Nye nanomønstrede overflader kan forbedre effektiviteten af ​​kraftværker, afsaltningssystemer

Kondensering af vand er afgørende for driften af ​​de fleste kraftværker, der leverer vores elektricitet - uanset om de er drevet af kul, naturgas eller nukleart brændsel. Det er også nøglen til at producere drikkevand fra salt eller brakvand. Men der er stadig store huller i den videnskabelige forståelse af præcis, hvordan vand kondenserer på de overflader, der bruges til at vende damp tilbage til vand i et kraftværk, eller at kondensere vand i et fordampningsbaseret afsaltningsanlæg.

Ny forskning fra et hold på MIT giver vigtig ny indsigt i, hvordan disse dråber dannes, og måder at mønstre opsamlingsfladerne på på nanoskala for at tilskynde dråber til at danne hurtigere. Disse indsigter kunne muliggøre en ny generation af væsentligt mere effektive kraftværker og afsaltningsanlæg, siger forskerne.

De nye resultater blev offentliggjort online i denne måned i tidsskriftet ACS Nano , en publikation fra American Chemical Society, i et papir af MIT maskiningeniørstuderende Nenad Miljkovic, postdoc Ryan Enright og lektor Evelyn Wang.

Selvom analyse af kondensationsmekanismer er et gammelt felt, Miljkovic siger, det er genopstået i de senere år med fremkomsten af ​​mikro- og nanomønsterteknologier, der former kondenserende overflader i en hidtil uset grad. Den vigtigste egenskab ved overflader, der påvirker dråbedannende adfærd, er kendt som "befugtningsevne, ” som bestemmer om dråber står højt på en overflade som vanddråber på en varm bageplade, eller spredes hurtigt ud til en tynd film.

Det er et spørgsmål, der er nøglen til driften af ​​kraftværker, hvor vand koges ved hjælp af fossilt brændstof eller varmen fra nuklear fission; den resulterende damp driver en turbine fastgjort til en dynamo, producerer elektricitet. Efter at have forladt turbinen, dampen skal afkøles og kondensere tilbage til flydende vand, så den kan vende tilbage til kedlen og begynde processen igen. (Det er, hvad der foregår inde i de gigantiske køletårne, der ses ved kraftværker.)

Typisk, på en kondenserende overflade, dråber vokser gradvist større, mens de klæber til materialet gennem overfladespænding. Når de først bliver så store, at tyngdekraften overvinder overfladespændingen og holder dem på plads, de regner ned i en container nedenfor. Men det viser sig, at der er måder at få dem til at falde fra overfladen - og endda til at "hoppe" fra overfladen - i meget mindre størrelser, længe før tyngdekraften tager over. Det reducerer størrelsen af ​​de fjernede dråber og gør den resulterende varmeoverførsel meget mere effektiv, siger Miljkovic.

En mekanisme er et overflademønster, der tilskynder tilstødende dråber til at smelte sammen. Mens de gør det, energi frigives, som "forårsager et rekyl fra overfladen, og dråber vil faktisk hoppe af, " siger Miljkovic. Den mekanisme er blevet observeret før, han bemærker, men det nye værk “tilføjer et nyt kapitel til historien. Få forskere har set på væksten af ​​dråberne forud for springet i detaljer."

Det er vigtigt, for selvom springeffekten tillader dråber at forlade overfladen hurtigere, end de ellers ville, hvis deres vækst halter, du kan faktisk reducere effektiviteten. Med andre ord, det er ikke kun størrelsen på dråben, når den bliver frigivet, der betyder noget, men også hvor hurtigt den vokser til den størrelse.

"Dette er ikke blevet identificeret før, " siger Miljkovic. Og i mange tilfælde, holdet fandt, "du tror, ​​du får forbedret varmeoverførsel, men du får faktisk dårligere varmeoverførsel."

I tidligere forskning, "varmeoverførsel er ikke eksplicit målt, " siger han, fordi det er svært at måle, og området for kondensering med overflademønstre er stadig ret ungt. Ved at inkorporere målinger af dråbevæksthastigheder og varmeoverførsel i deres computermodeller, MIT-teamet var i stand til at sammenligne en række forskellige tilgange til overflademønstret og finde dem, der faktisk gav den mest effektive varmeoverførsel.

En tilgang har været at skabe en skov af små søjler på overfladen:Dråber har en tendens til at sidde oven på søjlerne, mens de kun lokalt befugter overfladen i stedet for at fugte hele overfladen, minimerer kontaktområdet og letter frigivelsen. Men de nøjagtige størrelser, mellemrum, bredde-til-højde-forhold og nanoskala ruhed af søjlerne kan gøre en stor forskel i, hvor godt de fungerer, fandt teamet.

"Vi viste, at vores overflader forbedrede varmeoverførslen med op til 71 procent [sammenlignet med flade, ikke-væde overflader, der i øjeblikket kun bruges i højeffektive kondensatorsystemer], hvis du skræddersy dem korrekt, " siger Miljkovic. Med mere arbejde med at undersøge variationer i overflademønstre, det burde være muligt at forbedre endnu mere, han siger.

Den øgede effektivitet kunne også forbedre hastigheden af ​​vandproduktionen i anlæg, der producerer drikkevand fra havvand, eller endda i foreslåede nye solenergisystemer, der er afhængige af at maksimere fordamper (solfanger) overfladeareal og minimere kondensator (varmeveksler) overfladeareal for at øge den samlede effektivitet af solenergiopsamling. Et lignende system kunne forbedre varmefjernelsen i computerchips, som ofte er baseret på intern fordampning og rekondensering af en varmeoverførselsvæske gennem en enhed kaldet et varmeledning.

Chuan-Hua Chen, en assisterende professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke University, som ikke var involveret i dette arbejde, siger, ”Det er spændende at se sameksistensen af ​​både kugle- og ballonformede kondensatdråber på den samme struktur. Meget lidt er kendt på de skalaer, der er løst af det miljømæssige elektronmikroskop, der bruges i dette papir. Sådanne fund vil sandsynligvis påvirke fremtidig forskning om anti-dug materialer og ... kondensatorer."

Det næste skridt i forskningen, i gang nu, er at udvide resultaterne fra dråbeeksperimenterne og computermodellering - og at finde endnu mere effektive konfigurationer og måder at fremstille dem hurtigt og billigt i industriel skala, siger Miljkovic.

Dette arbejde blev støttet som en del af MIT S3TEC Center, et Energy Frontier Research Center finansieret af det amerikanske energiministerium.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.