Ny overfladebehandling kan forbedre køleeffektiviteten

I modsætning til vand, flydende kølemidler og andre væsker, der har en lav overfladespænding, har tendens til at spredes hurtigt ind i et ark, når de kommer i kontakt med en overflade. Men for mange industrielle processer ville det være bedre, hvis væskerne dannede dråber, som kunne rulle eller falde af overfladen og føre varme med sig.

Nu, forskere ved MIT har gjort betydelige fremskridt med at fremme dråbedannelse og udskillelse i sådanne væsker. Denne tilgang kan føre til effektivitetsforbedringer i mange store industrielle processer, herunder køling, dermed spare energi og reducere udledningen af ​​drivhusgasser.

De nye resultater er beskrevet i tidsskriftet Joule , i et papir af kandidatstuderende Karim Khalil, professor i maskinteknik Kripa Varanasi, professor i kemiteknik og associeret prost Karen Gleason, og fire andre.

I årenes løb, Varanasi og hans samarbejdspartnere har gjort store fremskridt med at forbedre effektiviteten af ​​kondenseringssystemer, der bruger vand, såsom kølesystemer, der bruges til produktion af fossilt brændsel eller atomkraft. Men andre slags væsker - såsom dem, der bruges i kølesystemer, flydende, genvinding af spildvarme, og destillationsanlæg, eller materialer som metan i olie- og gasvæskeanlæg - har ofte meget lav overfladespænding sammenlignet med vand, hvilket betyder, at det er meget svært at få dem til at danne dråber på en overflade. I stedet, de har tendens til at brede sig ud i et lagen, en egenskab kendt som befugtning.

Men når disse flydende lag dækker en overflade, de giver et isolerende lag, der hæmmer varmeoverførsel, og nem varmeoverførsel er afgørende for at få disse processer til at fungere effektivt. "Hvis det danner en film, det bliver en barriere for varmeoverførsel, " siger Varanasi. Men den varmeoverførsel forbedres, når væsken hurtigt danner dråber, som så smelter sammen og vokser og falder bort under tyngdekraften. Det har været en alvorlig udfordring at få væsker med lav overfladespænding til at danne dråber og let afgive dem.

I kondenseringssystemer, der bruger vand, den samlede effektivitet af processen kan være omkring 40 procent, men med væsker med lav overfladespænding, effektiviteten kan begrænses til omkring 20 procent. Fordi disse processer er så udbredte i industrien, selv en lille forbedring af denne effektivitet kan føre til dramatiske besparelser i brændstof, og derfor i drivhusgasemissioner, Varanasi siger.

Ved at fremme dråbedannelsen, han siger, det er muligt at opnå en fire- til ottedobling af varmeoverførslen. Fordi kondenseringen kun er en del af en kompleks cyklus, det udmønter sig i en samlet effektivitetsforbedring på omkring 2 procent. Det lyder måske ikke af meget, men i disse enorme industrielle processer betragtes selv en brøkdel af en procent forbedring som en stor præstation med stor potentiel effekt. "På dette felt du kæmper for tiendedele af en procent, " siger Khalil.

I modsætning til de overfladebehandlinger, Varanasi og hans team har udviklet til andre slags væsker, som er afhængige af et flydende materiale, der holdes på plads af en overfladetekstur, i dette tilfælde var de i stand til at opnå den væskeafvisende effekt ved hjælp af en meget tynd fast belægning - mindre end en mikron tyk (en milliontedel af en meter). At tyndhed er vigtig, for at sikre, at belægningen i sig selv ikke bidrager til at blokere varmeoverførslen, Khalil forklarer.

Belægningen, lavet af en specielt formuleret polymer, aflejres på overfladen ved hjælp af en proces kaldet initieret kemisk dampaflejring (iCVD), hvor belægningsmaterialet fordampes og podes på overfladen, der skal behandles, såsom et metalrør, for at danne en tynd belægning. Denne proces blev udviklet på MIT af Gleason og er nu meget brugt.

Forfatterne optimerede iCVD-processen ved at tune podningen af ​​belægningsmolekyler på overfladen, for at minimere fastklemningen af ​​kondensdråber og lette deres lette udskillelse. Processen kunne udføres på stedet i udstyr i industriel skala, og kunne eftermonteres i eksisterende installationer for at øge effektiviteten. Processen er "materialeagnostisk, "Khalil siger, og kan påføres på enten flade overflader eller rør lavet af rustfrit stål, kobber, titanium, eller andre metaller, der almindeligvis anvendes i fordampende varmeoverførselsprocesser, der involverer disse væsker med lav overfladespænding. "Uanset hvilket materiale du finder på, det plejer at være skalerbart med denne proces, " tilføjer han.

Nettoresultatet er, at på disse overflader, kondenserende væsker såsom flydende metan vil let danne små dråber, der hurtigt falder ned fra overfladen, giver plads til, at mere kan dannes, og i processen afgiver varme fra metallet til de dråber, der falder væk. Uden belægning, væsken ville brede sig ud over hele overfladen og modstå at falde væk, danner en slags varmebevarende tæppe. Men med det, "varmeoverførslen forbedres næsten otte gange, " siger Khalil.

Et område, hvor sådanne belægninger kunne spille en nyttig rolle, Varanasi siger, er i organiske Rankine-cyklussystemer, som er meget brugt til at generere strøm fra spildvarme i en række industrielle processer. "Dette er i sagens natur ineffektive systemer, " han siger, "men dette kunne gøre dem mere effektive."