부엌이나 발전소에서 끓인 차 한 잔이든 물은 많이 끓입니다. 이 프로세스의 효율성이 향상되면 매일 사용되는 총 에너지 양에 상당한 영향을 미칩니다.
이러한 개선 사항 중 하나는 물 가열 및 증발에 사용되는 새로 개발된 표면 처리와 함께 제공될 수 있습니다. 처리는 끓는 과정을 정의하는 두 가지 주요 매개변수인 열 전달 계수(HTC)와 임계 열 흐름(CHF)을 개선합니다.
대부분의 경우 둘 사이에는 트레이드 오프가 있습니다. 더 좋은 쪽이 더 나쁠수록 다른 쪽은 더 나쁩니다. 수년간의 검색 끝에 이 기술 뒤에 있는 검색어가 두 가지를 모두 향상시키는 방법을 찾았습니다.
“두 매개변수 모두 중요하지만 두 매개변수를 함께 최적화하는 것은 본질적인 절충안이 있기 때문에 다소 어렵습니다.” 생물정보과학자 송용섭은 말한다. 캘리포니아 로렌스 버클리 국립 연구소에서.
“끓는 표면에 거품이 많으면 끓는 것이 매우 효율적이지만 표면에 거품이 너무 많으면 서로 융합되어 끓는 표면 위에 증기층을 형성할 수 있습니다.”
뜨거운 표면과 물 사이의 모든 증기막은 저항을 나타내어 열 전달 효율과 CHF 값을 감소시킵니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구원들은 세 가지 유형의 표면 수정을 고안했습니다.
먼저 일련의 미세소관이 추가됩니다. 약 2mm 간격으로 10μm 너비의 이 튜브 그룹은 기포 형성을 제어하고 기포가 공동에 고정되도록 합니다. 이것은 증기막이 형성되는 것을 방지합니다.
동시에 표면의 기포 농도를 줄여 끓는 효율을 떨어뜨립니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 중공 튜브의 표면 내에 나노미터 크기의 돌출부와 가장자리만 추가하는 두 번째 수정으로 소규모 처리를 도입했습니다. 이것은 사용 가능한 표면적을 증가시키고 증발 속도를 향상시킵니다.
마지막으로 재료 표면의 일련의 기둥 중앙에 미세 공동을 배치했습니다. 이러한 기둥은 더 많은 표면적을 추가하여 유체 회수 과정을 가속화합니다. 결합하면 끓는 효율이 크게 증가합니다.
위: 연구원들이 속도를 늦춘 비디오는 특수 처리된 표면에서 끓는 물이 특정 개별 지점에서 기포를 형성하는 것을 보여줍니다.
나노 구조는 또한 기포 아래에서 증발을 촉진하고 기둥이 기포 바닥에 액체를 일정하게 공급하기 때문에 끓는 표면과 기포 사이에 물 층이 유지되어 최대 열 흐름을 촉진할 수 있습니다.
“최적화를 달성하기 위해 이러한 방식으로 표면을 조작하는 능력을 입증하는 것이 첫 번째 단계입니다.” 기계 엔지니어 Evelyn Wang은 다음과 같이 말합니다. 매사추세츠 공과 대학에서. “그런 다음 다음 단계는 더 확장 가능한 접근 방식을 생각하는 것입니다.”
“우리가 만드는 이러한 유형의 구조는 현재 형태로 확장하기 위한 것이 아닙니다.”
소규모 연구실에서 상업 산업에서 사용할 수 있는 것으로 작업을 옮기는 것은 그리 쉬운 일이 아니지만 연구원들은 할 수 있다고 확신합니다.
한 가지 문제는 표면 질감과 “세 가지 수준”의 조정을 만드는 방법을 찾는 것입니다. 좋은 소식은 탐색할 수 있는 다양한 방법이 있으며 이 절차는 다양한 유형의 유체에도 적용되어야 한다는 것입니다.
“이러한 종류의 세부 사항은 변경할 수 있으며 그것이 우리의 다음 단계가 될 수 있습니다.” 성 말한다.
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