对纹理表面和沸水的研究有利于植物安全

从发电厂的运作到化学处理和海水淡化，水的沸腾是许多工业过程的核心。然而，人们对高温表面上发生的事情的细节了解甚少，因此意外的热点有时会融化昂贵的设备并使工厂瘫痪。

麻省理工学院的研究人员已经了解了导致这种极端加热的原因——当临界热流(CHF)超过一个值时就会发生这种情况——以及如何预防它。他们说，新的见解可能会使发电厂在更高的温度下运行，从而显著提高整体效率。

这一发现发表在《自然通讯》杂志上，由机械工程博士后Navdeep Singh Dhillon、核科学与工程教授Jacopo Buongiorno和机械工程副教授Kripa Varanasi共同撰写。

瓦拉纳西说:“全球大约85%的电力安装依赖于蒸汽发电机，在美国这一比例为90%。”“如果能改进产生蒸汽的沸腾过程，就能提高发电厂的整体效率。”

任何曾经在炉子上烧水的人都熟悉沸腾时的蒸汽气泡，但事实证明，这种气泡限制了能源效率。这是因为气体——无论是空气还是水蒸气——是高度绝缘的，而水是很好的吸热剂。所以在一个热的表面上，气泡覆盖的面积越多，热量传递的效率就越低。

瓦拉纳西说，如果这些气泡在一个给定的点上停留太长时间，就会显著提高下面金属的温度，因为热量传递得不够快，可能会熔化部分金属。

迪隆说:“这肯定会损坏工业锅炉，对核电站或化学处理装置来说，这可能是灾难性的。”当一层气泡限制传热时，“局部温度会升高几千度”——这一现象被称为“沸腾危机”。

为了避免超过CHF，发电厂通常在比正常情况下更低的温度下运行，这限制了它们的效率和功率输出。使用纹理表面已经被认为是有帮助的，但还不知道为什么，或者最佳纹理可能是什么。

与主流观点相反，研究表明，更多的纹理并不总是更好。麻省理工学院团队的实验同时使用了高速光学和红外成像的沸腾过程，显示了在一定程度的表面纹理上的最大效益;研究小组说，准确了解这个最大值的位置及其背后的物理原理是改进锅炉系统的关键。

Buongiorno说:“真正缺少的是对纹理表面所能提供的具体机制的理解。”研究指出了液体中毛细力和粘性力之间平衡的重要性。

瓦拉纳西说:“当气泡开始离开表面时，周围的液体需要在气泡下方干热点的温度超过临界值之前重新湿润表面。”这需要理解液体在表面结构中的流动及其与下垫表面的热相互作用之间的耦合。

瓦拉纳西说:“如果有什么东西可以增强热量传递，那就可以提高发电厂的运营利润率。”这一过程将允许它在更高的温度下安全运行。

通过提高工厂的整体效率，有可能减少排放:“你可以用更少的燃料产生相同数量的蒸汽，”迪隆说。与此同时，通过降低过热和灾难性锅炉故障的风险，工厂的安全性得到了提高。

这项研究得到了雪佛龙公司、科威特-麻省理工学院自然资源和环境中心以及机械工程系夏皮罗奖学金的支持。研究中使用的微纳米结构表面是在Microsystems Technologies Labrotary (MTL)和哈佛CNS制造的。

麻省理工学院

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程，cvavra@cfemedia.com．看到额外的能源和电力故事．

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