Физики из Массачусетского технологического института разработали метод структурирования поверхности нагревательного элемента, который позволит ускорять закипание воды.
Обычные электрочайники используют металлический нагревательный элемент в форме спирали или диска мощностью в несколько киловатт, чтобы нагреть воду. У воды высокая теплоемкость, и она требует достаточное количество энергии на нагревание, поэтому чайники потребляют её в относительно большом объёме.
При нагревании воды на дне ёмкости появляются заполненные паром пузырьки. По мере приближения к точке кипения их число растет. Однако при этом они оказываются слишком близко друг к другу и образуют достаточно плотный газовый слой, который снижает эффективность передачи тепла от нагревателя к жидкости.
Физик Эвелин Вонг и её коллеги решили преодолеть влияние этого эффекта. Для этого они структурировали поверхность нагревателя так, чтобы усилить формирование пузырьков и воспрепятствовать появлению изолирующего слоя.
Основу нового элемента представляет собой массив углублений шириной 10 микрометров, расположенных в двух миллиметрах друг от друга на небольших «колоннах»-возвышениях. Эти возвышения направляют нагретую воду от самого дна к углублениям, создавая непрерывный ток жидкости, который быстро переносит тепло снизу вверх. Углубления облегчают формирование пузырьков и при этом фиксируют их на месте, не позволяя сливаться. Структуры покрыты неровностями нанометровых размеров, которые увеличивают площадь поверхности нагревателя.
Лабораторные эксперименты показали, что коэффициент теплопередачи у разработанного элемента почти вчетверо выше, а критический тепловой поток (показатель газообразования во время нагрева) — почти в полтора раза выше.
«Такая производительность позволит существенно экономить энергию в целом ряде процессов, где используется кипение», — считают авторы разработки. В частности, разработку можно применить и в работе паровых турбин.