@ 2022.07.17 , 23:27

用表面处理方法提升烧开水的效率

水的沸腾是司空见惯的现象——从在厨房烹茶到核电厂里“烧开水”。对烧开水效率的任何提升都会对每日能源消费的总量产生巨大影响。

有一条提升路径来自新开发的用于加热和蒸发水的表面处理方法。表面化工艺改善了沸腾过程的两个关键参数:传热系数 (HTC) 和临界热通量 (CHF)。

大多数时候,这两者之间存在对抗性——当改进一个时,另一个就变差。经过多年的调查,现在找到了同时优化两者的方法。

加州劳伦斯伯克利国家实验室的生物信息学科学家 Youngsup Song 说:“这两个参数都很重要,但同时优化两个参数就有点棘手,因为它们从根上不可兼得。如果我们在沸腾表面迅速制造大量气泡,这意味着沸腾是非常有效的,但气泡会聚结在一起,从而在传热表面形成蒸汽膜。”

热表面和水之间的任何蒸汽膜都会引入阻力,从而降低传热效率和CHF 值。为了解决这个问题,研究人员设计了三种不同类型的表面改性。

首先,添加了一系列微型管。由10微米宽的管阵列——间隔约2毫米——控制气泡的形成并将气泡固定在空腔中。这可以防止形成蒸汽膜。

但降低表面气泡的浓度的同时,也降低了沸腾效率。为了解决这个问题,研究人员引入了一种更小规模的处理方法作为二次改性:在中空管的表面添加了纳米规格的凸块和脊。这增加了可用表面积并提高了传热效率。

最后,微型腔被安置在材料表面上一系列柱子的中心。这些柱子通过增加更多的表面积来加速液体的沸腾过程。

最终,沸腾效率得到显著提升。

由于纳米结构还促进了气泡下方的蒸发率,并且柱子为气泡底部保持稳定的液体供应,因此可以在沸腾表面和气泡之间保持一层水——提高最大热通量。

麻省理工学院的机械工程师 Evelyn Wang 说:“表明我们可以通过这种方式控制表面以获得效率。下一步就是考虑更具可扩展性的方法。”

将这项工作从小型实验室环境转变为可用于工业系统的发明,并不简单,但研究人员有信心做到这一点。

好消息是可以探索不同的方法,并且该程序也应该适用于不同种类的液体。

“细节和参数可以改变,这可能就是未来的探索方向。”song说。

该研究已发表在《前沿材料》上。

https://www.sciencealert.com/scientists-have-found-a-way-to-save-energy-and-boil-water-more-efficiently


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