Voda sa veľa varí – či už ide o šálku čaju v kuchyni alebo elektráreň, ktorá vyrába elektrinu. Akékoľvek zlepšenie účinnosti tohto procesu bude mať obrovský vplyv na celkové množstvo energie spotrebovanej denne na tento účel.
Jedným z takýchto vylepšení môže byť novo vyvinutá úprava povrchov zapojených do ohrevu a odparovania vody. Úprava zlepšuje dva kľúčové parametre, ktoré určujú proces varu: koeficient prestupu tepla (HTC) a kritický tepelný tok (CHF).
Väčšinou medzi nimi existuje kompromis – keď sa jeden zlepšuje, druhý sa zhoršuje. Po rokoch skúmania výskumný výraz za technológiou našiel spôsob, ako vylepšiť oboje.
„Oba parametre sú dôležité, ale škálovanie oboch parametrov spolu je trochu ťažké, pretože majú interné kompromisy,“ Hovorí bioinformatický vedec Youngsup Song z Lawrence Berkeley National Laboratory v Kalifornii.
„Ak máme na povrchu varu veľa bublín, znamená to, že varenie je veľmi efektívne, ale ak máme na povrchu veľa bublín, môžu sa zhlukovať, čo môže na povrchu varu vytvoriť parný film.“
Akýkoľvek film pary medzi vyhrievaným povrchom a vodou vytvára odpor, čím sa znižuje účinnosť prenosu tepla a hodnota CHF. Na vyriešenie tohto problému vedci navrhli tri rôzne typy povrchovej úpravy.
Najprv sa pridá séria mikroskúmaviek. Toto pole trubíc širokých 10 mikrometrov, ktoré sú od seba vzdialené asi 2 milimetre, riadi tvorbu bublín a pripevňuje bubliny do dutín. Tým sa zabráni tvorbe parného filmu.
Zároveň znižuje koncentráciu bublín na povrchu, čím sa znižuje účinnosť varu. Aby sa tomu zabránilo, vedci zaviedli ešte menšie ošetrenie vo forme druhej modifikácie, pričom na povrch dutých rúrok pridali hrbole a hrebene s veľkosťou len nanometrov. To zväčšuje dostupnú plochu a zvyšuje rýchlosť odparovania.
Nakoniec boli mikrodutiny umiestnené v strede série stĺpov na povrchu materiálu. Tieto kolóny urýchľujú proces odvádzania kvapaliny pridaním väčšieho povrchu. V kombinácii sa účinnosť varu výrazne zvýši.
Hore: Spomalené video nastavenia výskumníkov ukazuje, ako voda vrie na špeciálne upravenom povrchu a vytvára bubliny na špecifických rôznych miestach.
Keďže nanoštruktúry tiež podporujú odparovanie na dne bubliny a stĺpiky udržujú stály prísun kvapaliny na spodku tejto bubliny, medzi vriacou plochou a bublinou sa môže udržiavať vrstva vody, čím sa maximalizuje tepelný tok.
„Prvým krokom je ukázať, že týmto spôsobom môžeme kontrolovať povrch, aby sme dosiahli rast,“ Strojný inžinier Evelyn Wang. Hovoria z Massachusettského technologického inštitútu. „Potom je ďalším krokom premýšľanie o škálovateľnejších prístupoch.“
„Tieto typy štruktúr, ktoré staviame, nie sú navrhnuté na miniaturizáciu v ich súčasnej podobe.“
Práca z malého laboratórneho prostredia, ktorá sa dá použiť v komerčnom priemysle, nebude taká jednoduchá, ale výskumníci sú presvedčení, že sa to dá.
Jednou z výziev bude nájsť spôsoby, ako vytvoriť tri „úrovne“ povrchovej textúry a modifikácií. Dobrou správou je, že existujú rôzne prístupy, ktoré možno preskúmať, a tento proces by mal fungovať aj pre rôzne typy tekutín.
„Takéto detaily sa dajú zmeniť a to by mohol byť náš ďalší krok,“ Pieseň hovorí,
výskum bol publikovaný v pokročilé materiály,
