La condensation de l'eau est cruciale pour le fonctionnement de la plupart des centrales électriques qui fournissent notre électricité - qu'elles soient alimentées au charbon, gaz naturel ou combustible nucléaire. C'est aussi la clé de la production d'eau potable à partir d'eau salée ou saumâtre. Mais il existe encore de grandes lacunes dans la compréhension scientifique de la manière exacte dont l'eau se condense sur les surfaces utilisées pour transformer la vapeur en eau dans une centrale électrique, ou pour condenser l'eau dans une usine de dessalement par évaporation.
De nouvelles recherches menées par une équipe du MIT offrent de nouvelles informations importantes sur la formation de ces gouttelettes, et des moyens de modeler les surfaces collectrices à l'échelle nanométrique pour encourager les gouttelettes à se former plus rapidement. Ces informations pourraient permettre une nouvelle génération de centrales électriques et d'usines de dessalement nettement plus efficaces, disent les chercheurs.
Les nouveaux résultats ont été publiés en ligne ce mois-ci dans la revue ACS Nano , une publication de l'American Chemical Society, dans un article de Nenad Miljkovic, étudiant diplômé en génie mécanique du MIT, postdoctoral Ryan Enright et professeur agrégé Evelyn Wang.
Bien que l'analyse des mécanismes de condensation soit un domaine ancien, Miljkovic dit, il est réapparu ces dernières années avec la montée en puissance des technologies de micro- et nano-modèles qui façonnent les surfaces de condensation à un degré sans précédent. La propriété clé des surfaces qui influence le comportement de formation de gouttelettes est connue sous le nom de « mouillabilité, " qui détermine si les gouttelettes se dressent haut sur une surface comme les gouttes d'eau sur une plaque chauffante, ou s'étaler rapidement pour former un film mince.
C'est une question clé pour le fonctionnement des centrales, où l'eau est bouillie en utilisant des combustibles fossiles ou la chaleur de la fission nucléaire ; la vapeur résultante entraîne une turbine attachée à une dynamo, produire de l'électricité. A la sortie de la turbine, la vapeur doit refroidir et se condenser en eau liquide, afin qu'il puisse retourner à la chaudière et recommencer le processus. (C'est ce qui se passe à l'intérieur des tours de refroidissement géantes vues dans les centrales électriques.)
Typiquement, sur une surface de condensation, les gouttelettes grossissent progressivement tout en adhérant au matériau par tension superficielle. Une fois qu'ils deviennent si gros que la gravité surmonte la tension superficielle qui les maintient en place, ils pleuvent dans un conteneur ci-dessous. Mais il s'avère qu'il existe des moyens de les faire tomber de la surface - et même de "sauter" de la surface - à des tailles beaucoup plus petites, bien avant que la gravité ne prenne le dessus. Cela réduit la taille des gouttelettes retirées et rend le transfert de chaleur résultant beaucoup plus efficace, dit Miljkovic.
Un mécanisme est un motif de surface qui encourage les gouttelettes adjacentes à fusionner. Comme ils le font, l'énergie est libérée, qui « provoque un recul de la surface, et les gouttelettes vont réellement sauter, ", dit Miljkovic. Ce mécanisme a déjà été observé, note-t-il, mais le nouveau travail « ajoute un nouveau chapitre à l'histoire. Peu de chercheurs ont examiné en détail la croissance des gouttelettes avant le saut.
C'est important car même si l'effet de saut permet aux gouttelettes de quitter la surface plus rapidement qu'elles ne le feraient autrement, si leur croissance est retardée, vous pourriez en fait réduire l'efficacité. En d'autres termes, ce n'est pas seulement la taille de la gouttelette lorsqu'elle est libérée qui compte, mais aussi à quelle vitesse il grandit jusqu'à cette taille.
"Cela n'a pas été identifié auparavant, ", dit Miljkovic. Et dans de nombreux cas, l'équipe a trouvé, « vous pensez que vous obtenez un transfert de chaleur amélioré, mais vous obtenez en fait un transfert de chaleur pire.
Dans des recherches antérieures, « le transfert de chaleur n'a pas été explicitement mesuré, " dit-il, car il est difficile à mesurer et le champ de condensation avec des motifs de surface est encore assez jeune. En incorporant des mesures des taux de croissance des gouttelettes et du transfert de chaleur dans leurs modèles informatiques, l'équipe du MIT a pu comparer diverses approches de la structuration de la surface et trouver celles qui fournissaient réellement le transfert de chaleur le plus efficace.
Une approche a consisté à créer une forêt de minuscules piliers à la surface :les gouttelettes ont tendance à s'asseoir au-dessus des piliers tout en ne mouillant que localement la surface plutôt que de mouiller toute la surface, minimisant la zone de contact et facilitant la libération plus facile. Mais les tailles exactes, espacement, les rapports largeur-hauteur et la rugosité nanométrique des piliers peuvent faire une grande différence dans leur fonctionnement, l'équipe a trouvé.
« Nous avons montré que nos surfaces amélioraient le transfert de chaleur jusqu'à 71 % [par rapport à plat, surfaces non mouillantes actuellement utilisées uniquement dans les systèmes de condenseur à haut rendement] si vous les adaptez correctement, ", dit Miljkovic. Avec plus de travail pour explorer les variations dans les motifs de surface, il devrait être possible de s'améliorer encore plus, il dit.
L'efficacité accrue pourrait également améliorer le taux de production d'eau dans les usines qui produisent de l'eau potable à partir d'eau de mer, ou même dans les nouveaux systèmes d'énergie solaire proposés qui reposent sur la maximisation de la surface de l'évaporateur (collecteur solaire) et la minimisation de la surface du condenseur (échangeur de chaleur) pour augmenter l'efficacité globale de la collecte de l'énergie solaire. Un système similaire pourrait améliorer l'évacuation de la chaleur dans les puces informatiques, qui est souvent basé sur l'évaporation interne et la recondensation d'un liquide caloporteur à travers un dispositif appelé caloduc.
Chuan Hua Chen, un professeur adjoint de génie mécanique et de science des matériaux à l'Université Duke qui n'a pas été impliqué dans ce travail, dit, « Il est fascinant de voir la coexistence de gouttes de condensat en forme de sphère et de ballon sur la même structure. On en sait très peu aux échelles résolues par le microscope électronique environnemental utilisé dans cet article. De telles découvertes influenceront probablement les futures recherches sur les matériaux anti-rosée et… les condenseurs.
La prochaine étape de la recherche, en cours maintenant, est d'étendre les résultats des expériences de gouttelettes et de la modélisation informatique - et de trouver des configurations et des moyens encore plus efficaces de les fabriquer rapidement et à moindre coût à l'échelle industrielle, dit Miljkovic.
Ce travail a été soutenu dans le cadre du MIT S3TEC Center, un centre de recherche Energy Frontier financé par le département américain de l'Énergie.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
