In tegenstelling tot water, vloeibare koelmiddelen en andere vloeistoffen met een lage oppervlaktespanning hebben de neiging zich snel in een plaat te verspreiden wanneer ze in contact komen met een oppervlak. Maar voor veel industriële processen zou het beter zijn als de vloeistoffen druppeltjes zouden vormen, die van het oppervlak kunnen rollen of vallen en warmte met zich mee kunnen voeren.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het bevorderen van de vorming van druppels en het afstoten van dergelijke vloeistoffen. Deze aanpak zou kunnen leiden tot efficiëntieverbeteringen in veel grootschalige industriële processen, waaronder koeling, waardoor energie wordt bespaard en de uitstoot van broeikasgassen wordt verminderd.

De nieuwe bevindingen worden beschreven in het tijdschrift Joule , in een paper van afgestudeerde student Karim Khalil, hoogleraar werktuigbouwkunde Kripa Varanasi, hoogleraar chemische technologie en Associate Provost Karen Gleason, en vier anderen.

Door de jaren heen, Varanasi en zijn medewerkers hebben grote vooruitgang geboekt bij het verbeteren van de efficiëntie van condensatiesystemen die water gebruiken, zoals de koelsystemen die worden gebruikt voor de opwekking van fossiele brandstoffen of kernenergie. Maar andere soorten vloeistoffen, zoals die worden gebruikt in koelsystemen, vloeibaar maken, terugwinning van afvalwarmte, en distillatie-installaties, of materialen zoals methaan in installaties voor het vloeibaar maken van olie en gas - hebben vaak een zeer lage oppervlaktespanning in vergelijking met water, wat betekent dat het erg moeilijk is om ze druppeltjes op een oppervlak te laten vormen. In plaats daarvan, ze hebben de neiging om zich in een blad uit te spreiden, een eigenschap die bekend staat als bevochtiging.

Maar wanneer deze vloeistoflagen een oppervlak bedekken, ze zorgen voor een isolerende laag die de warmteoverdracht remt, en gemakkelijke warmteoverdracht is cruciaal om deze processen efficiënt te laten werken. "Als het een film vormt, het wordt een barrière voor warmteoverdracht, ", zegt Varanasi. Maar die warmteoverdracht wordt versterkt wanneer de vloeistof snel druppeltjes vormt, die vervolgens samenvloeien en groeien en wegvallen onder de zwaartekracht. Het was een serieuze uitdaging om vloeistoffen met een lage oppervlaktespanning te krijgen om druppeltjes te vormen en ze gemakkelijk af te werpen.

In condensatiesystemen die water gebruiken, de algehele efficiëntie van het proces kan ongeveer 40 procent zijn, maar met vloeistoffen met een lage oppervlaktespanning, de efficiëntie kan worden beperkt tot ongeveer 20 procent. Omdat deze processen zo wijdverbreid zijn in de industrie, zelfs een kleine verbetering in die efficiëntie kan leiden tot enorme brandstofbesparingen, en dus in de uitstoot van broeikasgassen, zegt Varanasi.

Door druppelvorming te bevorderen, hij zegt, het is mogelijk om een ​​vier- tot achtvoudige verbetering in warmteoverdracht te bereiken. Omdat condensatie slechts een onderdeel is van een complexe cyclus, dat vertaalt zich in een algehele efficiëntieverbetering van ongeveer 2 procent. Dat klinkt misschien niet als veel, maar in deze enorme industriële processen wordt zelfs een fractie van een procent verbetering als een grote prestatie met een grote potentiële impact beschouwd. "In dit veld, je vecht voor tienden van procenten, ' zegt Khalil.

In tegenstelling tot de oppervlaktebehandelingen die Varanasi en zijn team hebben ontwikkeld voor andere soorten vloeistoffen, die afhankelijk zijn van een vloeibaar materiaal dat op zijn plaats wordt gehouden door een oppervlaktetextuur, in dit geval waren ze in staat om het vloeistofafstotende effect te bereiken met behulp van een zeer dunne vaste coating - minder dan een micron dik (een miljoenste van een meter). Die dunheid is belangrijk, om ervoor te zorgen dat de coating zelf niet bijdraagt ​​aan het blokkeren van warmteoverdracht, legt Khalil uit.

de bekleding, gemaakt van een speciaal samengesteld polymeer, wordt op het oppervlak afgezet met behulp van een proces dat geïnitieerde chemische dampafzetting (iCVD) wordt genoemd, waarbij het coatingmateriaal wordt verdampt en op het te behandelen oppervlak ent, zoals een metalen pijp, om een ​​dunne laag te vormen. Dit proces is ontwikkeld aan het MIT door Gleason en wordt nu veel gebruikt.

De auteurs hebben het iCVD-proces geoptimaliseerd door het enten van coatingmoleculen op het oppervlak af te stemmen, om het vastzetten van condenserende druppels tot een minimum te beperken en het gemakkelijk afwerpen ervan te vergemakkelijken. Het proces kan op locatie worden uitgevoerd in apparatuur op industriële schaal, en kan achteraf in bestaande installaties worden ingebouwd om de efficiëntie een boost te geven. Het proces is "materialen agnostisch, "Khalil zegt, en kan worden aangebracht op vlakke oppervlakken of buizen van roestvrij staal, koper, titanium, of andere metalen die gewoonlijk worden gebruikt bij verdampingswarmteoverdrachtsprocessen waarbij deze vloeistoffen met een lage oppervlaktespanning betrokken zijn. "Wat voor materiaal je ook bedenkt, het is meestal schaalbaar met dit proces, " hij voegt toe.

Het netto resultaat is dat op deze oppervlakken, condenserende vloeistoffen zoals vloeibaar methaan zullen gemakkelijk kleine druppeltjes vormen die snel van het oppervlak vallen, ruimte maken om meer te vormen, en daarbij warmte van het metaal afgevend aan de druppels die wegvallen. Zonder de coating, de vloeistof zou zich over het hele oppervlak verspreiden en niet wegvallen, een soort warmtevasthoudende deken vormen. Maar daarmee "de warmteoverdracht verbetert met bijna acht keer, ' zegt Khalil.

Een gebied waar dergelijke coatings een nuttige rol kunnen spelen, Varanasi zegt, zit in organische Rankine-cyclussystemen, die op grote schaal worden gebruikt voor het opwekken van stroom uit restwarmte in een verscheidenheid aan industriële processen. "Dit zijn inherent inefficiënte systemen, " hij zegt, "maar dit zou ze efficiënter kunnen maken."