麻省理工學(xué)院開發(fā)了一種高效節(jié)能的水蒸發(fā)方法

許多工業(yè)過(guò)程，包括大多數(shù)發(fā)電、化學(xué)品生產(chǎn)、甚至電子設(shè)備的冷卻，將水或其他液體蒸發(fā)是一個(gè)極其耗能的過(guò)程。通過(guò)提高加熱和蒸發(fā)系統(tǒng)的效率或許能顯著減少能耗，基于此思路，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)蒸發(fā)系統(tǒng)使用的材料表面進(jìn)行特殊處理可實(shí)現(xiàn)此效果。按照尺度大小，表面處理分為3種，通過(guò)共同作用來(lái)提高蒸發(fā)效率。

傳熱系數(shù)(HTC)和臨界熱流密度(CHF)是描述蒸發(fā)過(guò)程的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在材料設(shè)計(jì)時(shí)，這兩者之間通常需要權(quán)衡，一個(gè)參數(shù)變好意味著另一個(gè)則會(huì)變差。MIT科學(xué)家團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的研究，通過(guò)將不同的紋理組合到材料表面，目前實(shí)現(xiàn)了兩種性能同時(shí)提高。由于彼此相互制約，同時(shí)提高這兩個(gè)參數(shù)有些棘手，原因在于：如果在沸騰的表面有很多氣泡，則意味著蒸發(fā)非常有效，但如果表面氣泡太多，就會(huì)合并成大氣泡，會(huì)在沸騰的表面上形成一層蒸汽膜。這層汽膜不利于表面到水的熱傳遞，表面和水之間的水蒸氣會(huì)阻礙傳熱，導(dǎo)致CHF降低。

雖然新開發(fā)的這種表面處理中用到的各種方法之前都研究過(guò)，但研究人員表示，這項(xiàng)研究工作首次證明，通過(guò)將這些方法結(jié)合起來(lái)，這兩個(gè)相互制約參數(shù)之間的平衡會(huì)被打破。在表面上增加一系列微孔或凹痕，可控制氣泡在表面的形成方式，可有效地將氣泡固定在凹痕的位置，防止它們擴(kuò)散成隔熱層。在這項(xiàng)研究工作中，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)10 μm寬凹痕的矩陣，凹痕彼此間距約為2 mm，防止汽膜形成。但這一間距也會(huì)降低表面氣泡的濃度，從而降低蒸發(fā)效率。為了加以彌補(bǔ)，該團(tuán)隊(duì)引入了一種更小尺度的表面處理方法，通過(guò)在材料表面制造出納米隆起增加表面積，由此提高氣泡下的蒸發(fā)速率。

試驗(yàn)中，凹痕(或者叫微孔)位于材料表面柱狀凸起的中心，這些凸起與納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，通過(guò)毛細(xì)作用促使液體從底部流向頂部，并且通過(guò)增加與水的接觸面強(qiáng)化沸騰過(guò)程。表面結(jié)構(gòu)有3個(gè)“層次”，即間隔的凹痕、柱狀凸起和納米紋理，作為一個(gè)整體，大大提高了蒸發(fā)效率。這些凹痕限定了氣泡出現(xiàn)的位置，凹痕間相隔2 mm實(shí)現(xiàn)了氣泡分離，減少了氣泡合并。同時(shí)，納米結(jié)構(gòu)促進(jìn)了氣泡下的蒸發(fā)，凸起產(chǎn)生的毛細(xì)作用可讓液體進(jìn)入氣泡底部，這樣就會(huì)在蒸發(fā)表面和氣泡之間形成一層液態(tài)水，從而提高熱流密度。

該項(xiàng)研究工作發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上。研究人員強(qiáng)調(diào)，該發(fā)現(xiàn)仍處于小試階段，還需要開展更多工作去開發(fā)實(shí)用的工業(yè)過(guò)程。