Wetenschappers hebben een manier gevonden om energie te besparen en water efficiënter te koken

Water wordt veel gekookt – of het nu gaat om een ​​kopje thee dat in de keuken of in de energiecentrale wordt gezet. Eventuele verbeteringen in de efficiëntie van dit proces zullen een aanzienlijke impact hebben op de totale hoeveelheid energie die er elke dag voor wordt gebruikt.

Een dergelijke verbetering zou kunnen komen met een nieuw ontwikkelde behandeling van oppervlakken die worden gebruikt voor het verwarmen en verdampen van water. Verwerking verbetert twee belangrijke parameters die het kookproces bepalen: de warmteoverdrachtscoëfficiënt (HTC) en de kritische warmtestroom (CHF).

Meestal is er een afweging tussen de twee – hoe beter de een, hoe slechter de ander. Na jaren zoeken heeft de zoekterm achter deze techniek een manier gevonden om beide te verbeteren.

“Beide parameters zijn belangrijk, maar het is een beetje moeilijk om beide parameters samen te optimaliseren omdat ze een intrinsieke wisselwerking hebben,” Bioinformatica-wetenschapper Yongsap Song zegt: Van het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië.

“Als we veel bellen op het kookoppervlak hebben, dan is het koken heel efficiënt, maar als we te veel bellen op het oppervlak hebben, kunnen ze samensmelten, wat een damplaag boven het kookoppervlak zou kunnen vormen.”

Elke dampfilm tussen het hete oppervlak en het water biedt weerstand, wat de efficiëntie van de warmteoverdracht en de CHF-waarde vermindert. Om dit probleem te omzeilen, bedachten de onderzoekers drie verschillende soorten oppervlaktemodificatie.

Eerst wordt een reeks microtubuli toegevoegd. Deze groep buizen met een breedte van 10 µm, met een onderlinge afstand van ongeveer 2 mm, regelt de vorming van bellen en houdt de bellen vast in de holtes. Dit voorkomt dat er een dampfilm ontstaat.

Tegelijkertijd vermindert het de concentratie van bellen op het oppervlak, wat de kookefficiëntie vermindert. Om dit aan te pakken, introduceerden de onderzoekers een kleinschaligere behandeling als een tweede wijziging, waarbij alleen uitsteeksels en randen ter grootte van een nanometer aan het oppervlak van de holle buizen werden toegevoegd. Dit vergroot het beschikbare oppervlak en verbetert de verdampingssnelheid.

Ten slotte werden microholtes geplaatst in het midden van een reeks kolommen op het oppervlak van het materiaal. Deze pluimen versnellen het vloeistofonttrekkingsproces door meer oppervlakte toe te voegen. Gecombineerd neemt het kookrendement aanzienlijk toe.

(Song et al.)

Boven: Een video die door de onderzoekers werd vertraagd, laat zien hoe water kookt op een speciaal behandeld oppervlak, waardoor er bellen ontstaan ​​op specifieke afzonderlijke punten.

Omdat de nanostructuren ook de verdamping onder de bellen bevorderen en de kolommen een constante toevoer van vloeistof naar de basis van de bel handhaven, kan een laag water worden gehandhaafd tussen het kookoppervlak en de bellen, wat een maximale warmtestroom bevordert.

“Het aantonen van ons vermogen om het oppervlak op deze manier te manipuleren om optimalisatie te krijgen, is de eerste stap”, Mechanisch ingenieur Evelyn Wang zegt: van het Massachusetts Institute of Technology. “Dan is de volgende stap om meer schaalbare benaderingen te bedenken.”

“Dit soort structuren die we maken, zijn niet bedoeld om in hun huidige vorm te schalen.”

Het verplaatsen van werk van een kleinschalig laboratorium naar iets dat in commerciële industrieën kan worden gebruikt, zal niet erg eenvoudig zijn, maar de onderzoekers zijn ervan overtuigd dat het kan worden gedaan.

Een uitdaging is het vinden van manieren om de oppervlaktetextuur en de drie “niveaus” van aanpassingen te creëren. Het goede nieuws is dat er verschillende methoden zijn die kunnen worden onderzocht, en de procedure zou ook voor verschillende soorten vloeistoffen moeten werken.

“Dit soort details kunnen worden gewijzigd, en dat zou onze volgende stap kunnen zijn,” gezongen zegt.

De zoekopdracht is gepubliceerd in geavanceerde materialen.