弹跳气泡促进沸腾

一种新型表面利用微小间隙增强气泡形成以传递热量

Close-up image of water with bubbles.

Vsevolod Vlasenko/Getty 图片社

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在沸水中上升的气泡是大自然将表面多余热量带走的最佳工具之一。现在有更好的沸腾方法:制造更小、更快的成对工作的气泡。

这不会帮助你更快地泡一杯茶。但是,弗吉尼亚理工大学工程师乔纳森·博雷科和他的同事们为了产生这些特殊气泡而创造的一种新型微结构表面,可能有助于提高数据中心和发电厂液体冷却系统中的热传递效率。

当液体在金属容器中被加热时,浮力气泡不规则地在容器光滑的底表面形成,并在直径达到几毫米时脱离,然后上升并以蒸汽形式释放热量。博雷科发现,在沸腾室底部排列着直径 80 微米的空腔和 40 微米宽的凹槽,为气泡提供了特定的形成和生长位置,从而产生更小、更紧密排列的气泡,每个气泡都迅速与附近的邻居聚结。表面能量的变化导致这些微小的气泡对突然释放,快速开始上升,并为热传递提供更多更频繁的载体。


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该设计在先进功能材料中描述,也解决了高温沸腾中的一个问题:相对较大的气泡经常在受热表面形成蒸汽膜,从而隔热并导致表面“干涸”。达拉斯德克萨斯大学研究能源系统表面设计的机械工程师戴贤明说:“这种创新的跳跃气泡机制有望有效防止干涸并促进热传递。”

博雷科表示,“跳跃气泡的好处在于,它们可以通过相对较大的微结构来实现”,这些微结构比更精细的纳米结构更耐用。堪萨斯州立大学微流体工程师艾米·贝茨说,这种图案可能很容易在各种材料上冲压或 3D 打印。“它可能对热交换器、锅炉和电子设备冷却产生深远的影响,”她补充道。

不过,加州大学伯克利分校从事高温热存储研究的苏冠宇提醒说,这项技术尚未为工业应用做好准备。他同意增加气泡脱离可以帮助在沸腾过程中传递更多热量。“但是多少呢?这仍有待衡量,”苏说。

Rachel Berkowitz 是一位自由科学作家,也是Physics Magazine的特约编辑。她常驻不列颠哥伦比亚省温哥华和华盛顿州伊斯特桑德。

更多作者:Rachel Berkowitz
大众科学 Magazine Vol 330 Issue 3本文最初以“双气泡”为标题发表于《大众科学》杂志第 330 卷第 3 期(),第 17 页
doi:10.1038/scientificamerican0324-17
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