Springende dråber hjælper varmeoverførsel

Mange industrianlæg er afhængige af, at vanddamp kondenserer på metalplader:I kraftværker, det resulterende vand returneres derefter til en kedel for at blive fordampet igen; i afsaltningsanlæg, det giver en tilførsel af rent vand. Sådanne anlægs effektivitet afhænger afgørende af, hvor let vanddråber der kan dannes på disse metalplader, eller kondensatorer, og hvor let de falder væk, efterlader plads til flere dråber.

Nøglen til at forbedre effektiviteten af ​​sådanne anlæg er at øge kondensatorernes varmeoverførselskoefficient-et mål for, hvor let varme kan overføres væk fra disse overflader, forklarer Nenad Miljkovic, en doktorand i maskinteknik på MIT. Som en del af hans speciale, han og kolleger har gjort netop det:at designe, fremstilling og afprøvning af en belagt overflade med nanostrukturerede mønstre, der i høj grad øger varmeoverførselskoefficienten.

Resultaterne af dette arbejde er blevet offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver , i et papir medforfatter af Miljkovic, maskiningeniør lektor Evelyn Wang, og fem andre forskere fra Device Research Lab (DRL) i MITs maskintekniske afdeling.

På en typisk, fladplade kondensator, vanddamp kondenserer til dannelse af en flydende film på overfladen, drastisk reducering af kondensatorens evne til at opsamle mere vand, indtil tyngdekraften dræner filmen. "Det fungerer som en barriere for varmeoverførsel, "Siger Miljkovic. Han og andre forskere har fokuseret på måder at opmuntre vand til at perle op i dråber, der derefter falder væk fra overfladen, muliggør hurtigere fjernelse af vand.

"Måden at fjerne den termiske barriere på er at fjerne [dråberne] så hurtigt som muligt, "siger han. Mange forskere har undersøgt måder at gøre dette på ved at skabe hydrofobe overflader, enten gennem kemisk behandling eller gennem overflademønster. Men Miljkovic og hans kolleger har nu taget dette et skridt videre ved at lave skalerbare overflader med nanoskala funktioner, der næsten ikke rører dråberne.

Resultatet:Dråber falder ikke bare fra overfladen, men spring faktisk væk fra det, øge effektiviteten af ​​processen. Den energi, der frigives, når små dråber smelter sammen for at danne større, er nok til at drive dråberne opad fra overfladen, hvilket betyder, at fjernelse af dråber ikke udelukkende afhænger af tyngdekraften.

Andre forskere har arbejdet på nanopatronede overflader for at fremkalde sådan springning, men disse har tendens til at være komplekse og dyre at fremstille, normalt kræver et rent rum miljø. Disse tilgange kræver også flade overflader, ikke slangen eller andre former, der ofte bruges i kondensatorer. Endelig, tidligere forskning har ikke testet den forbedrede varmeoverførsel, der forudsiges for disse typer overflader.

I et papir, der blev offentliggjort tidligt i 2012, MIT -forskerne viste, at dråbeformen er vigtig for forbedret varmeoverførsel. "Nu, vi er gået et skridt videre, "Miljkovic siger, "udvikle en overflade, der favoriserer denne slags dråber, samtidig med at den er meget skalerbar og let at fremstille. Desuden, Vi har faktisk været i stand til eksperimentelt at måle varmeoverførselsforbedringen. "

Mønsteret er udført, Miljkovic siger, ved hjælp af en simpel vådoxidationsproces lige på overfladen, der kan påføres kobberrør og -plader, der almindeligvis bruges i kommercielle kraftværker.

Selve det nanostrukturerede mønster er lavet af kobberoxid og dannes faktisk oven på kobberrøret. Processen producerer en overflade, der ligner en seng af små, spidse blade, der stikker op fra overfladen; disse nanoskala -punkter minimerer kontakten mellem dråberne og overfladen, gør frigivelse lettere.

Ikke alene kan de nanostrukturerede mønstre laves og påføres under stuetemperaturforhold, men vækstprocessen stopper naturligvis af sig selv. "Det er en selvbegrænsende reaktion, "Miljkovic siger, "uanset om du lægger det i [behandlingsopløsningen] i to minutter eller to timer."

Efter at det bladlignende mønster er oprettet, en hydrofob belægning påføres, når en dampopløsning binder sig til den mønstrede overflade uden at ændre formen væsentligt. Teamets eksperimenter viste, at effektiviteten af ​​varmeoverførsel ved hjælp af disse behandlede overflader kunne øges med 30 procent, sammenlignet med nutidens bedste hydrofobe kondenserende overflader.

Det betyder, Miljkovic siger, at processen egner sig til eftermontering af tusinder af kraftværker, der allerede er i drift rundt om i verden. Teknologien kan også være nyttig til andre processer, hvor varmeoverførsel er vigtig, såsom i affugtere og til varme- og kølesystemer til bygninger, siger forfatterne.

Udfordringer for denne tilgang er fortsat, Miljkovic siger:Hvis der dannes for mange dråber, de kan "oversvømme" overfladen, reducere dets varmeoverførselsevne. "Vi arbejder på at forsinke denne overfladeoversvømmelse og skabe mere robuste løsninger, der kan fungere godt [under] alle driftsbetingelser, " han siger.

Forskerteamet omfattede også postdocs Ryan Enright og Youngsuk Nam og kandidater Ken Lopez, Nicholas Dou og Jean Sack, alle af MITs maskintekniske afdeling.