Нанопокрытие увеличило эффективность теплообмена в 5,5 раз

Время на прочтение: 2 минут(ы)

Южнокорейские инженеры совершили прорыв в теплоэнергетике и машиностроении: микроскопические неровности на поверхности полимера, ранее считавшиеся браком, заставили работать на ускорение конденсации и многократное повышение теплоотдачи.

Команда исследователей из Корейского института передовых технологий (KAIST) под руководством профессора кафедры машиностроения Ёнсука Нама (Youngsuk Nam) и профессора химической инженерии Сон Гап Има (Sung Gap Im) представила принципиально новый подход к интенсификации теплообмена. Результаты работы опубликованы в научном журнале Nature Communications.

Созданное учеными ультратонкое полимерное нанопокрытие способно повысить коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара в 5,5 раза по сравнению со стандартными медными поверхностями и более чем на 50% превзойти традиционные гидрофобные материалы.

Главная дилемма конденсационных систем

В современной индустрии фазовые переходы жидкостей играют ключевую роль: в энергетических паротурбинных установках, опреснителях морской воды, промышленных холодильных установках и системах охлаждения высокопроизводительной микроэлектроники пар непрерывно превращается обратно в воду.

Для эффективного отвода тепла конденсат должен покидать рабочую зону как можно быстрее. Однако на гладких металлических трубках вода образует сплошную жидкую пленку (filmwise condensation). Эта пленка обладает высоким термическим сопротивлением и работает как одеяло, изолируя металл и препятствуя дальнейшей передаче тепла.

Гораздо эффективнее капельный режим (dropwise condensation), при котором вода собирается в мелкие капли и сразу скатывается, обнажая сухой металл для новой порции пара. До сих пор инженеры сталкивались с неразрешимым парадоксом:

1. Искусственное создание шероховатости увеличивает число центров зарождения капель (nucleation sites), но заставляет воду «застревать» в микрорельефе.
2. Идеально гладкая гидрофобная поверхность облегчает соскальзывание капель, но резко сокращает количество точек, где пар может сконденсироваться.

Нанопокрытие — как дефекты превратили в преимущество

Команда KAIST решила эту задачу с помощью метода инициированного химического осаждения из газовой фазы (iCVD). Технология позволяет равномерно наносить тончайшие полимерные пленки фторполимера pPFDMA без использования жидких растворителей даже на детали сложной геометрической формы.

В процессе экспериментов физики выяснили: при уменьшении толщины слоя полимера менее 100 нанометров на его поверхности формируются плотные наноразмерные полукристаллические агрегаты. В материаловедении такие структуры долгое время считались нежелательными дефектами осаждения, подлежащими устранению.

Однако ученые обнаружили, что наноагрегаты служат идеальными центрами зарождения капель. Плотность их формирования оказалась в три раза выше, чем на толстых пленках. Чтобы капли не задерживались на поверхности, авторы применили последующую термическую обработку при температуре 80 °C. Это снизило адгезию и силу поверхностного сцепления, заставив микрокапли мгновенно отрываться от трубки до того, как они успеют слиться в единую изолирующую пленку.

Результаты испытаний и перспективы внедрения

В ходе натурных испытаний на стандартных медных трубах теплообменников разработанное нанопокрытие продемонстрировало впечатляющий показатель: максимальный коэффициент теплоотдачи при конденсации достиг величины порядка 88 кВт/(м²·К).

По принципу действия поверхность превращается в самообновляющийся «конвейер»: едва капля отрывается от наноструктуры, на ее месте тут же конденсируется следующая. Поскольку метод iCVD не требует погружения деталей в ванны с жидкостью и легко масштабируется на изогнутые контуры, разработка уже готова к внедрению в промышленное производство.

По оценкам авторов, применение технологии позволит уменьшить габариты конденсаторов и промышленных теплообменных аппаратов, снизить расход металла в машиностроении, повысить КПД тепловых и атомных электростанций, а также решить проблему перегрева мощных процессоров и серверных стоек.

Больше хороших новостей про новые технологии
В России начал работу первый беспилотный каток

---

Источники:
https://www.sciencedaily.com/releases/2026/08/260823014940.htm

Фото обложки: https://www.sciencedaily.com

♯ больше хороших новостей ♯ новые технологии