Теперь исследователи из Массачусетского технологического института достигли значительного прогресса в способствовании образованию и осыпанию капель в таких жидкостях. Такой подход может привести к повышению эффективности многих крупномасштабных промышленных процессов, включая охлаждение, что приведет к экономии энергии и сокращению выбросов парниковых газов.
Новые открытия описаны в журнале Joule, в статье аспиранта Карима Халила, профессора машиностроения Крипа Варанаси, профессора химической инженерии и младшего проректора Карен Глисон и еще четырех человек.
За прошедшие годы Варанаси и его сотрудники добились большого прогресса в повышении эффективности систем конденсации, использующих воду, таких как системы охлаждения, используемые для выработки ископаемого топлива или ядерной энергии. Но другие виды жидкостей – например, те, которые используются в холодильных системах, установках сжижения, утилизации отработанного тепла и перегонных установках, или материалы, такие как метан в установках сжижения нефти и газа – часто имеют очень низкое поверхностное натяжение по сравнению с водой, а это означает, что очень трудно заставить их образовывать капли на поверхности.
Вместо этого они имеют тенденцию рассыпаться по листу – свойство, известное как смачивание.
Но когда эти листы жидкости покрывают поверхность, они создают изолирующий слой, который препятствует передаче тепла, и легкая передача тепла имеет решающее значение для обеспечения эффективной работы этих процессов. «Если он образует пленку, это становится препятствием для теплопередачи», – говорит Варанаси.
Но эта теплопередача усиливается, когда жидкость быстро образует капли, которые затем сливаются, растут и отпадают под действием силы тяжести. Получение жидкостей с низким поверхностным натяжением для образования капель и легкого их отделения было серьезной проблемой.
В конденсационных системах, использующих воду, общая эффективность процесса может составлять около 40 процентов, но с жидкостями с низким поверхностным натяжением эффективность может быть ограничена примерно до 20 процентов. По словам Варанаси, поскольку эти процессы настолько широко распространены в промышленности, даже незначительное повышение эффективности может привести к значительной экономии топлива и, следовательно, выбросов парниковых газов.
По его словам, способствуя образованию капель, можно добиться улучшения теплопередачи в четыре-восемь раз. Поскольку конденсация – это всего лишь одна часть сложного цикла, это приводит к общему повышению эффективности примерно на 2 процента.
Это может показаться не таким уж большим, но в этих огромных промышленных процессах даже небольшая доля улучшения считается крупным достижением с большим потенциальным воздействием. «В этой области вы сражаетесь за десятые доли процента», – говорит Халил.
В отличие от обработки поверхности, которую Варанаси и его команда разработали для других видов жидкостей, которые полагаются на жидкий материал, удерживаемый на месте текстурой поверхности, в этом случае они смогли достичь эффекта отталкивания жидкости, используя очень тонкое твердое покрытие – – толщиной менее микрона (одна миллионная метра). По словам Халила, эта толщина важна для того, чтобы само покрытие не препятствовало передаче тепла.
Покрытие, изготовленное из специально разработанного полимера, наносится на поверхность с использованием процесса, называемого инициированным химическим осаждением из паровой фазы (iCVD), при котором материал покрытия испаряется и наносится на обрабатываемую поверхность, например, на металлическую трубу, чтобы образовывать тонкое покрытие.
Этот процесс был разработан в Массачусетском технологическом институте Глисоном и сейчас широко используется.
Авторы оптимизировали процесс iCVD, настроив прививку молекул покрытия на поверхность, чтобы минимизировать закрепление конденсирующихся капель и облегчить их отрыв. Процесс может осуществляться на месте на промышленном оборудовании и может быть модернизирован в существующие установки для повышения эффективности. По словам Халила, этот процесс «не зависит от материалов» и может применяться как на плоских поверхностях, так и на трубах из нержавеющей стали, меди, титана или других металлов, обычно используемых в процессах испарительной теплопередачи, в которых используются жидкости с низким поверхностным натяжением. «Какой бы материал вы ни придумали, его можно масштабировать с помощью этого процесса», – добавляет он.
Конечный результат заключается в том, что на этих поверхностях конденсирующиеся жидкости, такие как жидкий метан, будут легко образовывать маленькие капли, которые быстро падают с поверхности, освобождая место для образования большего количества и в процессе передачи тепла от металла к каплям, которые падают. Без покрытия жидкость растекалась бы по всей поверхности и сопротивлялась падению, образуя своего рода теплоудерживающее одеяло. Но с ним «теплопередача улучшается почти в восемь раз», – говорит Халил.
По словам Варанаси, одна из областей, где такие покрытия могут сыграть полезную роль, – это системы с органическим циклом Ренкина, которые широко используются для выработки энергии из отходящего тепла в различных промышленных процессах. «Это по своей сути неэффективные системы, – говорит он, – но это может сделать их более эффективными."
Исследование поддержано партнерством Shell и MIT Energy Initiative.