Как сделать кипячение воды более эффективным и экономичным?

Каждый день люди кипятят тонны воды, чтобы заварить чашечку чая, обеззаразить продукты питания или произвести электроэнергию при помощи паровой турбины. Это чрезвычайно энергозатратный процесс, и его совершенствование позволило бы значительно сократить затраты энергетических ресурсов как на бытовом, так и на промышленном уровне. Команда исследователей из Массачусетского технологического института разработала методику, которая помогает сделать кипячение воды более эффективным и экономичным.

Shutterstock

В рамках совместного исследования выпускник МТИ Ёнсоп Сон, профессор инженерии Эвелин Ван и их коллеги из МТИ разработали трёхуровневый комплекс модификаций поверхности, который может повысить энергоэффективность кипячения. Данный процесс можно описать при помощи двух ключевых параметров: коэффициент теплоотдачи (heat transfer coefficient / HTC) и критический тепловой поток (critical heat flux / CHF). При разработке новых материалов и технологий, задействованных в бытовом и промышленном оборудовании, как правило, инженерам приходится находить компромисс между этими параметрами. Зачастую модификации, направленные на улучшение одного из этих параметров, негативно воздействуют на второй. К примеру, большое количество пузырьков с паром в месте контакта воды с нагревательным элементом свидетельствует о высоком значении параметра HTC, однако, если пузырьков слишком много, они могут слиться в паровую плёнку, которая понижает значение CHF. Чтобы сделать кипячение максимально эффективным, необходимо добиться одновременного улучшения обоих параметров.

Как сделать кипячение воды более эффективным и экономичным?
На модифицированной поверхности пузырьки с паром образуются отдельно друг от друга и не сливаются в сплошной слой пара / Three-Tier Hierarchical Structures for Extreme Pool Boiling Heat Transfer Performance / Song et al.

Сон посвятил свою докторскую диссертацию исследованию поверхностных (межфазных) явлений. После защиты диссертации он сосредоточился на разработке и изучении характеристик микромасштабных модификаций поверхностей, способных сделать кипячение воды более энергоэффективным. Различные поверхностные реорганизации материалов и ранее становились объектами исследования, однако Сон и его коллеги из МТИ впервые пришли к их комбинации. Цель этих модификаций заключается в контроле над ходом формирования пузырьков для предотвращения их слияния и образования теплостойкой паровой плёнки. Первый уровень модификации материала нагревателя представляет собой комплекс микрометровых углублений, расположенных в толще нагревающейся поверхности на расстоянии примерно 2 миллиметров друг от друга. С их помощью учёные смогли предотвратить слияние пузырьков с паром в одно целое и ассоциированное с этим явлением понижение параметра CHF.

Как сделать кипячение воды более эффективным и экономичным?
ф) поверхность нагрвателя: серым цветом отображены массивы столбцов, красным — кластеры труб с углублениями; b) углубления в центре трубок; c) все поверхности укрыты наномасштабными выступами / Three-Tier Hierarchical Structures for Extreme Pool Boiling Heat Transfer Performance / Song et al.
Прицнип работы трёхуровневой модификации поверхности нагревателя / Three-Tier Hierarchical Structures for Extreme Pool Boiling Heat Transfer Performance / Song et al.

Впрочем, сама по себе такая модификация уменьшает концентрацию пузырьков на поверхности, что выливается в понижение коэффициента теплоотдачи. Исследователи компенсировали этот недостаток, усеяв углубления многочисленными нанометровыми бугорками и рёбрышками. С их помощью учёные увеличили площадь контактной поверхности нагревателя, тем самым повысив значение параметра HTC. В ходе экспериментов инженеры также ввели третий уровень модификаций. Они создали поверхность нагревателя, покрытую кластерами труб и столбцов. Упомянутые ранее углубления разместились в центре труб. Наличие вертикальных структур, покрытых нанометровыми выступами, позволило запустить стабильную подачу жидкости от дна нагревателя к углублениям. Таким образом, между поверхностью нагревателя и пузырьками с паром сохраняется слой жидкой воды, что также способствует максимизации критического теплового потока.

Three-Tier Hierarchical Structures for Extreme Pool Boiling Heat Transfer Performance / Song et al.
Как сделать кипячение воды более эффективным и экономичным?
Красные звёзды отображают повышение параметров HTC и CHF в рамках исследования Сона и др. / Three-Tier Hierarchical Structures for Extreme Pool Boiling Heat Transfer Performance / Song et al.

Эксперименты Сона и его коллег показали, что структурированные комбинации модификаций поверхности нагревателя способны сделать кипячение более эффективным и экономичным. Им удалось добиться почти четырёхкратного повышения значения параметра HTC, а также почти в полтора раза увеличить CHF. Однако для применения этих разработок на промышленном уровне необходимо найти способ масштабирования модификаций. К примеру, для формирования массива трубок и столбцов исследователи использовали мелкомасштабные методы, которые возможно реализовать только в стерильных помещениях (аналогичные методы используют для производства полупроводниковых чипов). В будущем учёные планируют экспериментировать с менее трудоёмкими и требовательными к производственным условиям методами вроде электроосаждения. Кроме того, необходимо протестировать различные способы формирования наномасштабных структур. И наконец, профессор Ван и её коллеги не планируют ограничивать область применения разработанных ими модификаций бытовыми и промышленными процессами, в которых задействовано кипячения воды. Они также рассчитывают адаптировать технологию к работе с другими жидкостями.

Поделиться в соцсетях

Добавить комментарий