L'ébullition de l'eau ou d'autres fluides est une étape énergivore au cœur d'un large éventail de processus industriels, y compris la plupart des centrales électriques, de nombreux systèmes de production chimique et même des systèmes de refroidissement pour l'électronique.

L'amélioration de l'efficacité des systèmes qui chauffent et évaporent l'eau pourrait réduire considérablement leur consommation d'énergie. Aujourd'hui, des chercheurs du MIT ont trouvé un moyen d'y parvenir, avec un traitement de surface spécialement adapté aux matériaux utilisés dans ces systèmes.

L'efficacité améliorée provient d'une combinaison de trois types différents de modifications de surface, à différentes échelles de taille. Les nouveaux résultats sont décrits dans la revue Advanced Materials dans un article du récent diplômé du MIT Youngsup Song Ph.D. '21, Ford professeur d'ingénierie Evelyn Wang, et quatre autres au MIT. Les chercheurs notent que cette découverte initiale est encore à l'échelle du laboratoire et que des travaux supplémentaires sont nécessaires pour développer un processus pratique à l'échelle industrielle.

Deux paramètres clés décrivent le processus d'ébullition :le coefficient de transfert de chaleur (HTC) et le flux de chaleur critique (CHF). Dans la conception des matériaux, il y a généralement un compromis entre les deux, donc tout ce qui améliore l'un de ces paramètres a tendance à aggraver l'autre. Mais les deux sont importants pour l'efficacité du système, et maintenant, après des années de travail, l'équipe a trouvé un moyen d'améliorer considérablement les deux propriétés en même temps, grâce à leur combinaison de différentes textures ajoutées à la surface d'un matériau.

"Les deux paramètres sont importants", dit Song, "mais améliorer les deux paramètres ensemble est un peu délicat car ils ont un compromis intrinsèque." La raison en est, explique-t-il, "parce que si nous avons beaucoup de bulles sur la surface d'ébullition, cela signifie que l'ébullition est très efficace, mais si nous avons trop de bulles sur la surface, elles peuvent fusionner, ce qui peut former une vapeur". film sur la surface en ébullition." Ce film introduit une résistance au transfert de chaleur de la surface chaude vers l'eau. "Si nous avons de la vapeur entre la surface et l'eau, cela empêche l'efficacité du transfert de chaleur et abaisse la valeur CHF", dit-il.

Song, qui est maintenant postdoctorant au Lawrence Berkeley National Laboratory, a effectué une grande partie de la recherche dans le cadre de sa thèse de doctorat au MIT. Alors que les différents composants du nouveau traitement de surface qu'il a développé avaient été étudiés auparavant, les chercheurs affirment que ce travail est le premier à montrer que ces méthodes pourraient être combinées pour surmonter le compromis entre les deux paramètres concurrents.

L'ajout d'une série de cavités microscopiques, ou bosses, à une surface est un moyen de contrôler la façon dont les bulles se forment sur cette surface, en les maintenant efficacement épinglées aux emplacements des bosses et en les empêchant de se propager dans un film résistant à la chaleur. Dans ce travail, les chercheurs ont créé un réseau de bosses de 10 micromètres de large séparées d'environ 2 millimètres pour empêcher la formation de film. Mais cette séparation réduit également la concentration de bulles à la surface, ce qui peut réduire l'efficacité d'ébullition. Pour compenser cela, l'équipe a introduit un traitement de surface à beaucoup plus petite échelle, créant de minuscules bosses et crêtes à l'échelle nanométrique, ce qui augmente la surface et favorise le taux d'évaporation sous les bulles.

Dans ces expériences, les cavités ont été réalisées au centre d'une série de piliers à la surface du matériau. Ces piliers, combinés à des nanostructures, favorisent l'évacuation du liquide de la base vers leurs sommets, ce qui améliore le processus d'ébullition en offrant une plus grande surface exposée à l'eau. In combination, the three "tiers" of the surface texture—the cavity separation, the posts, and the nanoscale texturing—provide a greatly enhanced efficiency for the boiling process, Song says.

"Those micro cavities define the position where bubbles come up," he says. "But by separating those cavities by 2 millimeters, we separate the bubbles and minimize the coalescence of bubbles." At the same time, the nanostructures promote evaporation under the bubbles, and the capillary action induced by the pillars supplies liquid to the bubble base. That maintains a layer of liquid water between the boiling surface and the bubbles of vapor, which enhances the maximum heat flux.

Although their work has confirmed that the combination of these kinds of surface treatments can work and achieve the desired effects, this work was done under small-scale laboratory conditions that could not easily be scaled up to practical devices, Wang says. "These kinds of structures we're making are not meant to be scaled in its current form," she says, but rather were used to prove that such a system can work. One next step will be to find alternative ways of creating these kinds of surface textures so these methods could more easily be scaled up to practical dimensions.

"Showing that we can control the surface in this way to get enhancement is a first step," she says. "Then the next step is to think about more scalable approaches." For example, though the pillars on the surface in these experiments were created using clean-room methods commonly used to produce semiconductor chips, there are other, less demanding ways of creating such structures, such as electrodeposition. There are also a number of different ways to produce the surface nanostructure textures, some of which may be more easily scalable.

There may be some significant small-scale applications that could use this process in its present form, such as the thermal management of electronic devices, an area that is becoming more important as semiconductor devices get smaller and managing their heat output becomes ever more important. "There's definitely a space there where this is really important," Wang says.

Even those kinds of applications will take some time to develop because typically thermal management systems for electronics use liquids other than water, known as dielectric liquids. These liquids have different surface tension and other properties than water, so the dimensions of the surface features would have to be adjusted accordingly. Work on these differences is one of the next steps for the ongoing research, Wang says.

This same multiscale structuring technique could also be applied to different liquids, Song says, by adjusting the dimensions to account for the different properties of the liquids. "Those kinds of details can be changed, and that can be our next step," he says. + Explorer plus loin

Discovery improves heat transfer in boiling

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.