Новое нанопокрытие ускоряет закипание воды в котле.

26.09.08 | Публикации

Ученые из Политехнического института Ренселлера (Rensselaer Polytechnic Institute) обнаружили, что при добавлении невидимого нанопокрытия ко дну металлической емкости с водой более чем на порядок увеличивается эффективность такого котла в деле доведения жидкости до кипения. Это открытие поможет значительно сократить расходы промышленного отопления.

«Как и многие другие достижения в области наноматериалов наше открытие было полностью неожиданным, – заявил руководитель группы исследователей Никхил Кораткар (Nikhil A. Koratkar). – Увеличение эффективности кипения является результатом интересного взаимодействия между поверхностями обработанного металла в микро- и наномасштабе. Потенциал этого открытия обширный и захватывающий, и мы горим желанием продолжать свои разработки в этом вопросе».

Что же сделали экспериментаторы? После длительных исследований, ученые разместили на внутренней поверхности сосуда лес из наностержней, выполненных из меди. Дно в данном случае также было медным. Ученые выяснили, что эффективность нагрева воды в таком сосуде растет благодаря кардинальному увеличению площади поверхности дна (сходный прием, 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 Н2О и воздухом. В котле существуют две такие границы: вверху, где вода соприкасается с воздухом в комнате, и в основании, где вода может найти крошечные пузырьки воздуха, попавшие через микротрещины и прочие дефекты поверхности металлического дна. Даже когда большая часть воды в обычном котле достигает температуры 100°С, она не может кипеть, потому что в глубине нет никакой границы с воздухом, который мог бы облегчить жидкости 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 ее до температуры кипения, этот воздух постоянно пополняет собой воздушные 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. Нано-лес из медных стерженьков предотвращает затопление таких важных точек, потому парообразование идет непрерывно, а сосуд с новым покрытием генерирует большое количество пузырьков пара по всей поверхности дна и с высоким темпом.

Никхил Кораткар подчеркивает, 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 ученых, выросла в 30 раз против сосуда с медным дном обычного типа.

Так как кипение является основным средством теплоотдачи, которое, выпуская пар в атмосферу, отдает тепло, это новое открытие позволит этому процессу в ближайшем будущем стать значительно эффективнее и быстрее, что в свою очередь поможет промышленным предприятиям экономить средства. Увеличение эффективности парообразования благодаря исследованиям ученых снизить эксплуатационные затраты промышленного оборудования. Котлы с обработанным дном способны на порядок сократить время и энергоресурсы предприятия, необходимые для доведения воды до кипения. Правда, о возможных способах нанесения нанолеса на действительно крупные поверхности ученые пока ничего не говорят.

Для справки: Политехнический институт Ренселлера, основанный в 1824 году, – одно из старейших высших учебных заведений на Восточном побережье США, которое готовит научных специалистов в различных отраслях. Институт известен во всем мире благодаря многочисленным исследованиям в области нанотехнологий, биотехнологий, информационных технологий.

По материалама ж-ла «СОК»