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科学家们找到了一种更有效地节约能源和烧水的方法

水经常煮沸——无论是在厨房还是在发电厂冲泡的一杯茶。 此过程效率的任何改进都将对每天使用的能源总量产生重大影响。

其中一项改进可能是对用于水加热和蒸发的表面进行新开发的处理。 工艺改进了定义沸腾过程的两个关键参数:传热系数 (HTC) 和临界热流 (CHF)。

大多数时候,两者之间存在权衡——一个更好,另一个越差。 经过多年的搜索,这项技术背后的搜索词找到了一种增强两者的方法。

“这两个参数都很重要,但同时优化这两个参数有点困难,因为它们有内在的权衡,” 生物信息学科学家 Yongsap Song 说 来自加利福尼亚的劳伦斯伯克利国家实验室。

“如果我们在沸腾表面有很多气泡,那么沸腾是非常有效的,但如果我们在表面有太多气泡,它们可以融合在一起,这可能会在沸腾表面上方形成蒸汽层。”

热表面和水之间的任何蒸气膜都会产生阻力,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,添加了一系列微管。 这组 10 µm 宽、间隔约 2 mm 的管子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。

同时降低了表面气泡的浓度,降低了沸腾效率。 为了解决这个问题,研究人员引入了一种较小规模的处理方法作为第二次修改,在中空管的表面仅添加纳米尺寸的突起和边缘。 这增加了可用表面积并提高了蒸发速率。

最后,将微腔放置在材料表面上一系列柱子的中心。 这些羽流通过增加更多表面积来加速流体提取过程。 结合起来,沸腾效率显着提高。

(宋等人。)

上图:研究人员放慢了一段视频,显示水在经过特殊处理的表面上沸腾,导致气泡在特定的不同点形成。

由于纳米结构还促进气泡下的蒸发,并且柱子保持向气泡底部持续供应液体,因此可以在沸腾表面和气泡之间保持一层水——这促进了最大的热流。

“展示我们以这种方式操纵表面以获得优化的能力是第一步,” 机械工程师 Evelyn Wang 说: 来自麻省理工学院。 “那么下一步就是考虑更具可扩展性的方法。”

“我们制造的这些类型的结构并不打算扩大到它们目前的形式。”

将工作从小型实验室转移到可用于商业行业的东西并不容易,但研究人员有信心做到这一点。

一个挑战是找到创建表面纹理和“三个级别”调整的方法。 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类型的流体。

“这些细节可以改变,这可能是我们的下一步,” 宋说.

搜索发表于 先进材料.

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