Благодаря микро- и наноструктурированию поверхности нагревательного элемента вода нагревается быстрее, а потребление энергии на кипячение снижается.
Для приготовления любимого горячего напитка каждый день несколько раз включается чайник для подогрева воды. Электрочайники используют для этого металлический нагревательный элемент в форме спирали или диска мощностью несколько киловатт. Вода нагревается медленно из-за высокой теплоемкости и требует много энергии, поэтому работающие чайники относятся к самым «прожорливым» видам бытовой техники.
Вскоре возможно потреблять существенно меньше. Физики из Массачусетского технологического института (MIT) разработали структурирование поверхности нагревательного элемента, которое ускоряет и облегчает закипание воды. Об этом профессор Эвелин Вонг и ее соавторы пишут в… статье, опубликованной в журнале Advanced Materials. Коротко о работе рассказывает пресс-служба MIT.
При нагревании воды в емкости на дне появляются паровые пузырьки, количество которых увеличивается сближаясь с точкой кипения.
Однако слишком близкое расположение пузырьков образует плотный слой газа, снижающий передачу тепла от нагревателя к жидкости. Эвелин Вонг и ее коллеги решили бороться с этим эффектом, структурировав поверхность нагревателя для усиления формирования пузырьков и предотвращения появления изолирующего слоя.
Новая структура основана на массиве углублений шириной 10 микрон, расположенных в два миллиметра друг от друга на небольших возвышениях. Возвышения направляют нагретую воду от дна к углублениям, формируя непрерывный ток жидкости, который быстро переносит тепло вверх. Углубления облегчают образование пузырьков и фиксируют их, не позволяя сливаться. На более мелком масштабе структуры покрыты нанометровыми неровностями, увеличивающими площадь поверхности нагревателя.
В ходе лабораторных экспериментов с таким структурированным нагревателем выяснилось, что коэффициент теплопередачи практически в четыре раза превышает показатель обычных материалов. Критический тепловой поток, отражающий газообразование при нагревании, также оказывается почти в полтора раза выше.
Эта эффективность поможет существенно сэкономить энергию во множестве применений, где требуется кипение, утверждают учёные. важно, например, и для работы паровых турбин.