麻省理工学院开发了一种高效节能的水蒸发方法

许多工业过程，包括大多数发电、化学品生产、甚至电子设备的冷却，将水或其他液体蒸发是一个极其耗能的过程。通过提高加热和蒸发系统的效率或许能显著减少能耗，基于此思路，麻省理工学院(MIT)的研究人员发现，通过对蒸发系统使用的材料表面进行特殊处理可实现此效果。按照尺度大小，表面处理分为3种，通过共同作用来提高蒸发效率。

传热系数(HTC)和临界热流密度(CHF)是描述蒸发过程的两个关键参数。在材料设计时，这两者之间通常需要权衡，一个参数变好意味着另一个则会变差。MIT科学家团队经过多年的研究，通过将不同的纹理组合到材料表面，目前实现了两种性能同时提高。由于彼此相互制约，同时提高这两个参数有些棘手，原因在于：如果在沸腾的表面有很多气泡，则意味着蒸发非常有效，但如果表面气泡太多，就会合并成大气泡，会在沸腾的表面上形成一层蒸汽膜。这层汽膜不利于表面到水的热传递，表面和水之间的水蒸气会阻碍传热，导致CHF降低。

虽然新开发的这种表面处理中用到的各种方法之前都研究过，但研究人员表示，这项研究工作首次证明，通过将这些方法结合起来，这两个相互制约参数之间的平衡会被打破。在表面上增加一系列微孔或凹痕，可控制气泡在表面的形成方式，可有效地将气泡固定在凹痕的位置，防止它们扩散成隔热层。在这项研究工作中，研究人员创建了一个10 μm宽凹痕的矩阵，凹痕彼此间距约为2 mm，防止汽膜形成。但这一间距也会降低表面气泡的浓度，从而降低蒸发效率。为了加以弥补，该团队引入了一种更小尺度的表面处理方法，通过在材料表面制造出纳米隆起增加表面积，由此提高气泡下的蒸发速率。

试验中，凹痕(或者叫微孔)位于材料表面柱状凸起的中心，这些凸起与纳米结构相结合，通过毛细作用促使液体从底部流向顶部，并且通过增加与水的接触面强化沸腾过程。表面结构有3个“层次”，即间隔的凹痕、柱状凸起和纳米纹理，作为一个整体，大大提高了蒸发效率。这些凹痕限定了气泡出现的位置，凹痕间相隔2 mm实现了气泡分离，减少了气泡合并。同时，纳米结构促进了气泡下的蒸发，凸起产生的毛细作用可让液体进入气泡底部，这样就会在蒸发表面和气泡之间形成一层液态水，从而提高热流密度。

该项研究工作发表在《Advanced Materials》期刊上。研究人员强调，该发现仍处于小试阶段，还需要开展更多工作去开发实用的工业过程。