水經常被煮沸,無論是在廚房中沖泡一杯茶、或是產生電力的發電廠。任何製程上的效率改善,都會對每天所用的能源總量造成巨大的影響。

技術背景

如此的改善,可能可以藉由對加熱與蒸發水的表面,進行新研發的製程而到來。這項製程改善了兩個決定沸騰過程的關鍵參數:導熱係數(heat transfer coefficient,HTC)與臨界熱通量(critical heat flux,CHF)。

大部分的時候,這兩者之間會有權衡,一者改善的話,另一者就會變糟。在多年的調查後,這項技術後的研究團隊,找到了一個方法來改善兩者。

美國加州勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的生物資訊學科學家宋英燮博士後(Youngsup Song,音譯)說:「兩個參數都很重要,但是兩個參數要一起增加會有一點棘手,因為這兩者彼此具有內部權衡。如果在沸騰表面上有很多泡泡的話,那這就代表沸騰非常有效率;但是,如果表面上有太多泡泡的話,它們可能會合併在一起,而在沸騰表面上形成蒸氣膜。」

任何在熱表面與水之間的蒸氣膜都會造成阻抗,降低導熱效率與 CHF 值。為了要處理這個問題,研究人員設計了三種不同的表面改良。

技術內容

首先,他們加上一系列微型管。這些 10 微米寬的管所形成的陣列,彼此之間間隔 2 毫米,能控制泡泡的形成,並讓泡泡被固定在空腔上。這能夠避免蒸氣膜形成。

然而同時,它減少表面上的泡泡濃度,降低沸騰的效率。為了解決此問題,研究人員引進了更小規模的製程作為第二種改良:在中空管的表面內,加入奈米尺寸的凸塊和脊梁。這會增加可用的表面積,並促進蒸發速率。

最後,在位於材料表面上的一系列柱子的中心,放置上微型的空腔。這些柱子藉由添加更多表面積,而加速了液體的抽離過程。這些結合起來,使得沸騰效率顯著地提升了。

(Song et al.)

由於此奈米結構也能在泡泡之下促進蒸發,且這些柱子穩定地將液體提供給基底泡泡,因此能夠維持一層介於沸騰表面與泡泡之間的水,提升最大的熱通量。

下步目標

麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)的機械工程師艾芙琳·王教授(Evelyn Wang,音譯)說:「第一步是,展示出我們可以用這個方式來控制表面而提升效率。接著,下一步是要思考更具擴展性的方法。我們製作出的這類結構,並沒有打算以目前的形式來規模化。」

取用小規模實驗室所得的結果、並將其設置成可用於商業活動上的東西,這可不是那麼簡單的事;但是,研究人員很有自信這是能夠做到的。

其中一個挑戰將會是找到方法來創造表面質地以及三「層次」的改良。好消息是,有各種不同可以探索的方法,而這些程序應該也能用在不同種的液體之上。宋博士後說:「那些種類的細節是可以改變的,而那可能會是我們的下一步。」

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參考資料:

  1. Nield, D., (2022, July 16). Scientists Have Found a Way to Save Energy and Boil Water More Efficiently. ScienceAlert
  2. Song, Y. et al., (2022, June 20). Three-Tier Hierarchical Structures for Extreme Pool Boiling Heat Transfer Performance. Advanced Materials. doi.org/10.1002/adma.202200899
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/scientists-have-found-a-way-to-save-energy-and-boil-water-more-efficiently(圖:Song et al.)
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