آب بسیار جوشیده می شود؛ چه جوشاندن آب برای یک فنجان چای در حال دم کشیدن در آشپزخانه باشد یا نیروگاهی که برق تولید می کند. هر گونه بهبود در راندمان این فرآیند تأثیر زیادی بر میزان کلی انرژی مصرف شده برای آن در هر روز و در نهایت صرفه جویی در انرژی و آب خواهد داشت.
یکی از این پیشرفت‌ها می‌تواند با راهکار جدید توسعه‌یافته برای سطوح درگیر در گرمایش و تبخیر آب باشد. این عملیات دو پارامتر کلیدی را که فرآیند جوش را تعیین می‌کنند، بهبود می‌بخشد: ضریب انتقال حرارت (HTC) و شار حرارتی بحرانی (CHF).
بیشتر اوقات، بین این دو مبادله وجود دارد؛ با بهبود یکی، دیگری بدتر می شود. دانشمندان پس از سال ها تحقیق، راهی برای تقویت هر دو پیدا کردند.
یونگ سوپ سانگ، دانشمند بیوانفورماتیک از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در کالیفرنیا، می‌گوید:
«هر دو پارامتر مهم هستند، اما تقویت هر دو پارامتر با هم به نوعی مشکل است، زیرا آنها دارای معاوضه ذاتی هستند.»
اگر حباب های زیادی روی سطح جوش داشته باشیم، به این معنی است که جوشاندن بسیار کارآمد است، اما اگر حباب های زیادی روی سطح داشته باشیم، می توانند با هم ترکیب شوند و یک لایه بخار روی سطح جوش ایجاد کند.
انواع جدید اصلاح سطح
هر لایه بخار بین سطح داغ و آب مقاومت ایجاد می کند و راندمان انتقال حرارت و مقدار CHF را کاهش می دهد. برای درک بیشتر این موضوع، محققان سه نوع مختلف اصلاح سطح را ابداع کردند.
ابتدا یک سری لوله در مقیاس میکرو اضافه می شود. این مجموعه از لوله‌های ۱۰ میکرومتری، با فاصله حدود ۲ میلی‌متر، تشکیل حباب را کنترل می‌کند و حباب‌ها را به حفره‌ها چسبانده نگه می‌دارد. این کار از تشکیل لایه بخار جلوگیری می کند.
در عین حال، غلظت حباب ها را در سطح کاهش می دهد و از راندمان جوش می کاهد. برای مقابله با آن، محققان یک راهکار حتی در مقیاس کوچکتر را به عنوان اصلاح دوم معرفی کرده و برجستگی ها و برآمدگی‌ها را به اندازه نانومتر در سطح لوله های توخالی افزودند. این کار سطح موجود را افزایش می دهد و سرعت تبخیر را بیشتر می کند.
در نهایت، حفره‌های ریزمقیاس در مرکز مجموعه‌ای از ستون‌ها روی سطح ماده قرار گرفتند. این ستون‌ها با افزودن سطح بیشتر، فرآیند برداشت مایع را سرعت می‌بخشند. در ترکیب، راندمان جوش به طور قابل توجهی افزایش می یابد.
از آنجایی که نانوساختارها تبخیر را در زیر حباب‌ها نیز افزایش می‌دهند، و ستون‌ها منبع ثابتی از مایع را به پایه حباب نگه می‌دارند، می‌توان لایه‌ای از آب را بین سطح در حال جوش و حباب‌ها حفظ کرد و حداکثر شار گرما را افزایش داد.
اجرایی کردن در مقیاس بزرگتر
مهندس مکانیک Evelyn Wang از موسسه فناوری ماساچوست می‌گوید:
« اینکه نشان دهیم می‌توانیم سطح را از این طریق کنترل کنیم تا پیشرفت نماییم، اولین قدم است. سپس گام بعدی این است که به رویکردهای مقیاس پذیرتر فکر کنیم. این نوع ساختارهایی که ما می سازیم قرار نیست به شکل کنونی خود مقیاس شوند.»
انجام کار از یک محیط آزمایشگاهی در مقیاس کوچک به چیزی که می تواند در صنایع تجاری استفاده شود آنقدرها هم ساده نیست، اما محققان مطمئن هستند که می توان آن را انجام داد.
یکی از چالش‌ها این است که راه‌هایی برای ایجاد بافت‌های سطحی و سه “سطح” اصلاحات پیدا کنند. خبر خوب این است که رویکردهای مختلفی وجود دارد که می‌توان آنها را بررسی کرد و این روش باید برای انواع مختلف مایعات نیز کارساز باشد.
سانگ می گوید:
«این نوع جزئیات را می توان تغییر داد و این می تواند قدم بعدی ما باشد.»
بدون نظر