Физики научились управлять пузырьками в кипящей воде

Ученые из Массачусетского технологического института научились «включать» и «выключать» по желанию образование пузырьков на поверхности водонагревателей. При помощи нового метода можно точно управлять процессом кипения, добиваясь таким образом максимальной эффективности и избегая опасности перегрева. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Для контроля образования пузырьков авторы изменяли смачиваемость поверхности нагревателя. Это достигалось за счет адсорбции-десорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ) с незаряженным гидрофобным «хвостом» и заряженной «головой». Варьируя заряд нагревателя, ученые заставляли молекулы ПАВ садиться на поверхность или удаляться от нее.

Если нагреватель покрывался молекулами ПАВ, их гидрофобные «хвосты» торчали наружу, ухудшая смачиваемость поверхности. Из-за этого улучшалось образование пузырьков. В том случае, когда нагреватель был заряжен тем же знаком, что и «головы» молекул ПАВ, они покидали поверхность, смачиваемость улучшалась, и образование пузырьков вновь становилось невыгодным.

Авторы показали, что процесс сорбции-десорбции происходил в интервале десятых долей секунды. При этом для перезарядки поверхности требовались небольшие разности потенциалов порядка двух вольт. Также оказалось, что при помощи нового метода можно контролировать образование пузырьков не только во времени, но и в пространстве. Для демонстрации ученые изготовили массив из восьми независимых электродов и «включали» образование пузырьков на разных участках кюветы.

Контроль над образование пузырьков пара играет огромную роль в промышленных водонагревательных установках. Слишком слабое парообразование приводит к медленному отводу тепла от стенок и малой эффективности теплообмена. Тогда как слишком активная генерация пузырьков может вызвать образование сплошной прослойки пара на поверхности нагревателя, что в свою очередь приведет к перегреву и, вероятно, поломке.

Чаще всего образование пузырьков контролируют за счет температуры нагрева, а также пассивной модификации поверхности. Например, если нагреватель покрыть «лесом» наностержней, пузырьки образуются более равномерно. Существовали и «активные» методы, но для их реализации требовались разности потенциалов на несколько порядков выше, чем описано в новой работе.

Тарас Молотилин