Kondensering av vatten är avgörande för driften av de flesta av de kraftverk som tillhandahåller vår el - oavsett om de drivs av kol, naturgas eller kärnbränsle. Det är också nyckeln till att producera dricksvatten från salt eller bräckt vatten. Men det finns fortfarande stora luckor i den vetenskapliga förståelsen av exakt hur vatten kondenserar på de ytor som används för att förvandla ånga tillbaka till vatten i ett kraftverk, eller för att kondensera vatten i en förångningsbaserad avsaltningsanläggning.
Ny forskning av ett team vid MIT ger viktiga nya insikter om hur dessa droppar bildas, och sätt att mönstra uppsamlingsytorna i nanoskala för att uppmuntra droppar att bildas snabbare. Dessa insikter skulle kunna möjliggöra en ny generation av betydligt effektivare kraftverk och avsaltningsanläggningar, säger forskarna.
De nya resultaten publicerades online denna månad i tidskriften ACS Nano , en publikation från American Chemical Society, i en uppsats av MIT maskinteknik doktorand Nenad Miljkovic, postdoc Ryan Enright och docent Evelyn Wang.
Även om analys av kondensationsmekanismer är ett gammalt område, Miljkovic säger, den har återuppstått under de senaste åren med framväxten av mikro- och nanomönstertekniker som formar kondenserande ytor i en aldrig tidigare skådad grad. Den viktigaste egenskapen hos ytor som påverkar droppbildande beteende är känd som "vätbarhet, ” som avgör om droppar står högt på en yta som vattendroppar på en het stekpanna, eller bred ut snabbt för att bilda en tunn film.
Det är en fråga som är nyckeln till driften av kraftverk, där vatten kokas med hjälp av fossilt bränsle eller värmen från kärnklyvning; den resulterande ångan driver en turbin kopplad till en dynamo, producerar el. Efter att ha lämnat turbinen, ångan måste svalna och kondensera tillbaka till flytande vatten, så att den kan återgå till pannan och börja processen igen. (Det är vad som händer inuti de gigantiska kyltornen som ses vid kraftverk.)
Vanligtvis, på en kondenserande yta, dropparna växer gradvis större samtidigt som de fäster vid materialet genom ytspänning. När de väl blir så stora att gravitationen övervinner ytspänningen som håller dem på plats, de regnar ner i en container nedanför. Men det visar sig att det finns sätt att få dem att falla från ytan - och till och med att "hoppa" från ytan - i mycket mindre storlekar, långt innan gravitationen tar över. Det minskar storleken på de borttagna dropparna och gör den resulterande värmeöverföringen mycket effektivare, säger Miljkovic.
En mekanism är ett ytmönster som uppmuntrar intilliggande droppar att smälta samman. När de gör det, energi frigörs, som "orsakar en rekyl från ytan, och droppar kommer faktiskt att hoppa av, säger Miljkovic. Den mekanismen har observerats tidigare, han noterar, men det nya verket "lägger till ett nytt kapitel till historien. Få forskare har tittat på dropparnas tillväxt före hoppningen i detalj."
Det är viktigt eftersom även om hoppeffekten tillåter droppar att lämna ytan snabbare än de annars skulle, om deras tillväxt släpar efter, du kan faktiskt minska effektiviteten. Med andra ord, det är inte bara storleken på droppen när den släpps som spelar roll, men också hur snabbt den växer till den storleken.
"Detta har inte identifierats tidigare, säger Miljkovic. Och i många fall, laget hittade, "du tror att du får förbättrad värmeöverföring, men du får faktiskt sämre värmeöverföring."
I tidigare forskning, "värmeöverföring har inte explicit mätts, " säger han, eftersom det är svårt att mäta och området för kondens med ytmönster är fortfarande ganska ungt. Genom att införliva mätningar av dropptillväxthastigheter och värmeöverföring i sina datormodeller, MIT-teamet kunde jämföra en mängd olika tillvägagångssätt för ytmönstringen och hitta de som faktiskt gav den mest effektiva värmeöverföringen.
Ett tillvägagångssätt har varit att skapa en skog av små pelare på ytan:droppar tenderar att sitta ovanpå pelarna medan de bara väter ytan lokalt istället för att väta hela ytan, minimerar kontaktområdet och underlättar frigöring. Men de exakta storlekarna, mellanrum, bredd-till-höjd-förhållanden och nanoskala ojämnhet hos pelarna kan göra stor skillnad i hur väl de fungerar, laget hittade.
"Vi visade att våra ytor förbättrade värmeöverföringen med upp till 71 procent [jämfört med plana, icke-vätande ytor som för närvarande endast används i högeffektiva kondensorsystem] om du skräddarsyr dem på rätt sätt, säger Miljkovic. Med mer arbete för att utforska variationer i ytmönster, det borde vara möjligt att förbättra ytterligare, han säger.
Den ökade effektiviteten kan också förbättra hastigheten för vattenproduktion i anläggningar som producerar dricksvatten från havsvatten, eller till och med i föreslagna nya solenergisystem som bygger på att maximera förångarens (solfångare) yta och minimera kondensorns (värmeväxlarens) yta för att öka den totala effektiviteten av solenergiinsamlingen. Ett liknande system kan förbättra värmeavlägsningen i datorchips, som ofta bygger på intern avdunstning och återkondensering av en värmeöverföringsvätska genom en anordning som kallas ett värmerör.
Chuan-Hua Chen, en biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke University som inte var involverad i detta arbete, säger, "Det är spännande att se samexistensen av både sfäriska och ballongformade kondensatdroppar på samma struktur. Mycket lite är känt på de skalor som löses upp av det miljöelektronmikroskop som används i denna uppsats. Sådana fynd kommer sannolikt att påverka framtida forskning om anti-daggmaterial och ... kondensatorer."
Nästa steg i forskningen, pågår nu, är att utöka resultaten från droppexperimenten och datormodelleringen – och att hitta ännu effektivare konfigurationer och sätt att tillverka dem snabbt och billigt i industriell skala, säger Miljkovic.
Detta arbete stöddes som en del av MIT S3TEC Center, ett Energy Frontier Research Center finansierat av U.S. Department of Energy.
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
