Ontwerp van oppervlakken die water efficiënter laten koken

Kokend water of andere vloeistoffen is een energie-intensieve stap in het hart van een breed scala aan industriële processen, waaronder de meeste energiecentrales, veel chemische productiesystemen en zelfs elektronische koelsystemen.

Het verbeteren van de efficiëntie van systemen die water verwarmen en verdampen, kan dit aanzienlijk verminderen energieverbruik. Nu hebben onderzoekers van MIT een manier gevonden om dat te doen, met een speciaal ontwerp oppervlakte behandeling voor materialen die in deze systemen worden gebruikt.

De verbeterde efficiëntie komt van een combinatie van drie verschillende soorten oppervlaktemodificaties, op verschillende maatschalen. De nieuwe bevindingen worden beschreven in het tijdschrift geavanceerde materialen In een paper gepresenteerd door MIT-alumnus Yongsap Song Ph.D. ’21, Ford professor in engineering, Evelyn Wang, en vier anderen aan het MIT. De onderzoekers merken op dat deze eerste ontdekking nog steeds op laboratoriumschaal is en dat er meer werk nodig is om een ​​praktisch proces op industriële schaal te ontwikkelen.

Er zijn twee hoofdparameters die het kookproces beschrijven: warmteoverdrachtscoëfficiënt (HTC) en kritische warmtestroom (CHF). Bij materiaalontwerp is er over het algemeen een afweging tussen beide, dus alles dat een van deze parameters verbetert, heeft de neiging de andere slechter te maken. Maar beide zijn belangrijk voor de efficiëntie van het systeem, en nu, na jaren van werk, heeft het team een ​​manier bedacht om beide eigenschappen tegelijkertijd drastisch te verbeteren, door een combinatie van verschillende formuleringen die aan het oppervlak van het materiaal worden toegevoegd.

“Beide parameters zijn belangrijk, maar het samen verbeteren van beide parameters is nogal moeilijk omdat ze een intrinsieke wisselwerking hebben”, zegt Song. Hij legt uit dat de reden hiervoor is “omdat als we veel bubbels op het kokende oppervlak hebben, het koken zeer efficiënt is, maar als we te veel bubbels op het oppervlak hebben, kunnen ze aan elkaar kleven, wat een film zou kunnen vormen.” damp boven het kookoppervlak.” Deze film biedt weerstand tegen warmteoverdracht van het verwarmde oppervlak naar het water. “Als we stoom tussen het oppervlak en het water hebben, blokkeert dat de efficiëntie van de warmteoverdracht en vermindert de waarde van de Zwitserse frank”, zegt hij.

Song, nu een postdoctoraal onderzoeker aan het Lawrence Berkeley National Laboratory, deed veel van het onderzoek als onderdeel van zijn proefschrift aan het MIT. Hoewel de verschillende componenten van de nieuwe oppervlaktebehandeling die hij ontwikkelde eerder zijn bestudeerd, zeggen de onderzoekers dat dit werk de eerste is om aan te tonen dat deze benaderingen kunnen worden gecombineerd om de wisselwerking tussen de twee concurrerende parameters te overwinnen.

Het toevoegen van een reeks microholtes, of krassen, aan een oppervlak is een manier om de manier waarop luchtbellen op dat oppervlak worden gevormd, te controleren, waardoor ze effectief op de plaats van krassen worden vastgehouden en voorkomen dat ze zich verspreiden in een hittebestendige film. In dit werk creëerden de onderzoekers een reeks deuken van 10 micrometer breed, gescheiden door ongeveer 2 millimeter om membraanvorming te voorkomen. Maar deze scheiding vermindert ook de concentratie van bellen op het oppervlak, wat het kookrendement vermindert. Om dit te compenseren, introduceerde het team oppervlaktebehandeling op een veel kleinere schaal, waardoor kleine bultjes en randen op nanometerschaal ontstonden, het oppervlak groter werd en de verdampingssnelheid onder de bubbels werd verhoogd.

In deze experimenten werden holtes gemaakt in het midden van een reeks kolommen op het oppervlak van het materiaal. Deze kolommen, samen met de nanostructuren, verbeteren de afvoer van de vloeistof van de basis naar hun toppen, en dit verbetert het kookproces door meer oppervlakte blootgesteld aan water. Samen, zegt Song, zorgen de “drie niveaus” van oppervlaktetextuur – holtescheiding, stutten en nanotexturen – voor een sterk verbeterde efficiëntie van het kookproces.

“Die microholtes bepalen de locatie waar bellen verschijnen”, zegt hij. “Maar door deze holtes met 2 millimeter te scheiden, scheiden we de bubbels en verminderen we de klomp van de bubbels.” Tegelijkertijd bevorderen de nanostructuren de verdamping onder de bubbels, en de capillaire werking die door de pluimen wordt gegenereerd, zorgt voor de vloeistof naar de bubbelbasis. Hierdoor blijft er een laag vloeibaar water tussen het kookoppervlak en de stoombellen, waardoor een maximale warmtestroom wordt bevorderd.

Hoewel hun werk heeft bevestigd dat een combinatie van dit soort oppervlaktebehandelingen kan werken en de gewenste effecten kan bereiken, werd dit werk gedaan onder kleinschalige laboratoriumomstandigheden die niet gemakkelijk kunnen worden opgeschaald naar praktische apparaten, zegt Wang. “Dit soort structuren die we maken, zijn niet bedoeld om in hun huidige vorm te worden geschaald”, zegt ze, maar werden gebruikt om aan te tonen dat zo’n systeem zou kunnen werken. De volgende stap zal zijn om alternatieve methoden te vinden voor het maken van dit soort oppervlaktestructuren, zodat deze methoden gemakkelijk kunnen worden geschaald naar praktische afmetingen.

“Het aantonen van ons vermogen om het oppervlak op deze manier te manipuleren om verbetering te krijgen, is de eerste stap”, zegt ze. “Dan is de volgende stap om meer schaalbare benaderingen te bedenken.” Hoewel de kolommen van oppervlakte tot oppervlakte in deze experimenten zijn gemaakt met behulp van cleanroom-methoden die gewoonlijk worden gebruikt om halfgeleiderwafels te produceren, zijn er andere, minder veeleisende methoden voor het maken van dergelijke structuren, zoals elektrodepositie. Er zijn ook een aantal verschillende methoden voor het produceren van oppervlaktenanostructuurtexturen, waarvan sommige gemakkelijker schaalbaar kunnen zijn.

Er kunnen enkele belangrijke kleine toepassingen zijn die dit proces in zijn huidige vorm zouden kunnen gebruiken, zoals thermisch beheer van elektronische apparaten, een gebied dat steeds belangrijker wordt naarmate halfgeleiderapparaten krimpen en het beheren van hun warmteafgifte belangrijker dan ooit wordt. “Er is zeker een gebied waar dit echt belangrijk is”, zegt Wang.

Zelfs dit soort toepassingen zal enige tijd nodig hebben om zich te ontwikkelen, omdat thermische beheersystemen voor elektronica andere vloeistoffen dan water gebruiken, ook wel diëlektrische vloeistoffen genoemd. Deze vloeistoffen hebben andere oppervlaktespanning en andere eigenschappen dan water, dus de afmetingen van de oppervlaktekenmerken moeten dienovereenkomstig worden aangepast. Wang zegt dat het werken aan deze verschillen een van de volgende stappen is in het lopende onderzoek.

Deze meerschalige structureringstechniek kan ook worden toegepast op verschillende vloeistoffen, zegt Song, door de afmetingen aan te passen om rekening te houden met verschillende vloeistofeigenschappen. “Dit soort details kunnen worden gewijzigd, en dat zou onze volgende stap kunnen zijn”, zegt hij.

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