وجد العلماء طريقة لتوفير الطاقة وغلي الماء بكفاءة أكبر

يتم غلي الماء كثيرًا – سواء كان كوبًا من الشاي يتم تخميره في المطبخ أو في محطة توليد الكهرباء. أي تحسينات في كفاءة هذه العملية سيكون لها تأثير كبير على الكمية الإجمالية للطاقة المستخدمة لها كل يوم.

يمكن أن يأتي أحد هذه التحسينات مع معالجة مطورة حديثًا للأسطح المستخدمة في تسخين المياه وتبخيرها. تحسن المعالجة معلمتين رئيسيتين تحددان عملية الغليان: معامل نقل الحرارة (HTC) وتدفق الحرارة الحرج (CHF).

في معظم الأوقات ، هناك مفاضلة بين الاثنين – كلما تحسن أحدهما ، ساء الآخر. بعد سنوات من البحث ، وجد مصطلح البحث وراء هذه التقنية طريقة لتعزيز كليهما.

“كلتا المعلمتين مهمتان ، ولكن تحسين كلا المعلمتين معًا يعد نوعًا من الصعوبة لأن لهما مقايضة جوهرية ،” يقول عالم المعلوماتية الحيوية يونجساب سونج من مختبر لورانس بيركلي الوطني في كاليفورنيا.

“إذا كان لدينا الكثير من الفقاعات على سطح الغليان ، فهذا يعني أن الغليان فعال للغاية ، ولكن إذا كان لدينا عدد كبير جدًا من الفقاعات على السطح ، فيمكن أن تتحد معًا ، مما قد يشكل طبقة بخار فوق سطح الغليان.”

أي فيلم بخار بين السطح الساخن والماء يقدم مقاومة ، مما يقلل من كفاءة نقل الحرارة وقيمة CHF. للتغلب على هذه المشكلة ، ابتكر الباحثون ثلاثة أنواع مختلفة من تعديل السطح.

أولاً ، يتم إضافة سلسلة من الأنابيب الدقيقة. هذه المجموعة من الأنابيب التي يبلغ عرضها 10 ميكرومتر ، والتي تفصل بينها مسافة 2 ملم تقريبًا ، تتحكم في تكوين الفقاعات وتحافظ على الفقاعات مثبتة في التجاويف. هذا يمنع غشاء بخار من التكون.

في الوقت نفسه ، يقلل من تركيز الفقاعات على السطح ، مما يقلل من كفاءة الغليان. ولمعالجة ذلك ، قدم الباحثون علاجًا على نطاق أصغر كتعديل ثانٍ ، بإضافة نتوءات وحواف بحجم نانومتر فقط داخل سطح الأنابيب المجوفة. هذا يزيد من مساحة السطح المتاحة ويعزز معدلات التبخر.

أخيرًا ، تم وضع التجاويف الدقيقة في وسط سلسلة من الأعمدة على سطح المادة. تعمل هذه الأعمدة على تسريع عملية سحب السائل عن طريق إضافة المزيد من مساحة السطح. مجتمعة ، تزداد كفاءة الغليان بشكل كبير.

(سونغ وآخرون.)

أعلاه: مقطع فيديو تم تباطؤه لإعداد الباحثين يُظهر غليان الماء على سطح مُعالج بشكل خاص مما يتسبب في تكوين فقاعات في نقاط منفصلة محددة.

نظرًا لأن الهياكل النانوية تعمل أيضًا على تعزيز التبخر تحت الفقاعات ، وتحافظ الأعمدة على إمداد ثابت من السائل إلى قاعدة الفقاعة ، يمكن الحفاظ على طبقة من الماء بين سطح الغليان والفقاعات – مما يعزز الحد الأقصى لتدفق الحرارة.

“إن إظهار قدرتنا على التحكم في السطح بهذه الطريقة للحصول على التحسين هو الخطوة الأولى ،” يقول المهندس الميكانيكي إيفلين وانغ من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. “ثم الخطوة التالية هي التفكير في مناهج أكثر قابلية للتوسع.”

“هذه الأنواع من الهياكل التي نصنعها لا يُقصد منها أن تتوسع في شكلها الحالي.”

لن يكون نقل العمل من معمل صغير الحجم إلى شيء يمكن استخدامه في الصناعات التجارية أمرًا سهلاً للغاية ، لكن الباحثين واثقون من إمكانية القيام بذلك.

يتمثل أحد التحديات في إيجاد طرق لإنشاء نسيج السطح و “المستويات” الثلاثة من التعديلات. الخبر السار هو أن هناك طرقًا مختلفة يمكن استكشافها ، ويجب أن يعمل الإجراء مع أنواع مختلفة من السوائل أيضًا.

“يمكن تغيير هذه الأنواع من التفاصيل ، ويمكن أن تكون هذه خطوتنا التالية ،” تقول سونغ.

تم نشر البحث في مواد متطورة.