Die Gestaltung der Wärmetauscheroberfläche könnte die Effizienz verbessern

USA: Forscher am MIT behaupten, mit einer speziell abgestimmten Oberflächenbehandlung für Wärmetauschermaterialien einen Weg gefunden zu haben, die Effizienz von Systemen zu verbessern.

Die derzeit noch im Labormaßstab durchgeführte Forschung umfasst eine Kombination von drei verschiedenen Arten von Oberflächenmodifikationen auf unterschiedlichen Größenskalen. Die Forscher geben jedoch zu, dass noch mehr Arbeit erforderlich ist, um einen praktischen Prozess im industriellen Maßstab zu entwickeln.

Die neuen Erkenntnisse werden in der Zeitschrift Advanced Materials in einem Artikel von Youngsup Song, Absolvent des Massachusetts Institute of Technology, Evelyn Wang, Ford-Professorin für Ingenieurwissenschaften, und vier weiteren Personen am MIT beschrieben.

Der Siedeprozess ist im Allgemeinen ein Kompromiss zwischen dem Wärmeübertragungskoeffizienten (HTC) und dem kritischen Wärmefluss (CHF).

Obwohl beide Parameter wichtig sind, ist die gemeinsame Verbesserung beider Parameter schwierig, da sie inhärente Kompromisse mit sich bringen. Song erklärt, dass der Grund dafür darin besteht, dass das Sieden sehr effizient ist, wenn sich viele Blasen auf der kochenden Oberfläche befinden. Wenn sich jedoch zu viele Blasen auf der Oberfläche befinden, können diese zusammenwachsen und einen Dampffilm über der Oberfläche bilden kochende Oberfläche. Dieser Film setzt der Wärmeübertragung von der heißen Oberfläche Widerstand entgegen und senkt den CHF-Wert.

Nun soll es dem Team nach jahrelanger Arbeit gelungen sein, durch die Kombination verschiedener Texturen, die auf die Oberfläche eines Materials aufgebracht werden, beide Eigenschaften gleichzeitig deutlich zu verbessern.

Song, der jetzt Postdoktorand am Lawrence Berkeley National Laboratory ist, führte einen Großteil der Forschung im Rahmen seiner Doktorarbeit am MIT durch. Während die verschiedenen Komponenten der von ihm entwickelten neuen Oberflächenbehandlung bereits zuvor untersucht wurden, sagen die Forscher, dass diese Arbeit die erste ist, die zeigt, dass diese Methoden kombiniert werden können, um den Kompromiss zwischen den beiden konkurrierenden Parametern zu überwinden.

Durch das Hinzufügen einer Reihe mikroskaliger Hohlräume oder Dellen zu einer Oberfläche lässt sich die Art und Weise steuern, wie sich Blasen auf dieser Oberfläche bilden. Dadurch werden diese effektiv an den Stellen der Dellen fixiert und verhindert, dass sie sich zu einem hitzebeständigen Film ausbreiten.

Die Forscher erzeugten eine Reihe von 10 μm breiten Dellen mit einem Abstand von etwa 2 mm, um eine Filmbildung zu verhindern. Diese Trennung verringert jedoch auch die Blasenkonzentration an der Oberfläche, was die Siedeeffizienz verringern kann. Um dies zu kompensieren, führte das Team eine Oberflächenbehandlung in viel kleinerem Maßstab ein, die winzige Unebenheiten und Grate im Nanometerbereich erzeugt, wodurch die Oberfläche vergrößert und die Verdunstungsrate unter den Blasen gefördert wird.

Bei diesen Experimenten wurden die Hohlräume in der Mitte einer Reihe von Säulen auf der Materialoberfläche erzeugt. In Kombination mit Nanostrukturen fördern diese Säulen die Dochtwirkung der Flüssigkeit von der Basis bis zur Oberseite, was den Siedevorgang beschleunigt, indem eine größere dem Wasser ausgesetzte Oberfläche bereitgestellt wird. In Kombination sorgen die drei „Stufen“ der Oberflächentextur – die Hohlraumtrennung, die Pfosten und die nanoskalige Texturierung – für eine deutlich verbesserte Effizienz des Siedeprozesses, sagt Song.

Obwohl ihre Arbeit bestätigt hat, dass die Kombination dieser Arten von Oberflächenbehandlungen funktionieren und die gewünschten Effekte erzielen kann, wurde diese Arbeit unter Laborbedingungen im kleinen Maßstab durchgeführt, die nicht einfach auf praktische Geräte übertragen werden konnten.

„Zu zeigen, dass wir die Oberfläche auf diese Weise kontrollieren können, um eine Verbesserung zu erzielen, ist ein erster Schritt“, sagt Evelyn Wang. „Dann besteht der nächste Schritt darin, über skalierbarere Ansätze nachzudenken.“

Obwohl beispielsweise die Säulen auf der Oberfläche in diesen Experimenten mit Reinraummethoden hergestellt wurden, die üblicherweise zur Herstellung von Halbleiterchips verwendet werden, gibt es angeblich auch andere, weniger anspruchsvolle Methoden zur Herstellung solcher Strukturen, beispielsweise die galvanische Abscheidung. Es gibt auch eine Reihe verschiedener Möglichkeiten, die Oberflächen-Nanostrukturtexturen zu erzeugen, von denen einige möglicherweise einfacher skalierbar sind.

Zum Team gehörten auch Carlos Diaz-Martin, Lenan Zhang, Hyeongyun Cha und Yajing Zhao, alle vom MIT. Die Arbeit wurde von der Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), dem Air Force Office of Scientific Research und der Singapore-MIT Alliance for Research and Technology unterstützt und nutzte die MIT.nano-Einrichtungen.