L’acqua viene bollita molto, che si tratti di una tazza di tè preparata in cucina o nella centrale elettrica. Qualsiasi miglioramento nell’efficienza di questo processo avrà un impatto significativo sulla quantità totale di energia utilizzata per esso ogni giorno.
Uno di questi miglioramenti potrebbe derivare da un trattamento di nuova concezione delle superfici utilizzate per il riscaldamento e l’evaporazione dell’acqua. L’elaborazione migliora due parametri chiave che definiscono il processo di ebollizione: il coefficiente di scambio termico (HTC) e il flusso di calore critico (CHF).
Il più delle volte, c’è un compromesso tra i due: l’uno migliore, l’altro peggiore. Dopo anni di ricerca, il termine di ricerca alla base di questa tecnica ha trovato un modo per migliorare entrambi.
“Entrambi i parametri sono importanti, ma ottimizzare entrambi i parametri insieme è piuttosto difficile perché hanno un compromesso intrinseco”, Lo scienziato di bioinformatica Yongsap Song afferma Dal Lawrence Berkeley National Laboratory in California.
“Se abbiamo molte bolle sulla superficie di ebollizione, l’ebollizione è molto efficiente, ma se abbiamo troppe bolle sulla superficie, possono fondersi insieme, formando uno strato di vapore sopra la superficie di ebollizione”.
Qualsiasi film di vapore tra la superficie calda e l’acqua presenta resistenza, che riduce l’efficienza di trasferimento del calore e il valore di CHF. Per aggirare questo problema, i ricercatori hanno ideato tre diversi tipi di modifica della superficie.
Innanzitutto, viene aggiunta una serie di microtubuli. Questo gruppo di tubi di 10 µm di larghezza, distanziati di circa 2 mm, controlla la formazione di bolle e mantiene le bolle fissate nelle cavità. Ciò impedisce la formazione di un film di vapore.
Allo stesso tempo, riduce la concentrazione di bolle sulla superficie, riducendo l’efficienza di ebollizione. Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno introdotto un trattamento su scala ridotta come seconda modifica, aggiungendo solo sporgenze e bordi di dimensioni nanometriche all’interno della superficie dei tubi cavi. Ciò aumenta la superficie disponibile e migliora i tassi di evaporazione.
Infine, sono state poste delle microcavità al centro di una serie di colonne sulla superficie del materiale. Questi pennacchi accelerano il processo di prelievo del fluido aggiungendo più superficie. Combinato, l’efficienza di ebollizione aumenta in modo significativo.
Sopra: un video rallentato dai ricercatori mostra l’ebollizione dell’acqua su una superficie trattata in modo speciale provocando la formazione di bolle in punti specifici separati.
Poiché le nanostrutture promuovono anche l’evaporazione sotto le bolle e le colonne mantengono un apporto costante di liquido alla base della bolla, è possibile mantenere uno strato d’acqua tra la superficie di ebollizione e le bolle, che promuove il massimo flusso di calore.
“Dimostrare la nostra capacità di manipolare la superficie in questo modo per ottenere l’ottimizzazione è il primo passo”, L’ingegnere meccanico Evelyn Wang dice: dal Massachusetts Institute of Technology. “Quindi il passo successivo è pensare ad approcci più scalabili”.
“Questi tipi di strutture che realizziamo non sono destinati a ridimensionarsi nella loro forma attuale”.
Spostare il lavoro da un laboratorio su piccola scala a qualcosa che può essere utilizzato nelle industrie commerciali non sarà molto facile, ma i ricercatori sono fiduciosi che si possa fare.
Una sfida è trovare modi per creare la trama della superficie e i “tre livelli” di regolazione. La buona notizia è che ci sono diversi metodi che possono essere esplorati e la procedura dovrebbe funzionare anche per diversi tipi di fluidi.
“Questo tipo di dettagli può essere modificato e questo potrebbe essere il nostro prossimo passo”, cantato dice.
La ricerca è stata pubblicata in materiale avanzato.
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