Contrairement à l'eau, les réfrigérants liquides et autres fluides qui ont une faible tension superficielle ont tendance à se répandre rapidement dans une feuille lorsqu'ils entrent en contact avec une surface. Mais pour de nombreux processus industriels, il serait préférable que les fluides forment des gouttelettes, qui pourraient rouler ou tomber de la surface et emporter la chaleur avec eux.

Maintenant, les chercheurs du MIT ont fait des progrès significatifs dans la promotion de la formation de gouttelettes et de leur élimination dans de tels fluides. Cette approche pourrait conduire à des améliorations de l'efficacité dans de nombreux processus industriels à grande échelle, y compris la réfrigération, économisant ainsi de l'énergie et réduisant les émissions de gaz à effet de serre.

Les nouvelles découvertes sont décrites dans la revue Joule , dans un article de l'étudiant diplômé Karim Khalil, professeur de génie mécanique Kripa Varanasi, professeur de génie chimique et provost associé Karen Gleason, et quatre autres.

Au cours des années, Varanasi et ses collaborateurs ont fait de grands progrès dans l'amélioration de l'efficacité des systèmes de condensation qui utilisent de l'eau, comme les systèmes de refroidissement utilisés pour la production d'électricité à partir de combustibles fossiles ou nucléaire. Mais d'autres types de fluides, tels que ceux utilisés dans les systèmes de réfrigération, liquéfaction, récupération de chaleur perdue, et usines de distillation, ou des matériaux tels que le méthane dans les usines de liquéfaction du pétrole et du gaz - ont souvent une tension superficielle très faible par rapport à l'eau, ce qui signifie qu'il est très difficile de les faire former des gouttelettes sur une surface. Au lieu, ils ont tendance à s'étaler en feuille, une propriété connue sous le nom de mouillage.

Mais quand ces feuilles de liquide recouvrent une surface, ils fournissent une couche isolante qui inhibe le transfert de chaleur, et un transfert de chaleur facile est crucial pour que ces processus fonctionnent efficacement. « Si ça forme un film, il devient une barrière au transfert de chaleur, " dit Varanasi. Mais ce transfert de chaleur est amélioré lorsque le liquide forme rapidement des gouttelettes, qui ensuite fusionnent et grandissent et tombent sous la force de gravité. Faire en sorte que des liquides à faible tension superficielle forment des gouttelettes et les évacuent facilement a été un sérieux défi.

Dans les systèmes de condensation qui utilisent de l'eau, l'efficacité globale du processus peut être d'environ 40 pour cent, mais avec des fluides à faible tension superficielle, l'efficacité peut être limitée à environ 20 pour cent. Parce que ces procédés sont si répandus dans l'industrie, même une petite amélioration de cette efficacité pourrait conduire à des économies considérables de carburant, et donc en émissions de gaz à effet de serre, dit Varanasi.

En favorisant la formation de gouttelettes, il dit, il est possible d'obtenir une amélioration de quatre à huit fois du transfert de chaleur. Parce que la condensation n'est qu'une partie d'un cycle complexe, cela se traduit par une amélioration globale de l'efficacité d'environ 2 %. Cela peut sembler peu, mais dans ces énormes processus industriels, même une fraction d'un pour cent d'amélioration est considérée comme une réalisation majeure avec un grand impact potentiel. "Dans ce champ, tu te bats pour des dixièmes de pour cent, " dit Khalil.

Contrairement aux traitements de surface que Varanasi et son équipe ont développés pour d'autres types de fluides, qui reposent sur un matériau liquide maintenu en place par une texture de surface, dans ce cas, ils ont pu accomplir l'effet repoussant les fluides en utilisant un revêtement solide très fin, d'une épaisseur inférieure à un micron (un millionième de mètre). Cette minceur est importante, pour s'assurer que le revêtement lui-même ne contribue pas à bloquer le transfert de chaleur, Khalil explique.

Le revêtement, fait d'un polymère spécialement formulé, est déposé sur la surface à l'aide d'un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur initié (iCVD), dans lequel le matériau de revêtement est vaporisé et se greffe sur la surface à traiter, comme un tuyau métallique, pour former une fine couche. Ce procédé a été développé au MIT par Gleason et est maintenant largement utilisé.

Les auteurs ont optimisé le procédé iCVD en ajustant le greffage de molécules de revêtement sur la surface, afin de minimiser l'accrochage des gouttelettes de condensation et de faciliter leur élimination facile. Le processus pourrait être effectué sur place dans des équipements à l'échelle industrielle, et pourrait être installé dans les installations existantes pour augmenter l'efficacité. Le processus est « agnostique des matériaux, " Khalil dit, et peut être appliqué sur des surfaces planes ou des tubes en acier inoxydable, le cuivre, titane, ou d'autres métaux couramment utilisés dans les procédés de transfert de chaleur par évaporation qui impliquent ces fluides à faible tension superficielle. "Quel que soit le matériel que vous proposez, il a tendance à être évolutif avec ce processus, " il ajoute.

Le résultat net est que sur ces surfaces, les fluides de condensation tels que le méthane liquide forment facilement de petites gouttelettes qui tombent rapidement de la surface, faire de la place à plus pour se former, et dans le processus, la chaleur du métal est évacuée vers les gouttelettes qui tombent. Sans le revêtement, le fluide s'étalerait sur toute la surface et résisterait à la chute, formant une sorte de couverture retenant la chaleur. Mais avec ça, "le transfert de chaleur s'améliore de près de huit fois, " dit Khalil.

Un domaine où de tels revêtements pourraient jouer un rôle utile, Varanasi dit, est dans les systèmes organiques du cycle de Rankine, qui sont largement utilisés pour produire de l'électricité à partir de la chaleur résiduelle dans une variété de procédés industriels. "Ce sont des systèmes intrinsèquement inefficaces, " il dit, "mais cela pourrait les rendre plus efficaces."