水或其他液体的沸腾是一个大量消耗能源的过程，是大部分工业过程的核心，包括大多数发电站、化学生产系统，甚至电子产品的冷却系统。
提高加热和蒸发系统的效率可以大大减少能源消耗。近期，麻省理工学院的研究人员已经找到了一种方法，对沸腾系统中使用的材料进行专门的表面处理来实现这一点。
沸腾效率的提高来自于在不同尺寸尺度上的三种不同的表面改性的组合。麻省理工学院Youngsup Song博士、福特工程学院Evelyn Wang教授和麻省理工学院的其他四位研究人员在《先进材料》杂志上描述了这一新发现。研究人员指出，这一初步发现仍处于实验室规模，需要更多的工作来达到实用和工业化。
有两个描述沸腾过程的关键参数：传热系数（HTC）和临界热流（CHF）。在材料设计中，这两个参数之间通常有一个权衡，因此任何改善其中一个参数的做法往往会使另一个参数变得更糟。但这两者对系统的效率都很重要，经过多年的工作，他们在材料表面添加不同的纹理的组合，实现了同时大幅改善这两种特性的方法。
"这两个参数都很重要，"Youngsup Song博士表示，"但同时增强这两个参数有点棘手，因为它们有内在的竞争作用。" 他解释说，原因是 "如果在沸腾的表面有很多气泡，这意味着沸腾是非常有效的，但如果沸腾表面有太多的气泡，它们可以凝聚在一起，并在沸腾的表面形成一层蒸汽膜"。这层薄膜增加了从热表面到水的热传递阻力。"他表示："如果在热表面和水之间有水汽，那就会妨碍传热效率，降低CHF值。"
Youngsup Song博士现在是劳伦斯伯克利国家实验室的博士后，他进行的大部分研究是他在麻省理工学院的博士论文工作的一部分。虽然他开发的新的表面处理方法的各个组成部分以前已经被研究过，但研究人员说，这项工作首次表明，这些方法可以被结合起来，以克服这两个相互竞争的参数之间的权衡。
在表面上添加一系列微尺度的空洞，或凹痕，是控制气泡在该表面上形成的一种方式，可以有效地将气泡钉在凹痕位置上，并防止气泡扩散成耐热膜。在这项工作中，研究人员创建了一个由10μm宽的凹痕组成的阵列，中间相隔约2mm，以防止形成薄膜。但是这种分隔的凹痕也减少了表面的气泡浓度，可能会降低沸腾效率。为了弥补这一点，研究小组引入了一个微尺度的表面处理方法，在纳米尺度上创造出微小的凸点和脊线，增加表面积并促进气泡下的蒸发速度。
在实验中，研究人员在材料表面的一系列支柱的中心形成空腔。这些柱子与纳米结构相结合，促进了液体从底部向其顶部的渗透，因而提供了更多暴露在水中的表面积而增强了沸腾过程。Youngsup Song博士表示，表面纹理的三个 "层次"-空腔分离、支柱和纳米纹理结合起来，极大提高了沸腾过程的效率。
"那些微型空腔是气泡出现的位置，"他表示。"通过将这些空腔分隔开2mm，可以将气泡分开，并尽量减少气泡的凝聚。" 同时，纳米结构促进了气泡下的蒸发，而由支柱引起的毛细作用将液体供应给气泡底部。这在沸腾的表面和蒸汽的气泡之间保持了一层液态水，因此增强了最大热通量。
Evelyn Wang教授表示，尽管他们的工作已经证实，这些表面处理的组合可以发挥作用，并达到预期的效果，但这项工作是在小规模的实验室条件下完成的，不容易扩大到实用设备。她表示："我们制作的这类结构并不是为了以目前的形式进行扩展，而是用来证明这样一个系统可以工作。下一步将是找到创建这类表面纹理的高效替代方法，以便更容易地在实际应用尺寸上进行表面处理。"
"表明我们可以通过这种方式来控制表面以获得沸腾增强效果是第一步，"她说。"然后，下一步是思考更多可扩展的方法。" 例如，尽管这些实验中表面的支柱是用生产半导体芯片常用的洁净室方法制造的，但还有其他要求较低的方法来创建这种结构，如电沉积。也有许多不同的方法来生产表面纳米结构纹理，其中一些可能更容易扩展到实际应用。
在一些重要的小规模应用中可能可以使用这种实验中的表面处理工艺，例如电子设备的热管理，随着半导体设备越来越小，管理其热量输出变得越来越重要，这个领域也变得越来越重要。"Evelyn Wang教授表示："那里肯定有应用空间，这一点很重要。
即使是这些类型的应用也需要一些时间来开发，因为通常情况下，电子产品的热管理系统使用水以外的液体，即电介质液体。这些液体具有与水不同的表面张力和其他特性，因此表面特征的尺寸必须进行相应调整。Evelyn Wang 教授表示，关于这些差异的研究工作正在进行中。
Youngsup Song 博士表示，这种多尺度结构化技术也可以应用于不同的液体，并通过调整尺寸来适应不同属性的液体。"他表示："这些表面结构的细节调整，将是我们的下一步工作。"
团队成员还包括麻省理工学院的 Carlos Diaz-Martin, Lenan Zhang, Hyeongyun Cha和 Yajing Zhao。这项工作得到了美国能源部高级能源研究计划署（ARPA-E）、空军科学研究办公室和新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟的支持，并使用了麻省理工学院的纳米设施。
来源 | 热管理行业观察编译整理
原文 | engineers design surfaces that make water boil more efficiently
