego rodzaju szczegóły można zmienić i to może być nasz kolejny krok” śpiewane mówi.

Wyszukiwanie zostało opublikowane w zaawansowane materiały.