Капельная конденсация в масле ускоряет передачу тепла

Способ, называемый «капельной» конденсацией, как было показано, более эффективен для стимулирования капельного зародышеобразования и передачи тепла, которое сопровождает его

Конденсация водяного пара - распространенное в природе и широко используемое явление в промышленности, включая сбор воды, производство электроэнергии и опреснение. В отличие от традиционной пленочной конденсации, капельная конденсация на поверхностях, пропитанных смазочным материалом, может привести к увеличению скорости теплопередачи на порядок.

Когда тонкий слой масла покрывает поверхность, капли конденсированной воды, казалось, беспорядочно летят по поверхности с высокими скоростями, сливаясь с более крупными каплями, независимо от воздействия гравитации.

Обнаруживается, что скорость скольжения капель первоначально увеличивается и резко уменьшается при сокращении расстояния между ними. Максимальная скорость скольжения обратно пропорциональна вязкости масла и сильно зависит от размера капли.

«Они так далеко друг от друга, с точки зрения их собственных, относительных размеров» - капли имеют диаметр менее 100 микрометров - «и все же они растягиваются и движутся с очень высокими скоростями». «Все они движутся к большим каплям со скоростью до 1 мм в секунду». Эти результаты опубликованы в журнале Soft Matter.

Пленочная и капельная конденсация

При наиболее распространенном типе конденсации в промышленности, водяной пар конденсируется, образуя толстый слой жидкости на поверхности. Этот метод известен как «пленочная» конденсация. Но другой способ, называемый «капельной» конденсацией, как было показано, более эффективен для стимулирования капельного зародышеобразования и передачи тепла, которое сопровождает его.

Капельная конденсация раньше использовалась на традиционно гидрофобных поверхностях, которые отталкивают воду, например, тефлоновое покрытие на антипригарной сковороде. Однако эти традиционные не смачивающиеся плоскости быстро разлагаются при воздействии горячего пара.

Несколько лет назад, исследователи обнаружили, что добавление смазки, такой как масло, к шероховатой или пористой гидрофобной поверхности, приводит к более быстрой конденсации.

Важно отметить, что эти пропитанные смазкой поверхности приводили к образованию очень подвижных и более мелких капелек воды, которые ответственны за большую часть теплопередачи, когда речь идет о конденсации и испарении.

Однако в ходе этого процесса движение капель воды на поверхности казалось хаотичным и быстрым. «Они двигаются с очень высокой скоростью для своего размера» - около 100 микрон. «Вопрос в том, почему они двигаются?»

Капиллярные силы

Используя высокоскоростную микроскопию и интерферометрию для наблюдения за ходом процесса, исследователи смогли определить, что происходит, установив взаимосвязь между размером капель, скоростью и вязкостью масла.

Они создавали водяной пар и наблюдали, как маленькие капельки образуются на поверхности. «Первый этап процесса заключается в том, что маленькие капли объединяются и образуют более крупные капли». Капиллярные силы заставляют увеличивать содержание масла над каплями, образуя мениск - изогнутый слой масла, окружающий каплю.

Масло постоянно движется вокруг, пытаясь достичь баланса, поскольку оно покрывает капли разного размера в разных местах на поверхности и, если где-то образуется большая капля, мениск растягивается над ней, заставляя слой масла сжиматься где-то еще. Любые меньшие капли в зоне сжатия быстро вытягиваются в более крупные капли, что приводит к богатым и бедным маслом участкам.

Во время процесса более крупные капли, по существу, очищают пространство, что, в свою очередь, подготавливает место для образования более мелких капель.

Поскольку большая часть теплопередачи (около 85 процентов) происходит через эти маленькие капли, использование капельной конденсации должно стать более эффективным способом рассеивания тепла и получения воды из пара. А поскольку капли очень маленькие, диаметром менее 100 микрон, то конденсация может осуществляться на существенно меньшей площади.

Свобода пространства

Есть и еще одно преимущество. Во время «традиционной» конденсации сила тяжести - это сила, которая очищает поверхность от воды, освобождая место для образования новых капель. Если поверхность расположена вертикально, то вода просто стекает. При капельной конденсации на поверхностях, наполненных жидкостью, действуют капиллярные силы, поэтому ориентация не имеет значения.

«Это потенциально можно применять в портативных личных устройствах», «или в свободном пространстве». И поскольку сам процесс более эффективен, чем традиционная конденсация, «это хороший способ очистки плоскости без использования гравитации".

Источник: Washington University in St. Louis