10.07.2008

Новое нанопокрытие ускоряет закипание воды в котле

Учёные из политехнического института Ренселлера (Rensselaer Polytechnic Institute) обнаружили, что добавление невидимого нанопокрытия ко дну металлической ёмкости с водой более чем на порядок увеличивает эффективность такого "горшка" в деле доведения жидкости до кипения.

"Как и многие другие достижения в области наноматериалов, наше открытие было полностью неожиданным, — заявил лидер группы исследователей Никхил Кораткар (Nikhil A. Koratkar). — Увеличенная эффективность кипения, кажется, есть результат интересного взаимодействия между поверхностями обработанного металла в микро— и наномасштабе".

Что же сделали экспериментаторы? Как сказано в пресс-релизе института, они разместили на поверхности сосуда лес из наностержней, выполненных из меди. Дно в данном случае тоже было медным.

Кажется, что эффективность нагрева воды в таком сосуде растёт благодаря кардинальному увеличению площади поверхности дна (сходный приём, кстати, позволил поднять эффективность солнечных батарей и создать покрытие, отражающее всего 0,1% падающего света). Однако главный эффект тут заключается совсем в другом.

Кипение, то есть изменение фазы при переходе от жидкости к пару, требует наличия интерфейса между H2O и воздухом. В горшке существуют две таких границы: наверху, где вода соприкасается с воздухом в комнате, и в основании, где вода может найти крошечные пузыри воздуха, пойманного в ловушку в микротрещинках и прочих дефектах поверхности металлического дна.

Даже когда большая часть воды в обычном котле достигает температуры 100 градусов Цельсия, она не может кипеть, потому что в глубине нет никакой границы с воздухом, который мог бы облегчить воде изменение фазы. Лишь микродефекты металла позволяют начать "цепную реакцию" формирования пузырьков пара.

Именно такой интерфейс воздух/вода обеспечивает дно, покрытое мириадами наностержней. В их "путанице" воздух первоначально попадает в ловушку. После заполнения сосуда водой и доведения её до температуры кипения, этот воздух постоянно пополняет собой воздушные же микрокарманы на поверхности дна, то есть те точки, в которых и происходит начальная генерация микропузырьков, заполняемых паром и устремляющихся к поверхности воды.

В случае обычного котла после всплывания первого пузырька данная конкретная точка дна (скажем, микроямка) заполняется водой и больше пар не генерирует. Нанолес из медных стерженьков предотвращает затопление таких важных точек, потому парообразование идёт непрерывно, а сосуд с новым покрытием генерирует большое количество пузырьков пара по всей поверхности дна и с высоким темпом.

Кораткар подчёркивает, что открытое явление по сути представляет собой синергетический эффект: ни микро-, ни наноструктура дна по отдельности не могут обеспечить сильное кипение жидкости. Нанолес слишком мал, чтобы служить хорошим генератором начальных пузырьков, а микрорельеф дна может неплохо выдавать пар, но быстро заполняется окружающей водой.

Зато, работая совместно, эти две разные по масштабу структуры выдают потрясающий результат: с новым покрытием активность и плотность образования пузырьков, по словам учёных, выросла в 30 раз против сосуда с медным же дном обычного типа.

Увеличение эффективности парообразования может пригодиться в массе устройств: от необычных систем охлаждения микросхем до крупного промышленного оборудования. Котлы с обработанным дном могут снизить затраты предприятия, поскольку способны на порядок сократить время, необходимое для доведения воды до кипения. Правда, о возможных способах нанесения нанолеса на действительно крупные поверхности учёные пока ничего не говорят.

Источники:

1. MEMBRANA