Till skillnad från vatten, flytande köldmedier och andra vätskor som har låg ytspänning tenderar att spridas snabbt till ett ark när de kommer i kontakt med en yta. Men för många industriella processer skulle det vara bättre om vätskorna bildade droppar, som kan rulla eller falla av ytan och föra bort värme med sig.

Nu, forskare vid MIT har gjort betydande framsteg när det gäller att främja droppbildning och utsläpp i sådana vätskor. Detta tillvägagångssätt kan leda till effektivitetsförbättringar i många storskaliga industriella processer inklusive kylning, vilket sparar energi och minskar utsläppen av växthusgaser.

De nya fynden beskrivs i tidskriften Joule , i en uppsats av doktoranden Karim Khalil, professor i maskinteknik Kripa Varanasi, professor i kemiteknik och biträdande prost Karen Gleason, och fyra andra.

Över åren, Varanasi och hans medarbetare har gjort stora framsteg när det gäller att effektivisera kondenssystem som använder vatten, såsom kylsystem som används för fossil- eller kärnkraftsproduktion. Men andra typer av vätskor – som de som används i kylsystem, kondensering, spillvärmeåtervinning, och destillationsanläggningar, eller material som metan i olje- och gasanläggningar – har ofta mycket låg ytspänning jämfört med vatten, vilket betyder att det är väldigt svårt att få dem att bilda droppar på en yta. Istället, de tenderar att breda ut sig i ett lakan, en egenskap som kallas vätning.

Men när dessa flytande ark täcker en yta, de ger ett isolerande skikt som förhindrar värmeöverföring, och enkel värmeöverföring är avgörande för att dessa processer ska fungera effektivt. "Om det bildar en film, det blir ett hinder för värmeöverföring, "Säger Varanasi. Men den värmeöverföringen förstärks när vätskan snabbt bildar droppar, som sedan sammanfaller och växer och faller bort under tyngdkraften. Att få vätskor med låg ytspänning att bilda droppar och lätt släppa ut dem har varit en allvarlig utmaning.

I kondenseringssystem som använder vatten, den totala effektiviteten av processen kan vara cirka 40 procent, men med vätskor med låg ytspänning, verkningsgraden kan begränsas till cirka 20 procent. Eftersom dessa processer är så utbredda inom industrin, även en liten förbättring av den effektiviteten kan leda till dramatiska besparingar i bränsle, och därför i utsläpp av växthusgaser, säger Varanasi.

Genom att främja droppbildning, han säger, det är möjligt att uppnå en fyra- till åttafaldig förbättring av värmeöverföringen. Eftersom kondenseringen bara är en del av en komplex cykel, vilket innebär en total effektivitetsförbättring på cirka 2 procent. Det låter kanske inte så mycket, men i dessa enorma industriella processer anses till och med en bråkdel av en procents förbättring vara en stor prestation med stor potentiell påverkan. "Inom detta område, du kämpar för tiondels procent, " säger Khalil.

Till skillnad från ytbehandlingarna har Varanasi och hans team utvecklat för andra typer av vätskor, som förlitar sig på ett flytande material som hålls på plats av en ytstruktur, i det här fallet kunde de åstadkomma den vätskeavstötande effekten med en mycket tunn fast beläggning - mindre än en mikron tjock (en miljondels meter). Att tunnheten är viktig, för att säkerställa att beläggningen i sig inte bidrar till att blockera värmeöverföringen, Khalil förklarar.

Beläggningen, gjord av en speciellt formulerad polymer, deponeras på ytan med hjälp av en process som kallas initierad kemisk ångavsättning (iCVD), där beläggningsmaterialet förångas och ympas på ytan som ska behandlas, som ett metallrör, för att bilda en tunn beläggning. Denna process utvecklades vid MIT av Gleason och används nu flitigt.

Författarna optimerade iCVD -processen genom att ställa in ympning av beläggningsmolekyler på ytan, för att minimera fastsättningen av kondensdroppar och underlätta deras lätta utsläpp. Processen kan utföras på plats i industriell utrustning, och skulle kunna byggas om i befintliga installationer för att öka effektiviteten. Processen är "materialagnostisk, "Khalil säger, och kan appliceras på antingen plana ytor eller rör av rostfritt stål, koppar, titan, eller andra metaller som vanligtvis används i förångningsvärmeöverföringsprocesser som involverar dessa vätskor med låg ytspänning. "Vilket material du än kommer på, det tenderar att vara skalbart med denna process, " han lägger till.

Nettoresultatet är att på dessa ytor, kondenserande vätskor som flytande metan bildar lätt små droppar som snabbt faller av ytan, ger plats för fler att bildas, och i processen avger värme från metallen till de droppar som faller bort. Utan beläggning, vätskan skulle spridas ut över hela ytan och motstå att falla bort, bildar ett slags värmehållande filt. Men med det, "värmeöverföringen förbättras med nästan åtta gånger, " säger Khalil.

Ett område där sådana beläggningar kan spela en användbar roll, Varanasi säger, är i organiska Rankine -cykelsystem, som används i stor utsträckning för att generera kraft från spillvärme i en mängd olika industriella processer. "Detta är i sig ineffektiva system, " han säger, "men detta kan göra dem mer effektiva."