Образование пузырьков в кипящей воде можно контролировать
Кипячение воды, сопровождающееся образованием пузырьков, двигающихся к поверхности, — процесс, лежащий в основе множество технологий: электростанций, систем отопления и охлаждения, опреснительных установок. Теперь учёным впервые удалось выявить способ контролировать возникновение этих пузырьков в буквальном смысле одним щелчком электрического выключателя.
Система, которая может повысить эффективность производства электроэнергии и других процессов была создана сотрудниками Массачусетского технического института: профессором Эвелин Ван (Evelyn Wang), аспирантом Джереми Чо (Jeremy Cho) и выпускником 2014 года Джорданом Мизераком (Jordan Mizerak).
"Степень контролируемости процесса кипения зависит от температуры, – комментирует Ван. – Предыдущие системы были разработаны для управления кипением посредством электрических полей, но им требовалась особая жидкость (не вода) и в тысячу раз более высокие напряжения. Это делало их экономически нецелесообразными для практического применения".
Новый способ основан на добавлении поверхностно-активных веществ (ПАВ) в воду. По сути, учёные создают мыльную жидкость. Молекулы ПАВ, которые несут электрический заряд, могут притягиваться или отталкиваться от металлической поверхности, в зависимости от того, какая полярность напряжения, приложенного к металлу, используется. Соответственно, такой подход может делать металлическую поверхность гидрофильной или гидрофобной.
Добавление ПАВ приводит к тому, что поверхность становится более гидрофобной, что увеличивает скорость нуклеации и образования пузырьков. Изменение заряда металлической поверхности делает её гидрофильной и ингибирует образование пузырьков.
Исследователи обнаружили, что они могут достигать десятикратного изменения в скорости образования пузырьков, просто переключая заряд.
Напомним, что для образования капель требуется некое ядро, например, частица пыли, которая инициирует образование капли во влажном воздухе. Точно также и для образования пузырьков в кипятке необходимы некие ядра. Обычно в их роли выступают крошечные неровности на поверхности металла. Если же поверхность является гидрофильной, то пузырьки не формируются.
Центральная идея концепции группы Ван — контроль скорости образования пузырьков посредством переключения полярности металлической поверхности.
В отличие от других подходов к модификации смачиваемости металлических поверхностей, которые полагаются на различные наноразмерные структуры, эта система базируется на крошечных неровностях, естественно существующих на металлической поверхности и не требующих дополнительной обработки.
Возможность контролировать скорость образования пузырьков, в свою очередь, позволяет контролировать скорость теплопереноса между металлом и жидкостью. То есть имеет практическое применение, например, может лечь в основу более эффективных котлов электростанций.
По словам Чо, данная система позволяет выбрать наилучшие параметры теплоотдачи по мере необходимости в тот или иной момент времени.
Группа из MIT подчёркивает, что система требует лишь относительно небольших изменений в существующих технологиях. Это очень важно, так как энергетики в большинстве своём консервативны и не любят радикальные инновации.
В дальнейшем инженеры планируют с помощью демонстрации показать, что выгоды от усовершенствования будут превышать затраты.
