Das Kochen von Wasser oder anderen Flüssigkeiten ist ein energieintensiver Schritt im Herzen einer Vielzahl industrieller Prozesse, darunter die meisten Stromerzeugungsanlagen, viele chemische Produktionssysteme und sogar Kühlsysteme für die Elektronik.
Die Verbesserung der Effizienz von Systemen, die Wasser erhitzen und verdampfen, könnte ihren Energieverbrauch erheblich senken. Jetzt haben Forscher am MIT einen Weg gefunden, genau das zu tun, mit einer speziell zugeschnittenen Oberflächenbehandlung für die Materialien, die in diesen Systemen verwendet werden.
Die verbesserte Effizienz ergibt sich aus einer Kombination von drei verschiedenen Arten von Oberflächenmodifikationen in unterschiedlichen Größenskalen. Die neuen Erkenntnisse werden im Journal beschrieben Fortgeschrittene Werkstoffe in einer Arbeit des jüngsten MIT-Absolventen Youngsup Song Ph.D. ’21, Ford Professor of Engineering Evelyn Wang und vier weitere am MIT. Die Forscher stellen fest, dass sich diese erste Erkenntnis noch im Labormaßstab befindet und weitere Arbeit erforderlich ist, um ein praktisches Verfahren im industriellen Maßstab zu entwickeln.
Es gibt zwei Schlüsselparameter, die den Siedeprozess beschreiben: den Wärmeübertragungskoeffizienten (HTC) und den kritischen Wärmefluss (CHF). Beim Materialdesign gibt es im Allgemeinen einen Kompromiss zwischen den beiden, sodass alles, was einen dieser Parameter verbessert, tendenziell den anderen verschlechtert. Aber beide sind wichtig für die Effizienz des Systems, und jetzt, nach jahrelanger Arbeit, hat das Team einen Weg gefunden, beide Eigenschaften gleichzeitig deutlich zu verbessern, durch die Kombination verschiedener Texturen, die einer Materialoberfläche hinzugefügt werden.
Das Hochgeschwindigkeitsvideo des Testaufbaus der Forscher zeigt Wasser, das auf einer speziell behandelten Oberfläche kocht, wodurch sich an bestimmten getrennten Stellen Blasen bilden, anstatt sich in einem Film über die Oberfläche auszubreiten, was zu einem effizienteren Kochen führt. Das Video wurde um das 100-fache verlangsamt, um mehr Details zu zeigen. Bildnachweis: Massachusetts Institute of Technology
„Beide Parameter sind wichtig“, sagt Song, „aber die Verbesserung beider Parameter zusammen ist ziemlich schwierig, weil sie einen intrinsischen Kompromiss haben.“ Der Grund dafür, erklärt er, ist, „denn wenn wir viele Blasen auf der kochenden Oberfläche haben, bedeutet das, dass das Kochen sehr effizient ist, aber wenn wir zu viele Blasen auf der Oberfläche haben, können sie zusammenfließen, was einen Dampf bilden kann Film über der siedenden Oberfläche.“ Dieser Film setzt der Wärmeübertragung von der heißen Oberfläche auf das Wasser Widerstand entgegen. „Wenn wir Dampf zwischen Oberfläche und Wasser haben, verhindert das die Wärmeübertragungseffizienz und senkt den CHF-Wert“, sagt er.
Song, der jetzt Postdoc am Lawrence Berkeley National Laboratory ist, führte einen Großteil der Forschung im Rahmen seiner Doktorarbeit am MIT durch. Während die verschiedenen Komponenten der von ihm entwickelten neuen Oberflächenbehandlung zuvor untersucht worden waren, sagen die Forscher, dass diese Arbeit die erste ist, die zeigt, dass diese Methoden kombiniert werden könnten, um den Kompromiss zwischen den beiden konkurrierenden Parametern zu überwinden.
Das Hinzufügen einer Reihe von mikroskaligen Hohlräumen oder Dellen zu einer Oberfläche ist eine Möglichkeit, die Art und Weise zu kontrollieren, wie sich Blasen auf dieser Oberfläche bilden, sie effektiv an den Stellen der Dellen festzuhalten und zu verhindern, dass sie sich zu einem hitzebeständigen Film ausbreiten. In dieser Arbeit erzeugten die Forscher eine Reihe von 10 Mikrometer breiten Vertiefungen, die etwa 2 Millimeter voneinander entfernt waren, um eine Filmbildung zu verhindern. Aber diese Trennung verringert auch die Konzentration von Blasen an der Oberfläche, was die Siedeeffizienz verringern kann. Um dies auszugleichen, führte das Team eine viel kleinere Oberflächenbehandlung ein, die winzige Unebenheiten und Grate im Nanometerbereich erzeugt, wodurch die Oberfläche vergrößert und die Verdunstungsrate unter den Blasen gefördert wird.
Bei diesen Experimenten wurden die Hohlräume in der Mitte einer Reihe von Säulen auf der Materialoberfläche hergestellt. Diese Säulen, kombiniert mit Nanostrukturen, fördern das Aufsaugen von Flüssigkeit von der Basis zu ihren Spitzen, und dies verstärkt den Siedeprozess, indem eine größere Oberfläche bereitgestellt wird, die dem Wasser ausgesetzt ist. In Kombination bieten die drei „Ebenen“ der Oberflächentextur – die Hohlraumtrennung, die Pfosten und die nanoskalige Texturierung – eine stark verbesserte Effizienz für den Siedeprozess, sagt Song.
„Diese Mikrohohlräume definieren die Position, an der Blasen aufsteigen“, sagt er. „Aber indem wir diese Hohlräume um 2 Millimeter trennen, trennen wir die Blasen und minimieren das Zusammenwachsen von Blasen.“ Gleichzeitig fördern die Nanostrukturen die Verdunstung unter den Blasen, und die durch die Säulen induzierte Kapillarwirkung führt der Blasenbasis Flüssigkeit zu. Dadurch wird eine Schicht aus flüssigem Wasser zwischen der siedenden Oberfläche und den Dampfblasen aufrechterhalten, was den maximalen Wärmefluss erhöht.
Obwohl ihre Arbeit bestätigt hat, dass die Kombination dieser Arten von Oberflächenbehandlungen funktionieren und die gewünschten Effekte erzielen kann, wurde diese Arbeit unter kleinen Laborbedingungen durchgeführt, die nicht leicht auf praktische Geräte übertragen werden konnten, sagt Wang. „Diese Art von Strukturen, die wir herstellen, sind nicht dazu gedacht, in ihrer jetzigen Form skaliert zu werden“, sagt sie, sondern wurden verwendet, um zu beweisen, dass ein solches System funktionieren kann. Ein nächster Schritt wird darin bestehen, alternative Wege zu finden, um diese Art von Oberflächentexturen zu erzeugen, damit diese Methoden leichter auf praktische Dimensionen skaliert werden können.
„Zu zeigen, dass wir die Oberfläche auf diese Weise kontrollieren können, um eine Verbesserung zu erzielen, ist ein erster Schritt“, sagt sie. „Dann ist der nächste Schritt, über skalierbarere Ansätze nachzudenken.“ Obwohl beispielsweise die Säulen auf der Oberfläche in diesen Experimenten mit Reinraummethoden hergestellt wurden, die üblicherweise zur Herstellung von Halbleiterchips verwendet werden, gibt es andere, weniger anspruchsvolle Methoden zur Herstellung solcher Strukturen, wie z. B. Elektroabscheidung. Es gibt auch eine Reihe unterschiedlicher Wege, um die Oberflächen-Nanostrukturtexturen herzustellen, von denen einige leichter skalierbar sein können.
Es könnte einige bedeutende Anwendungen im kleinen Maßstab geben, die diesen Prozess in seiner gegenwärtigen Form verwenden könnten, wie z. B. das Wärmemanagement elektronischer Geräte, ein Bereich, der immer wichtiger wird, da Halbleitergeräte kleiner werden und die Verwaltung ihrer Wärmeabgabe immer wichtiger wird. „Es gibt definitiv einen Bereich, in dem das wirklich wichtig ist“, sagt Wang.
Die Entwicklung selbst dieser Art von Anwendungen wird einige Zeit in Anspruch nehmen, da Wärmemanagementsysteme für die Elektronik normalerweise andere Flüssigkeiten als Wasser verwenden, die als dielektrische Flüssigkeiten bekannt sind. Diese Flüssigkeiten haben eine andere Oberflächenspannung und andere Eigenschaften als Wasser, sodass die Abmessungen der Oberflächenmerkmale entsprechend angepasst werden müssten. Die Arbeit an diesen Unterschieden sei einer der nächsten Schritte für die laufende Forschung, sagt Wang.
Dieselbe Multiskalen-Strukturierungstechnik könnte auch auf verschiedene Flüssigkeiten angewendet werden, sagt Song, indem die Abmessungen angepasst werden, um die unterschiedlichen Eigenschaften der Flüssigkeiten zu berücksichtigen. „Solche Details können geändert werden, und das kann unser nächster Schritt sein“, sagt er.
Youngsup Song et al., Dreistufige hierarchische Strukturen für extreme Wärmeübertragungsleistung beim Kochen im Pool, Fortgeschrittene Werkstoffe (2022). DOI: 10.1002/adma.202200899
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