Đun sôi nước là một trong những chu trình chính của nhiều phương pháp sản xuất công nghiệp. Từ sự vận hành của nhà máy điện cho đến lĩnh vực công nghiệp hóa học và khử muối.
Và trong lòng nước đun sôi sẽ thỉnh thoảng xuất hiện những điểm siêu nóng đến mức có thể làm tan chảy những thiết bị đắt tiền và khiến cho toàn bộ nhà máy bị ngưng hoạt động. Nhưng trong thực tế, những hiểu biết về hoạt động chi tiết xảy ra trên bề mặt của nước khi được đun sôi vẫn còn rất hạn hẹp.
Tiến sĩ Navdeep Singh Dhillon nghiên cứu về lĩnh vực kỹ thuật vật lý cơ bản, đặc biệt là về bản chất của hiện tượng “nhiệt độ sôi hỗn loạn”. Bên tay phải là một thiết bị giúp đo lường “thông lượng nhiệt độ quan trọng” (critical heat flux – CHF) của nhiệt độ sôi của nước ở mức bão hòa trên một lớp chất nền mỏng. Điều này giúp cho phép các nhà nghiên cứu mô hình hóa các bóng khí và đo lường nhiệt độ thực của chất nền bằng việc sử dụng hình ảnh từ tia hồng ngoại (Nguồn: Jose Luis Olivares/ MIT).
Hiện nay, các nhà khoa học tại Đại học MIT đã phát triển những công trình nghiên cứu về những nguyên nhân thật sự gây ra sự nóng lên quá mức này – xảy ra khi nhiệt độ của nước đun sôi vượt quá giá trị của phép đo “thông lượng nhiệt độ quan trọng” (critical heat flux – CHF) – và cách để phòng chống điều này.
Kết quả từ cuộc nghiên cứu này sẽ mở ra tiềm năng chế tạo và vận hành những nhà máy điện mới có khả năng hoạt động ở nhiệt độ rất cao, tạo ra hiệu suất tổng thể cao hơn rất nhiều so với kiểu nhà máy điện hiện nay.
Kết quả của cuộc nghiên cứu đã được thông báo trên Thời báo Nature Communications, trong một bài báo cáo của 3 tác giả: Tiến sĩ trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí Navdeep Singh Dhillon, Giáo sư trong lĩnh vực khoa học và kỹ thuật nguyên tử Jacopo Buongiorno và Giáo sư trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí Kripa Varanasi.
“Khoảng 85% thiết bị điện tử trên thế giới đều phải phụ thuộc vào nguồn điện tạo ra từ các máy phát hơi nước. Và ở Mỹ tỉ lệ này là 90%”, Giáo sư Varanasi nói. “Nếu bạn có thể cải thiện quá trình làm sôi ngăn tạo ra hơi nước, bạn có thể cải thiện toàn bộ hiệu suất của các nhà máy điện”.
Việc đun sôi nước sẽ làm tạo ra các bong bóng khí. Điều này rất quen thuộc với những ai đã từng nấu nước trên bếp lò. Và điều mọi người cần biết là khí (dù là không khí hay hơi nước) có tính cách nhiệt, đối nghịch lại với nước là một chất hấp thụ nhiệt rất tốt. Chính vì thế, trên bề mặt nước nóng, vùng nào có càng nhiều bong bóng khí thì hiệu suất hấp thụ nhiệt ở vùng đó sẽ càng giảm.
Nếu những bong bóng khí này xuất hiện ở một điểm liên tục trong một thời gian dài, chúng sẽ làm tăng nhanh nhiệt độ của lớp thiết bị kim loại ở bên dưới bởi vì nhiệt năng không thể truyền kịp từ lớp kim loại này qua nước đủ nhanh.
Phần lớn những hư hại của các máy chưng cất công nghiệp đều bắt nguồn từ lí do này. Những bong bóng khí chính là một mối nguy cơ tiềm ẩn đối với các nhà máy điện hạt nhân hoặc các nhà máy sản xuất chất hóa học. “Khi một lớp bong bóng khí xuất hiện làm cản trở sự truyền nhiệt thì nhiệt độ tại nơi đó có thể tăng khoảng vài nghìn độ - một hiện tượng được gọi là “nhiệt độ sôi hỗn loạn” (boiling crisis)”, Tiến sĩ Dhillon nói.
Mẫu vật đun sôi dùng để kiểm tra phương pháp đo lường CHF là chất nền silicon hình dạng vuông với cạnh dài 5 cm và mỏng 650 micron. Phía sau mẫu vật này được lót một lớp mỏng làm nóng (Nguồn: Jose Luis Olivares/ MIT).
Nhằm tránh tình trạng vượt quá giá trị “thông lượng nhiệt độ quan trọng”, các nhà máy điện thường hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với công suất được thiết kế. Điều này làm suy giảm hiệu quả của nguồn điện đầu ra.
Việc kiềm chế bong bóng xuất hiện có thể giúp giảm thiểu thiệt hại ở bề mặt, ngăn chặn khả năng cháy nổ. Do đó, các nhà khoa học đang nghiên cứu một loại vật liệu nano mới có thể tăng cường “thông lượng nhiệt độ quan trọng” giúp ngăn các bong bóng hình thành khi nước sôi.
