与水不同，液体制冷剂和其他具有低表面张力的流体在与表面接触时倾向于迅速扩散到片材中。但是对于许多工业过程而言，如果流体形成液滴会更好，这些液滴可能会从表面滚落或脱落并随之带走热量。
现在，麻省理工学院的研究人员在促进这些液体中的液滴形成和脱落方面取得了重大进展。这种方法可以提高包括制冷在内的许多大规模工业过程的效率，从而节约能源并减少温室气体排放。
Joule期刊，研究生Karim Khalil，机械工程教授Kripa Varanasi，化学工程教授和副教务长Karen Gleason以及其他四位研究人员在论文中描述了这一新发现。
多年来，瓦拉纳西及其合作者在提高使用水的冷凝系统的效率方面取得了很大进展，例如用于化石燃料或核能发电的冷却系统。但是其他类型的流体 - 例如制冷系统中使用的液体，液化，废热回收和蒸馏装置，或石油和天然气液化装置中的甲烷等材料 - 与水相比通常具有非常低的表面张力，这意味着让它们在表面上形成液滴是非常困难的。相反，它们倾向于在片材中展开，这种物质被称为润湿。
但是当这些液体薄膜涂覆在表面上时，它们提供了阻止热传递的绝缘层，并且容易的热传递对于使这些过程有效地起作用是至关重要的。“如果它形成一层薄膜，就会成为传热的障碍，”瓦拉纳西说。但是当液体快速形成液滴时，传热得到增强，然后液滴在重力作用下聚结，生长并逐渐消失。获得低表面张力的液体以形成液滴并轻易脱落是一项严峻的挑战。
在使用水的冷凝系统中，该过程的总效率可以为约40%，但是对于低表面张力的流体，效率可以限制在约20%。瓦拉纳西说，由于这些工艺在工业中如此普遍，即使效率的微小提高也可以大大节省燃料，从而节省温室气体排放。
他说，通过促进液滴形成，可以实现热传递的四到八倍的改善。因为冷凝只是复杂循环的一部分，这意味着整体效率提高了约2%。这可能听起来并不多，但在这些巨大的工业流程中，即使只有一小部分的改进也被视为具有巨大潜在影响的重大成就。“在这个领域，你的战斗力只有百分之十，”哈利勒说。
与瓦拉纳西和他的团队开发的其他种类流体不同，这种流体依赖于由表面纹理固定的液体材料，在这种情况下，他们能够使用非常薄的固体涂层实现流体排斥效果 - - 厚度小于一微米(百万分之一米)。Khalil解释说，这种薄度很重要，以确保涂层本身不会阻碍热传递。
由特殊配方的聚合物制成的涂层使用称为引发化学气相沉积(iCVD)的工艺沉积在表面上，其中涂层材料被蒸发并移植到待处理的表面上，例如金属管，以形成薄涂层。这个过程由格里森在麻省理工学院开发，现在被广泛使用。
作者通过调整涂层分子在表面上的接枝来优化iCVD工艺，以最大限度地减少冷凝液滴的钉扎并促进其易于脱落。该过程可以在工业规模设备中进行，并且可以改装到现有设备中以提高效率。Khalil说，这个过程是“材料不可知的”，可以应用于平面或由不锈钢，铜，钛或其他金属制成的管材，这些金属通常用于涉及这些低表面张力流体的蒸发传热过程。“无论你提出什么材料，它都可以通过这个过程进行扩展，”他补充道。
最终的结果是，在这些表面上，诸如液态甲烷之类的冷凝流体将很容易形成小液滴，这些小液滴迅速从表面脱落，为形成更多空间留出空间，并且在此过程中将金属的热量释放到掉落的液滴上。没有涂层，流体会在整个表面上扩散并抵抗掉落，形成一种保温毯。但有了它，“热传递几乎提高了八倍，”Khalil说。
瓦拉纳西说，这种涂料可以发挥有用作用的一个领域是有机朗肯循环系统，它广泛用于在各种工业过程中利用废热产生电力。“这些本质上是效率低下的系统，”他说，“但这可以使它们更有效率。”