Design af overflader, der får vand til at koge mere effektivt

Kogning af vand eller andre væsker er et energikrævende trin i hjertet af en lang række industrielle processer, herunder de fleste elproduktionsanlæg, mange kemiske produktionssystemer og endda kølesystemer til elektronik.

Forbedring af effektiviteten af ​​systemer, der opvarmer og fordamper vand, kan reducere deres energiforbrug betydeligt. Nu har forskere ved MIT fundet en måde at gøre netop det på, med en specielt skræddersyet overfladebehandling til de materialer, der bruges i disse systemer.

Den forbedrede effektivitet kommer fra en kombination af tre forskellige slags overflademodifikationer i forskellige størrelsesskalaer. De nye resultater er beskrevet i tidsskriftet Advanced Materials i et papir af nyuddannet MIT Youngsup Song Ph.D. '21, Ford Professor of Engineering Evelyn Wang og fire andre ved MIT. Forskerne bemærker, at denne første opdagelse stadig er i laboratorieskala, og der er behov for mere arbejde for at udvikle en praktisk proces i industriel skala.

Der er to nøgleparametre, der beskriver kogningsprocessen:varmeoverførselskoefficienten (HTC) og den kritiske varmeflux (CHF). I materialedesign er der generelt en afvejning mellem de to, så alt, der forbedrer en af ​​disse parametre, har en tendens til at gøre den anden værre. Men begge dele er vigtige for systemets effektivitet, og nu, efter mange års arbejde, har teamet opnået en måde at forbedre begge egenskaber markant på samme tid gennem deres kombination af forskellige teksturer tilføjet til et materiales overflade.

"Begge parametre er vigtige," siger Song, "men det er lidt vanskeligt at forbedre begge parametre sammen, fordi de har en iboende afvejning." Grunden til det, forklarer han, er "fordi hvis vi har mange bobler på den kogende overflade, betyder det, at kogningen er meget effektiv, men hvis vi har for mange bobler på overfladen, kan de smelte sammen, hvilket kan danne en damp film over kogefladen." Den film introducerer modstand mod varmeoverførslen fra den varme overflade til vandet. "Hvis vi har damp mellem overfladen og vandet, forhindrer det varmeoverførselseffektiviteten og sænker CHF-værdien," siger han.

Song, som nu er postdoc ved Lawrence Berkeley National Laboratory, udførte meget af forskningen som en del af sit doktorafhandlingsarbejde ved MIT. Mens de forskellige komponenter i den nye overfladebehandling, han udviklede, tidligere var blevet undersøgt, siger forskerne, at dette arbejde er det første, der viser, at disse metoder kunne kombineres for at overvinde afvejningen mellem de to konkurrerende parametre.

Tilføjelse af en række mikroskala hulrum, eller buler, til en overflade er en måde at kontrollere, hvordan bobler dannes på den overflade, holde dem effektivt fastgjort til stederne af bulerne og forhindre dem i at sprede sig til en varmebestandig film. I dette arbejde skabte forskerne en række 10 mikrometer brede buler adskilt med omkring 2 millimeter for at forhindre filmdannelse. Men den adskillelse reducerer også koncentrationen af ​​bobler ved overfladen, hvilket kan reducere kogeeffektiviteten. For at kompensere for det introducerede teamet en overfladebehandling i meget mindre skala, der skabte små bump og kamme på nanometerskalaen, hvilket øger overfladearealet og fremmer fordampningshastigheden under boblerne.

I disse eksperimenter blev hulrummene lavet i midten af ​​en række søjler på materialets overflade. Disse søjler, kombineret med nanostrukturer, fremmer udsugning af væske fra bunden til deres toppe, og dette forbedrer kogningsprocessen ved at give mere overfladeareal udsat for vandet. 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. + Udforsk yderligere

Discovery improves heat transfer in boiling

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.