Condensatie kan een houten salontafel bederven of glazen beslaan wanneer u op een winterdag een warm gebouw binnengaat, maar het zijn niet allemaal ongemakken; de condensatie- en verdampingscyclus heeft belangrijke toepassingen.

Water kan worden geoogst uit "dunne lucht, " of door condensatie van zout gescheiden in ontziltingsinstallaties. Doordat condenserende druppeltjes warmte met zich meebrengen als ze verdampen, het maakt ook deel uit van het koelproces in de industriële en krachtige computerarena's. Maar toen onderzoekers naar de nieuwste condensatiemethode keken, ze zagen iets vreemds:wanneer een speciaal type oppervlak bedekt is met een dun laagje olie, gecondenseerde waterdruppels leken willekeurig met hoge snelheden over het oppervlak te vliegen, versmelten met grotere druppels, in patronen die niet door de zwaartekracht worden veroorzaakt.

"Ze zijn zo ver uit elkaar, op het gebied van hun eigen, relatieve afmetingen" - de druppels hebben een diameter kleiner dan 50 micrometer - "en toch worden ze getrokken, en bewegen met echt hoge snelheden, " zei Patricia Weisensee, assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis.

"Ze bewegen zich allemaal naar de grotere druppels met snelheden tot 1 mm per seconde."

Weisensee en Jianxing Sun, een doctoraat kandidaat in haar lab, hebben vastgesteld dat de schijnbaar grillige beweging het resultaat is van ongebalanceerde capillaire krachten die op de druppels werken. Ze ontdekten ook dat de snelheid van de druppeltjes een functie is van de viscositeit van de olie en de grootte van de druppeltjes, wat betekent dat de druppelsnelheid iets is dat kan worden gecontroleerd.

Hun resultaten werden online gepubliceerd in Zachte materie .

Waarom verhuizen ze?

In de meest voorkomende vorm van condensatie in de industrie, waterdamp condenseert en vormt een dikke laag vloeistof op een oppervlak. Deze methode staat bekend als "filmgewijze" condensatie. Maar een andere methode blijkt efficiënter te zijn in het bevorderen van condensatie en de daarmee gepaard gaande warmteoverdracht:druppelsgewijs condenseren.

Het is gebruikt op traditioneel hydrofobe oppervlakken - oppervlakken die water afstoten, zoals de Teflon-coating op een antiaanbaklaag. Echter, deze traditionele niet-bevochtigende oppervlakken worden snel afgebroken wanneer ze worden blootgesteld aan hete damp. In plaats daarvan, een paar jaar geleden, onderzoekers ontdekten dat het doordrenken van een ruw of poreus hydrofoob oppervlak met een smeermiddel, zoals olie leidt tot snellere condensatie. belangrijk, deze met smeermiddel doordrenkte oppervlakken (LIS) leidden tot de vorming van zeer mobiele en kleinere waterdruppels, die verantwoordelijk zijn voor het grootste deel van de warmteoverdracht als het gaat om condensatie en verdamping.

Tijdens het proces, echter, de beweging van waterdruppels op het oppervlak leek grillig - en snel. "Ze bewegen met een zeer hoge snelheid voor hun grootte, "-ongeveer 100 micron-"gewoon door daar te zitten, ', aldus Weissensee.

"De vraag is, 'Waarom verhuizen ze?' "

Met behulp van hogesnelheidsmicroscopie en interferometrie om het proces te bekijken, Weisensee en haar team waren in staat om te onderscheiden wat er gebeurde en de relaties tussen druppelgrootte, snelheid en olieviscositeit.

Ze creëerden waterdamp en keken hoe zich kleine druppeltjes op het oppervlak vormden. "Het eerste proces is dat kleine druppeltjes samensmelten en grotere druppeltjes vormen, " zei Weisensee. Capillaire krachten zorgen ervoor dat de olie omhoog en over de druppeltjes groeit, het vormen van een meniscus - niet de kniespier, maar eerder een gebogen laag olie rond de druppel.

De olie is continu in beweging, proberen een evenwicht te vinden omdat het druppels van verschillende grootte op verschillende plaatsen op het oppervlak bedekt - als zich hier een grote druppel vormt, de meniscus strekt zich erover uit, waardoor de olielaag ergens anders samentrekt. Eventuele kleinere druppeltjes in het samentrekkingsgebied worden snel naar de grotere druppeltjes getrokken, leiden tot olierijke en oliearme regio's.

Tijdens het proces, grotere druppels maken in wezen de ruimte vrij, wat weer ruimte maakt voor de vorming van meer kleine druppeltjes.

Aangezien het grootste deel van de warmteoverdracht (ongeveer 85 procent) via deze kleine druppeltjes plaatsvindt, het gebruik van LIS voor druppelsgewijze condensatie zou een efficiëntere manier moeten zijn om warmte te verspreiden en water uit damp te halen. En aangezien de druppeltjes erg klein zijn, met een diameter van minder dan 100 micron, condensatie kan optreden in een kleiner gebied.

Er is nog een voordeel, te. Tijdens "traditionele" condensatie, zwaartekracht is de kracht die water van het oppervlak verwijdert, ruimte maken voor de vorming van nieuwe druppeltjes. Het oppervlak wordt verticaal geplaatst, en het water loopt gewoon weg. Aangezien capillaire krachten het werk doen bij druppelsgewijs condenseren op met vloeistof doordrenkte oppervlakken, echter, de oriëntatie van het oppervlak is niet van belang.

"Het kan mogelijk worden gebruikt op persoonlijke apparaten, " waar de oriëntatie voortdurend verandert, ze zei, "of in de ruimte." En omdat het hele proces efficiënter is dan traditionele condensatie, Weisensee zei, "Dit kan een leuke manier zijn om ruimte op te ruimen zonder afhankelijk te zijn van de zwaartekracht."

Vooruit gaan, Het team van Weisensee zal de warmteoverdracht meten om te bepalen of de kleinere druppeltjes tijdens druppelsgewijs condenseren op LIS, in feite, efficiënter. Ze zijn ook van plan om verschillende oppervlakken te onderzoeken om de beweging van de druppel te maximaliseren.