解决冷凝之谜

在冬天,当进入一个温暖的建筑物时,冷凝物可能会毁坏木质咖啡桌或使玻璃杯起雾,但这并不是所有的不便之处;冷凝蒸发循环具有重要的应用价值。

Weisensee

水可以从“稀薄的空气”中获取,也可以通过冷凝的方式从海水淡化厂的盐中分离出来。由于冷凝液滴蒸发时会带走热量,这也是工业和高性能计算领域冷却过程的一部分。然而,当研究人员观察凝结的最新方法,他们看到了一些奇怪的现象:当一种特殊类型的表面覆盖着一层薄薄的油,似乎凝聚水滴随机飞过表面在高速度,与更大的水滴,合并模式而不是由重力引起的。

”的机械工程和机械工程助理教授帕特丽夏·韦森塞说:“就它们自身的相对尺寸而言,它们相距太远。”这些液滴的直径小于50微米圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院的材料科学。

we’我们都在以每秒1毫米的速度向更大的水滴移动

Peng Bai小水滴向大水滴移动。(动画:Weisensee实验室)

Weisensee和她实验室的博士生孙建兴(音译)已经确定,这种看似不稳定的运动是作用在液滴上的毛细力不平衡的结果。他们还发现,液滴的速度与油的粘度和液滴的大小有关,这意味着液滴的速度是可以控制的。

他们的研究结果发表在《软物质》杂志的网络版上。

“他们为什么要搬家?”

在工业中最常见的冷凝形式中,水蒸气冷凝在表面上形成一层厚厚的液体。这种方法被称为“膜状”冷凝。但另一种方法被证明在促进冷凝和随之而来的热量转移方面更有效:水滴状冷凝。

它被用于传统的疏水表面——那些排斥水的表面,例如不粘锅上的聚四氟乙烯涂层。然而,当暴露在热蒸汽中时,这些传统的不润湿表面会迅速退化。相反,几年前,研究人员发现,在粗糙或多孔疏水表面注入润滑油,如机油,会导致更快的凝结。重要的是,这些注入润滑油的表面(LIS)导致了高度流动和更小的水滴的形成,当涉及冷凝和蒸发时,这些水滴负责大部分的传热。

然而,在这个过程中,表面水滴的运动似乎不稳定——而且速度很快。维森泽说:“就它们的体积而言,它们移动的速度非常快。

问题是他们为什么要搬家?“”

维森西和她的团队利用高速显微镜和干涉术观察了整个过程,他们能够辨别出发生了什么,以及液滴大小、速度和油粘度之间的关系。

他们创造了水蒸气,并观察表面形成的小水滴。” Weisensee说:“第一个过程是小水滴凝聚成大水滴。毛细管力使油滴长大并覆盖在液滴上,形成半月板——不是膝盖肌肉,而是围绕液滴的一层弯曲的油。

石油在不停地移动,试图保持平衡,因为它覆盖了表面不同地方不同大小的液滴——如果一个大液滴在这里形成,半月板就会在它上面伸展,导致油层在其他地方收缩。收缩区域的任何小水滴都会迅速被拉向较大的水滴,从而导致富油和贫油地区。

在这个过程中,较大的液滴基本上在清除空间,这反过来为更多的小液滴的形成提供了空间。

注意到在“oil-poor”区域形成了较小的液滴。(动画:Weisensee实验室)

由于大部分的传热(约85%)是通过这些小水滴进行的,所以使用LIS进行水滴冷凝应该是一种更有效的散热和从蒸汽中获取水分的方法。由于水滴非常小,直径小于100微米,所以可以在更小的区域凝结。

还有一个好处。在“传统的”凝结过程中,重力是一种清除表面水分的力量,为新水滴的形成创造空间。表面是垂直放置的,水只是简单地流出。由于毛细管力在滴状冷凝充液表面起作用,所以表面的方向无关紧要。

她说,“它可能会被用于个人设备,”那里的定位在不断变化,“或者在太空中。”魏则西说,由于整个过程比传统的冷凝更有效,“这可能是一种不依赖重力清理空间的好方法。”

接下来,Weisensee的团队将测量传热,以确定在LIS上滴状冷凝过程中,更小的水滴是否更有效。他们还计划研究不同的表面,以最大限度地提高液滴的运动。


华盛顿大学圣路易斯分校(Washington University in St. Louis)麦凯维工程学院(McKelvey School of Engineering)通过一种新的融合范式,专注于智力方面的努力,并以优势为基础,尤其是在医学与健康、能源与环境、创业与安全等领域。96.5终身/终身和33个额外的全职教员,1361名本科生,1291名研究生和21000名校友,我们正在利用我们的伙伴关系与学术和行业合作伙伴——跨学科和世界各地,为解决21世纪最伟大的全球性挑战。

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