De nombreuses installations industrielles dépendent de la condensation de la vapeur d'eau sur des plaques métalliques :Dans les centrales électriques, l'eau résultante est ensuite renvoyée dans une chaudière pour être à nouveau vaporisée; dans les usines de dessalement, il fournit un approvisionnement en eau propre. L'efficacité de telles plantes dépend de manière cruciale de la facilité avec laquelle des gouttelettes d'eau peuvent se former sur ces plaques métalliques, ou condensateurs, et avec quelle facilité ils tombent, laissant de la place à plus de gouttelettes pour se former.
La clé pour améliorer l'efficacité de ces installations est d'augmenter le coefficient de transfert de chaleur des condenseurs, une mesure de la facilité avec laquelle la chaleur peut être transférée de ces surfaces, explique Nenad Miljkovic, doctorant en génie mécanique au MIT. Dans le cadre de sa recherche de thèse, lui et ses collègues ont fait exactement cela :concevoir, fabriquer et tester une surface revêtue avec des motifs nanostructurés qui augmentent considérablement le coefficient de transfert de chaleur.
Les résultats de ces travaux ont été publiés dans la revue Lettres nano , dans un article co-écrit par Miljkovic, Evelyn Wang, professeure agrégée de génie mécanique, et cinq autres chercheurs du Device Research Lab (DRL) du département d'ingénierie mécanique du MIT.
Sur un typique, condenseur plat, la vapeur d'eau se condense pour former un film liquide à la surface, réduisant considérablement la capacité du condenseur à collecter plus d'eau jusqu'à ce que la gravité draine le film. "Il agit comme une barrière au transfert de chaleur, " dit Miljkovic. Lui et d'autres chercheurs se sont concentrés sur les moyens d'encourager l'eau à perler en gouttelettes qui tombent ensuite de la surface, permettant une élimination plus rapide de l'eau.
« Le moyen d'éliminer la barrière thermique est d'éliminer [les gouttelettes] le plus rapidement possible, " dit-il. De nombreux chercheurs ont étudié les moyens de le faire en créant des surfaces hydrophobes, soit par traitement chimique, soit par modelage de surface. Mais Miljkovic et ses collègues sont maintenant allés plus loin en créant des surfaces évolutives avec des fonctionnalités à l'échelle nanométrique qui touchent à peine les gouttelettes.
Le résultat :les gouttelettes ne tombent pas seulement de la surface, mais en fait s'en éloigner, augmentant l'efficacité du processus. L'énergie libérée lorsque de minuscules gouttelettes fusionnent pour former de plus grosses est suffisante pour propulser les gouttelettes vers le haut depuis la surface, ce qui signifie que l'élimination des gouttelettes ne dépend pas uniquement de la gravité.
D'autres chercheurs ont travaillé sur des surfaces à nanomotifs pour induire de tels sauts, mais ceux-ci ont tendance à être complexes et coûteux à fabriquer, nécessitant généralement un environnement de salle blanche. Ces approches nécessitent également des surfaces planes, pas le tube ou d'autres formes souvent utilisées dans les condenseurs. Finalement, les recherches antérieures n'ont pas testé le transfert de chaleur amélioré prévu pour ces types de surfaces.
Dans un article publié début 2012, les chercheurs du MIT ont montré que la forme des gouttelettes est importante pour améliorer le transfert de chaleur. "Maintenant, nous sommes allés un peu plus loin, " Miljkovic dit, " développer une surface qui favorise ce genre de gouttelettes, tout en étant hautement évolutif et facile à fabriquer. Par ailleurs, nous avons en fait pu mesurer expérimentalement l'amélioration du transfert de chaleur."
Le modelage est fait, Miljkovic dit, en utilisant un simple processus d'oxydation humide directement sur la surface qui peut être appliqué aux tubes et plaques de cuivre couramment utilisés dans les centrales électriques commerciales.
Le motif nanostructuré lui-même est composé d'oxyde de cuivre et se forme en fait au-dessus du tube de cuivre. Le processus produit une surface qui ressemble à un lit de minuscules, feuilles pointues dépassant de la surface; ces points nanométriques minimisent le contact entre les gouttelettes et la surface, facilitant la libération.
Non seulement les motifs nanostructurés peuvent être réalisés et appliqués dans des conditions de température ambiante, mais le processus de croissance s'arrête naturellement de lui-même. "C'est une réaction qui s'autolimite, " Miljkovic dit, « que vous le mettiez dans [la solution de traitement] pendant deux minutes ou deux heures. »
Une fois le motif en forme de feuille créé, un revêtement hydrophobe est appliqué lorsqu'une solution de vapeur se lie à la surface à motifs sans altérer de manière significative sa forme. Les expériences de l'équipe ont montré que l'efficacité du transfert de chaleur à l'aide de ces surfaces traitées pouvait être augmentée de 30 pour cent, par rapport aux meilleures surfaces de condensation hydrophobes d'aujourd'hui.
Cela signifie, Miljkovic dit, que le processus se prête à la modernisation de milliers de centrales déjà en service dans le monde. La technologie pourrait également être utile pour d'autres procédés où le transfert de chaleur est important, comme dans les déshumidificateurs et pour les systèmes de chauffage et de refroidissement des bâtiments, disent les auteurs.
Les défis de cette approche demeurent, Miljkovic dit :Si trop de gouttelettes se forment, ils peuvent "inonder" la surface, réduisant sa capacité de transfert de chaleur. "Nous travaillons à retarder cette inondation de surface et à créer des solutions plus robustes qui peuvent bien fonctionner [sous] toutes les conditions d'exploitation, " il dit.
L'équipe de recherche comprenait également les post-doctorants Ryan Enright et Youngsuk Nam et les étudiants de premier cycle Ken Lopez, Nicolas Dou et Jean Sack, tout le département d'ingénierie mécanique du MIT.
