Κατασκευή και χαρακτηρισμός υπερυδρόφοβων επιφανειών σε μέταλλα και πολυμερή για ενεργειακές εφαρμογές

Abstract

A surface is characterized as superhydrophobic when the contact angle it forms with a water droplet is above 150° and its hysteresis angle is less than 10°. The contact angle represents the effect of the surface tension of a liquid in relation to the adhesive forces of the droplet with the surface, while the hysteresis angle represents the uniformity of the surface. To achieve superhydrophobicity, it is necessary to have an appropriate topography, which will minimize the contact of the surface with the droplet, and a low surface energy of the surface, which will reduce the adhesive forces with the droplet. In recent years, superhydrophobization of surfaces has drawn the attention of the scientific community due to its potential for application in many industrial and technological sectors, and particularly because of the possibilities it offers in terms of energy saving and optimization of existing processes. Specifically, the ice-phobic properties that superhydrophobization provides to wind turbine or aircraft blades result in the reduction of asymmetric stresses and, therefore, maintenance requirements, while simultaneously increasing their operational intervals. Additionally, the superhydrophobization of ship hulls contributes to the reduction of resistance during sailing, avoidance of algae adhesion, and consequently, reduction in the need for dry docking and simultaneous fuel savings. The superhydrophobization of liquid transport pipes results in the reduction of friction developed between the liquid and the pipe, thus minimizing the energy required for their transport. Finally, the most significant contribution of superhydrophobicity to global energy savings and environmental protection lies in the improvement of heat transfer in exchangers and condensers used in power generation plants. The production of electrical energy contributes more than any other activity to the consumption of fossil or nuclear fuels, making even a small improvement in the efficiency of the power generation thermodynamic cycle—specifically the Rankine cycle—have tremendous implications for fuel savings. As an example, it is mentioned that optimizing the power generation efficiency of a 900 MW lignite station from 40% to 40.1% results in a reduction of over 19,000 tons annually in coal consumption, which translates into a significant environmental benefit. The optimization of energy production facilities through superhydrophobic surfaces is achieved through the condensation of steam coming from the turbine as discrete droplets on the surfaces of the heat exchanger, which serves as a condenser in the Rankine cycle. The typical steam condensation on metallic surfaces occurs in the form of a water film which binds the surface and adds additional thermal resistances during the heat transfer released during condensation. In contrast, the form of condensation as discrete, highly mobile droplets increases the availability of the exchanger for further condensation and reduces the thermal resistances posed by the creation of a water film on the cold pipes of the exchangers. To achieve condensation in the form of discrete droplets, the substrates on which condensation occurs must have low surface energy and a small contact area with water. The low surface energy forces the shape of the droplet to approach spherical, because the intermolecular forces within the droplet overcome the forces that develop between it and the surface. Minimizing the contact area increases the mobility of the droplets and, therefore, the frequency of their departure from the surface. In this direction, the current Doctoral Thesis involves the construction and characterization of superhydrophobic surfaces on metallic substrates for their use in heat exchangers. Specifically, the objectives of the work are: a) the construction of superhydrophobic surfaces on metallic and polymeric substrates that are resistant to thermal and/or hydrolytic stress, b) the achievement of steam condensation in the form of discrete droplets on metallic superhydrophobic surfaces, in order to improve the performance of heat transfer during the phase change of steam. For the construction of the superhydrophobic surfaces, two different approaches were followed, which are based on the necessary criteria for achieving superhydrophobicity. The first approach includes the creation of hierarchical structuring on metallic substrates and the subsequent reduction of their surface energy, while the second involves the coating of a thick hydrophobic film and the subsequent creation of an appropriate topography on it.

Μία επιφάνεια χαρακτηρίζεται ως υπερυδρόφοβη όταν η γωνία επαφής της με μία σταγόνα νερού είναι άνω των 150° και η γωνία υστέρησής της είναι μικρότερη των 10°. Η γωνία επαφής εκφράζει την επίδραση της επιφανειακής τάσης ενός υγρού ως προς τις δυνάμεις πρόσδεσης της σταγόνας με την επιφάνεια, ενώ η γωνία υστέρησης αντιπροσωπεύει τις δυνάμεις συνάφειας της επιφάνειας με τη σταγόνα. Για την επίτευξη υπερυδροφοβικότητας είναι απαραίτητη η ύπαρξη κατάλληλης τοπογραφίας, ώστε να ελαχιστοποιηθεί η επαφή της επιφάνειας με τη σταγόνα, αλλά και η χαμηλή επιφανειακή ενέργεια της επιφάνειας, ώστε να μειωθούν οι δυνάμεις πρόσδεσης αυτής με το υγρό. Η υπερυδροφοβοποίηση επιφανειών έχει τραβήξει τα τελευταία χρόνια, την προσοχή της επιστημονικής κοινότητας εξαιτίας της δυνατότητας εφαρμογής των υπερυδρόφοβων επιφανειών σε πολλούς βιομηχανικούς και τεχνολογικούς τομείς, και ιδιαιτέρως λόγω των δυνατοτήτων που προσφέρουν ως προς την εξοικονόμηση ενέργειας και τη βελτιστοποίηση υπαρχουσών διεργασιών. Συγκεκριμένα, οι ιδιότητες αποφυγής προσκόλλησης πάγου που προσφέρει η υπερυδροφοβοποίηση των πτερυγίων ανεμογεννητριών και αεροσκαφών έχει ως συνέπεια τη μείωση των ασύμμετρων καταπονήσεων, και επομένως των απαιτήσεων συντήρησης τους, ενώ παράλληλα αυξάνει τις χρονικές περιόδους λειτουργίας τους. Επίσης η υπερυδροφοβοποίηση του κύτους των πλοίων συμβάλει σε μείωση της αντίστασης κατά την πλεύση και αποφυγή προσκόλλησης άλγης, κάτι το οποίο συνεπάγεται μείωση των αναγκών δεξαμενισμού και ταυτόχρονη εξοικονόμηση καυσίμου. Επιπλέον, η υπερυδροφοβοποίηση αγωγών μεταφοράς υγρών έχει ως αποτέλεσμα την ελάττωση της τριβής που αναπτύσσεται μεταξύ του υγρού και του αγωγού, οπότε και την ελαχιστοποίηση της ενέργειας που απαιτείται για τη μεταφορά τους. Τέλος, η σημαντικότερη συνεισφορά της υπερυδροφοβικότητας στην παγκόσμια εξοικονόμηση ενέργειας και προστασίας του περιβάλλοντος, έγκειται στη βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας στους συμπυκνωτές που χρησιμοποιούνται σε εργοστάσια παραγωγής ενέργειας. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί τη δραστηριότητα που απαιτεί τη μεγαλύτερη κατανάλωση καυσίμων, ορυκτών ή πυρηνικών, περισσότερο από κάθε άλλη ανθρώπινη δραστηριότητα, καθιστώντας την τον μεγαλύτερο παραγωγό αερίων του θερμοκηπίου. Εξαιτίας των τεράστιων ποσοτήτων καυσίμου που καταναλώνονται για την παραγωγή ενέργειας, και λόγω της χαμηλής απόδοσης των εγκαταστάσεων, ακόμα και μία μικρή βελτίωση της αποδοτικότητας του θερμοδυναμικού κύκλου παραγωγής ισχύος (κύκλος Rankine) έχει τεράστιες συνέπειες στην εξοικονόμηση καυσίμου, και επομένως στη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι η βελτιστοποίηση της αποδοτικότητας της παραγωγής ισχύος ενός λιγνιτικού σταθμού των 900 MW από 40% σε 40.1% έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση πάνω από 19.000 τόνων στην ετήσια κατανάλωση άνθρακα, κάτι το οποίο μεταφράζεται σε τεράστιο περιβαλλοντικό όφελος. Η βελτιστοποίηση των εγκαταστάσεων παραγωγής ενέργειας με τη χρήση υπερυδρόφοβων επιφανειών γίνεται μέσω της συμπύκνωσης του εκτονωμένου ατμού από τον στρόβιλο, υπό τη μορφή διακριτών σταγόνων πάνω στη μεταλλική επιφάνεια του εναλλάκτη θερμότητας, ο οποίος έχει τον ρόλο του συμπυκνωτή στον κύκλο Rankine. Η τυπική συμπύκνωση του ατμού πάνω σε μεταλλικές επιφάνειες συμβαίνει υπό τη μορφή φιλμ νερού το οποίο δεσμεύει την επιφάνεια και προσθέτει επιπλέον θερμικές αντιστάσεις κατά τη μεταφορά της θερμότητας που εκλύεται κατά τη συμπύκνωση. Αντίθετα, η μορφή της συμπύκνωσης ως διακριτές σταγόνες υψηλής κινητικότητας αυξάνει τη διαθεσιμότητα του εναλλάκτη για περαιτέρω συμπύκνωση και μειώνει τις θερμικές αντιστάσεις που θέτει η δημιουργία φιλμ νερού στους ψυχρούς σωλήνες των εναλλακτών. Για την επίτευξη συμπύκνωσης υπό τη μορφή διακριτών σταγόνων πρέπει τα υποστρώματα στα οποία γίνεται συμπύκνωση να έχουν χαμηλή επιφανειακή ενέργεια και μικρή επιφάνεια επαφής με το νερό. Η χαμηλή επιφανειακή ενέργεια εξαναγκάζει το σχήμα της σταγόνα να προσεγγίσει το σφαιρικό, λόγω του ότι οι διαμοριακές δυνάμεις εσωτερικά της σταγόνας υπερνικούν τις δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ αυτής και της επιφάνειας, ενώ η ελαχιστοποίηση της επιφάνειας επαφής αυξάνει την κινητικότητά των σταγόνων και επομένως τη συχνότητα αποχώρησής τους από την επιφάνεια. Στην κατεύθυνση αυτή, στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή πραγματοποιείται η κατασκευή και ο χαρακτηρισμός υπερυδρόφοβων επιφανειών σε μεταλλικά υποστρώματα για τη χρήση τους σε εναλλάκτες θερμότητας. Συγκεκριμένα, ο στόχος της εργασίας είναι: α) η κατασκευή ανθεκτικών σε θερμική ή / και υδρολυτική καταπόνηση υπερυδρόφοβων επιφανειών σε μεταλλικά υποστρώματα και πολυμερικά υμένια. β) η επίτευξη συμπύκνωσης ατμού υπό τη μορφή διακριτών σταγόνων πάνω σε μεταλλικές υπερυδρόφοβες επιφάνειες, προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση της μεταφοράς θερμότητας κατά την αλλαγή φάσης του ατμού. Για την κατασκευή των υπερυδρόφοβων επιφανειών ακολουθήθηκαν δύο διαφορετικές προσεγγίσεις, οι οποίες βασίζονται στα απαραίτητα κριτήρια επίτευξης υπερυδροφοβικότητας. Η πρώτη προσέγγιση περιλαμβάνει τη δημιουργία ιεραρχικής δόμησης σε μεταλλικά υποστρώματα, και τη μετέπειτα μείωση της επιφανειακής τους ενέργειας, ενώ η δεύτερη αφορά την επίστρωση ενός υδρόφοβου υμενίου μεγάλου πάχους και τη μετέπειτα δημιουργία κατάλληλης τοπογραφίας πάνω σε αυτό.