Het koken van water of andere vloeistoffen is een energie-intensieve stap in het hart van een breed scala aan industriële processen, waaronder de meeste elektriciteitscentrales, veel chemische productiesystemen en zelfs koelsystemen voor elektronica.

Het verbeteren van de efficiëntie van systemen die water verwarmen en verdampen, zou hun energieverbruik aanzienlijk kunnen verminderen. Nu hebben onderzoekers van MIT een manier gevonden om dat te doen, met een speciaal op maat gemaakte oppervlaktebehandeling voor de materialen die in deze systemen worden gebruikt.

De verbeterde efficiëntie komt van een combinatie van drie verschillende soorten oppervlaktemodificaties, op verschillende grootteschalen. De nieuwe bevindingen worden beschreven in het tijdschrift Advanced Materials in een paper van de recente MIT-afgestudeerde Youngsup Song Ph.D. '21, Ford Professor of Engineering Evelyn Wang, en vier anderen aan het MIT. De onderzoekers merken op dat deze eerste bevinding nog steeds op laboratoriumschaal is en dat er meer werk nodig is om een ​​praktisch proces op industriële schaal te ontwikkelen.

Er zijn twee belangrijke parameters die het kookproces beschrijven:de warmteoverdrachtscoëfficiënt (HTC) en de kritische warmteflux (CHF). Bij materiaalontwerp is er over het algemeen een afweging tussen de twee, dus alles dat een van deze parameters verbetert, maakt de andere meestal erger. Maar beide zijn belangrijk voor de efficiëntie van het systeem, en nu, na jaren van werk, heeft het team een ​​manier gevonden om beide eigenschappen tegelijkertijd aanzienlijk te verbeteren, door de combinatie van verschillende texturen die aan het oppervlak van een materiaal worden toegevoegd.

"Beide parameters zijn belangrijk", zegt Song, "maar het is een beetje lastig om beide parameters samen te verbeteren, omdat ze een intrinsieke afweging hebben." De reden daarvoor, legt hij uit, is "omdat als we veel bellen op het kookoppervlak hebben, dat betekent dat koken zeer efficiënt is, maar als we te veel bellen op het oppervlak hebben, kunnen ze samenvloeien, wat een damp kan vormen film over het kokende oppervlak." Die film introduceert weerstand tegen de warmteoverdracht van het hete oppervlak naar het water. "Als we damp tussen het oppervlak en het water hebben, verhindert dat de efficiëntie van de warmteoverdracht en verlaagt het de CHF-waarde", zegt hij.

Song, die nu een postdoc is aan het Lawrence Berkeley National Laboratory, voerde veel van het onderzoek uit als onderdeel van zijn proefschrift aan het MIT. Hoewel de verschillende componenten van de nieuwe oppervlaktebehandeling die hij ontwikkelde eerder waren bestudeerd, zeggen de onderzoekers dat dit werk het eerste is dat aantoont dat deze methoden kunnen worden gecombineerd om de afweging tussen de twee concurrerende parameters te overwinnen.

Het toevoegen van een reeks holtes op microschaal, of deuken, aan een oppervlak is een manier om de manier waarop bellen zich op dat oppervlak vormen te beheersen, ze effectief vast te houden aan de locaties van de deuken en te voorkomen dat ze zich verspreiden in een hittebestendige film. In dit werk creëerden de onderzoekers een reeks van 10 micrometer brede deuken, gescheiden door ongeveer 2 millimeter om filmvorming te voorkomen. Maar die scheiding vermindert ook de concentratie van bellen aan het oppervlak, wat de kookefficiëntie kan verminderen. Om dat te compenseren, introduceerde het team een ​​veel kleinere oppervlaktebehandeling, waarbij kleine bobbels en richels op nanometerschaal werden gecreëerd, waardoor het oppervlak groter werd en de verdampingssnelheid onder de bubbels werd bevorderd.

In deze experimenten werden de holtes gemaakt in het midden van een reeks pilaren op het oppervlak van het materiaal. These pillars, combined with nanostructures, promote wicking of liquid from the base to their tops, and this enhances the boiling process by providing more surface area exposed to the water. In combination, the three "tiers" of the surface texture—the cavity separation, the posts, and the nanoscale texturing—provide a greatly enhanced efficiency for the boiling process, Song says.

"Those micro cavities define the position where bubbles come up," he says. "But by separating those cavities by 2 millimeters, we separate the bubbles and minimize the coalescence of bubbles." At the same time, the nanostructures promote evaporation under the bubbles, and the capillary action induced by the pillars supplies liquid to the bubble base. That maintains a layer of liquid water between the boiling surface and the bubbles of vapor, which enhances the maximum heat flux.

Although their work has confirmed that the combination of these kinds of surface treatments can work and achieve the desired effects, this work was done under small-scale laboratory conditions that could not easily be scaled up to practical devices, Wang says. "These kinds of structures we're making are not meant to be scaled in its current form," she says, but rather were used to prove that such a system can work. One next step will be to find alternative ways of creating these kinds of surface textures so these methods could more easily be scaled up to practical dimensions.

"Showing that we can control the surface in this way to get enhancement is a first step," she says. "Then the next step is to think about more scalable approaches." For example, though the pillars on the surface in these experiments were created using clean-room methods commonly used to produce semiconductor chips, there are other, less demanding ways of creating such structures, such as electrodeposition. There are also a number of different ways to produce the surface nanostructure textures, some of which may be more easily scalable.

There may be some significant small-scale applications that could use this process in its present form, such as the thermal management of electronic devices, an area that is becoming more important as semiconductor devices get smaller and managing their heat output becomes ever more important. "There's definitely a space there where this is really important," Wang says.

Even those kinds of applications will take some time to develop because typically thermal management systems for electronics use liquids other than water, known as dielectric liquids. These liquids have different surface tension and other properties than water, so the dimensions of the surface features would have to be adjusted accordingly. Work on these differences is one of the next steps for the ongoing research, Wang says.

This same multiscale structuring technique could also be applied to different liquids, Song says, by adjusting the dimensions to account for the different properties of the liquids. "Those kinds of details can be changed, and that can be our next step," he says. + Verder verkennen

Discovery improves heat transfer in boiling

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.