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研究人员使用小电荷来控制沸水的气泡

em麻省理工学院的科学家第一次找到了控制沸腾过程的方法。该系统可以提高发电和其他过程的效率。 / em

大部分发电厂,加热和冷却系统以及海水淡化厂的核心是沸水,沸腾的水随着水沸腾时从表面冒出来的气泡而变得沸腾。现在,麻省理工学院的研究人员第一次找到了一种方法来控制这个过程,从字面上看,只需轻轻一按电子开关即可。

该系统可以提高发电效率和其他过程,在机械工程系教授Evelyn Wang教授,研究生Jeremy Cho和最近毕业生Jordan Mizerak '14发表在Nature Communications杂志上的论文中描述。

Wang说,这种对沸腾过程的控制程度与温度无关,尽管工业过程中沸腾无处不在,但以前没有证明。已经开发了其他系统来控制使用电场的沸腾,但是这些系统需要特殊的流体而不是水,并且需要1000倍的电压,使得它们在大多数用途中经济上不切实际。

这项新功能是通过向水中添加表面活性剂来实现的 - 基本上可以制造出肥皂液。携带电荷的表面活性剂分子可以通过改变施加到金属上的电压的极性而被金属表面吸引或排斥。 Wang解释说,这将金属表面切换成亲水性和疏水性。

添加表面活性剂会使表面变得更疏水,这增加了形成气泡的成核速率。但是反转表面上的电荷会使表面变成亲水性的,并抑制气泡的形成。研究人员发现,仅仅通过切换电荷就可以使气泡形成速度发生十倍的变化。

就像雨滴形成等凝结需要“种子”,如尘埃粒子,开始成核过程一样,沸水形成的气泡也需要成核。金属表面上的微小不规则处可以提供这些成核点,但是如果表面是亲水性的,则气泡的形成受到抑制。

“整个概念依赖于这样一个事实:表面是疏水的还是亲水的会影响成核速率,”Cho说。 “如果它是亲水性的,就很难使气泡成核。”因此,通过切换极性,可以精确控制起泡率。

与其他改变金属表面润湿性的方法不同,该方法依靠在表面上创建精确种类的纳米级纹理,该系统利用金属表面上自然存在的微小不规则性,并且不需要特殊处理。

能够主动控制气泡形成的速率,从而控制金属和液体之间的热传递速率。这可以使得为发电厂或其他应用制造更高效的锅炉成为可能,因为目前的设计需要相当大的安全裕度,以避免热点可能严重损坏设备。虽然大多数此类电厂在大多数时间以稳定的速率运行,但是能够动态控制热传递率可以在从全功率上升或下降时提高其效率,并且因此更容易对它们进行实时调整输出不失效率。同样,通过控制鼓泡速率以防止热点过热,高性能电子设备的液体冷却也可以变得更加高效,该团队说。

Cho补充说,这个系统提供了“根据需要选择最佳传热曲线”的能力,而不必选择单一类型的成核行为,这种成核行为允许利润率达到预期的最高温度给定的设备。 “这可以让你瞬间选择最佳的传热速率,”他说。他说,“拥有一个能够快速响应变化的锅炉”可以为电网提供额外的灵活性。 “它给你一个额外的旋钮”来控制系统。

王说,这项工作已经证明“你可以积极修改成核率。以前没有证明这是可能的。“

Cho说,发电厂运营商对改变做出了正确的保守态度,因为人们依赖他们的产量,所以即使这个系统只需要相对较小的改变,也需要示范工厂来证明这一概念在运营规模上。但他表示,“我认为构建这样的示范并不存在任何巨大的障碍”。 “理论上说,这应该很容易,”王说,虽然只有运行一个全面的系统,才有可能证明这些好处大于安装成本。

王的团队“已经展示了一种控制沸腾现象的新方法,”罗切斯特理工学院机械工程教授Satish Kandlikar说,他没有参与这项研究。 “这种控制策略将大大改变许多应用中的传热范例,特别是在电子冷却行业来冷却热点。这种策略可以通过使用新技术的简单电控来有效应用。“

该研究得到了新加坡 - 麻省理工学院研究与技术联盟和国家科学基金会的支持。

出版物:H. Jeremy Cho,Jordan P. Mizerak&Evelyn N. Wang,“使用带电荷的表面活性剂在沸腾期间打开和关闭气泡”,Nature Communications 6,文章编号:8599; DOI:10.1038 / ncomms9599

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler