Løsning af et kondensmysterium

Kondens kan ødelægge et sofabord i træ eller dugge glas, når man går ind i en varm bygning på en vinterdag, men det er ikke alle gener; kondens- og fordampningscyklussen har vigtige anvendelser.

Vand kan høstes fra "tynd luft, " eller adskilt fra salt i afsaltningsanlæg ved kondensering. På grund af det faktum, at kondensdråber tager varme med sig, når de fordamper, det er også en del af køleprocessen i de industrielle og kraftige computere. Men da forskere tog et kig på den nyeste kondensationsmetode, de så noget mærkeligt:​​Når en særlig type overflade er dækket af et tyndt lag olie, kondenserede vanddråber syntes at flyve tilfældigt over overfladen ved høje hastigheder, fusionerer med større dråber, i mønstre, der ikke er forårsaget af tyngdekraften.

"De er så langt fra hinanden, i forhold til deres egne, relative dimensioner" - dråberne har en diameter mindre end 50 mikrometer - "og alligevel bliver de trukket, og bevæger sig med virkelig høje hastigheder, " sagde Patricia Weisensee, assisterende professor i maskinteknik og materialevidenskab ved McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis.

"De bevæger sig alle mod de større dråber med hastigheder på op til 1 mm i sekundet."

Weisensee og Jianxing Sun, en ph.d. kandidat i sit laboratorium, har fastslået, at den tilsyneladende uberegnelige bevægelse er resultatet af ubalancerede kapillærkræfter, der virker på dråberne. De fandt også ud af, at dråbernes hastighed er en funktion af oliens viskositet og størrelsen af ​​dråberne, hvilket betyder, at dråbehastighed er noget, der kan kontrolleres.

Deres resultater blev offentliggjort online i Soft Matter .

Hvorfor flytter de?

I den mest almindelige kondensform i industrien, vanddamp kondenserer for at danne et tykt lag væske på en overflade. Denne metode er kendt som "filmmæssig" kondens. Men en anden metode har vist sig at være mere effektiv til at fremme kondens og overførsel af varme, der følger med:dråbevis kondens.

Det er blevet brugt på traditionelt hydrofobe overflader-dem, der afviser vand, såsom teflonbelægningen på en non-stick pande. Imidlertid, disse traditionelle ikke-befugtende overflader nedbrydes hurtigt, når de udsættes for varm damp. I stedet, et par år siden, forskere opdagede, at infusion af en ru eller porøs hydrofob overflade med et smøremiddel, olie fører til hurtigere kondensering. Vigtigere, disse smøremiddelinfunderede overflader (LIS) førte til dannelsen af ​​meget mobile og mindre vanddråber, som står for det meste af varmeoverførslen, når det kommer til kondensering og fordampning.

Under processen, imidlertid, bevægelsen af ​​vanddråber på overfladen virkede uregelmæssig - og hurtig. "De bevæger sig med en virkelig høj hastighed i forhold til deres størrelse, "-omkring 100 mikron -"bare ved at sidde der, "Sagde Weisensee.

"Spørgsmålet er, 'Hvorfor flytter de?' "

Ved at bruge højhastighedsmikroskopi og interferometri til at se processen udspille sig, Weisensee og hendes team var i stand til at skelne, hvad der skete, og forholdet mellem dråbestørrelse, hastighed og olieviskositet.

De skabte vanddamp og så små dråber dannet på overfladen. "Den første proces er, at små dråber falder sammen og danner større dråber, " sagde Weisensee. Kapillærkræfter får olien til at vokse op og over dråberne, danner en menisk - ikke knæmusklen, men snarere et buet lag olie, der omgiver dråben.

Olien bevæger sig konstant, forsøger at finde en balance, da den dækker dråber af forskellig størrelse forskellige steder på overfladen-hvis der dannes en stor dråbe her, menisken strækker sig over den, får olielaget til at trække sig sammen et andet sted. Eventuelle mindre dråber i sammentrækningsområdet trækkes hurtigt til de større dråber, fører til olierige og oliefattige regioner.

Under processen, større dråber rydder i det væsentlige rummet, hvilket igen giver plads til dannelsen af ​​flere små dråber.

Da det meste af varmeoverførslen (ca. 85 procent) sker via disse små dråber, Brug af LIS til dråbevis kondensering burde være en mere effektiv måde at sprede varme og få vand fra damp. Og da dråberne er meget små, mindre end 100 mikrometer i diameter, kondens kan forekomme i et mindre område.

Der er en anden fordel, også. Under "traditionel" kondensering, tyngdekraften er den kraft, der fjerner vand fra overfladen, giver plads til, at nye dråber kan dannes. Overfladen placeres lodret, og vandet løber simpelthen af. Da kapillarkræfter udfører arbejdet i dråbevis kondens på væskeinfunderede overflader, imidlertid, overfladens orientering er uden betydning.

"Det kan potentielt bruges på personlige enheder, "hvor orienteringen konstant ændrer sig, hun sagde, "eller i rummet." Og fordi hele processen er mere effektiv end traditionel kondensering, Weisensee sagde, "Dette kan være en god måde at rydde op på uden at skulle stole på tyngdekraften."

Fremadrettet, Weisensees team vil måle varmeoverførsel for at bestemme, om de mindre dråber under dråbevis kondensering på LIS er, faktisk, mere effektivt. De planlægger også at undersøge forskellige overflader for at maksimere dråbebevægelsen.