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

Σαρκίρης, Παναγιώτης; Sarkiris, Panagiotis

dc.contributor.author	Σαρκίρης, Παναγιώτης	el
dc.contributor.author	Sarkiris, Panagiotis	en
dc.date.accessioned	2024-05-28T08:24:40Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59502
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.27198
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Συμπύκνωση	el
dc.subject	Διαβροχή	el
dc.subject	Υπερυδροφοβικότητα	el
dc.subject	Μεταφορά θερμότητας	el
dc.subject	Μίκρο-νάνο δόμηση	el
dc.title	Κατασκευή και χαρακτηρισμός υπερυδρόφοβων επιφανειών σε μέταλλα και πολυμερή για ενεργειακές εφαρμογές	el
heal.type	doctoralThesis
heal.secondaryTitle	Fabrication and characterization of superhydrophobic surfaces on metals and polymers for energy applications	en
heal.classification	Διαβροχή και Μεταφορά θερμότητας κατά τη συμπύκνωση	el
heal.dateAvailable	2025-05-27T21:00:00Z
heal.language	el
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-11-24
heal.abstract	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. Στο Κεφάλαιο 1 περιγράφονται οι βασικές έννοιες της διαβροχής καθώς και η χρησιμότητα των υπερυδρόφοβων επιφανειών σε διάφορες βιομηχανικές και τεχνολογικές εφαρμογές. Στο πρώτο μισό του Κεφαλαίου 2 πραγματοποιείται βιβλιογραφική επισκόπηση των μεθόδων κατασκευής υπερυδρόφοβων επιφανειών σε μεταλλικά υποστρώματα με βάση τις δύο προσεγγίσεις που αναφέρθηκαν παραπάνω. Το δεύτερο μισό του κεφαλαίου επικεντρώνεται στις βασικές έννοιες της συμπύκνωσης, όπως πυρηνοποίηση, συμπύκνωση υπό τη μορφή φιλμ, συμπύκνωση υπό τη μορφή διακριτών σταγόνων, αλλά και στα μοντέλα μετάδοσης θερμότητας που έχουν αναπτυχθεί για τις δύο μορφές της συμπύκνωσης. Στη συνέχεια αναλύονται διάφορες τεχνικές που έχουν χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση της συμπύκνωσης και της μεταφοράς θερμότητας κατά την αλλαγή φάσης, καθώς και κανόνες σχεδιασμού επιφανειών αλλά και παράγοντες που μπορούν να μειώσουν την απόδοση της μεταφοράς θερμότητας. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται μία εκτεταμένη σύνοψη όλων των παραπάνω, όπως επίσης και των μεθοδολογιών που έχουν χρησιμοποιηθεί σε διάφορες εργασίες από το 1930 έως και σήμερα. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφονται οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή και τον χαρακτηρισμό των επιφανειών, καθώς και διατάξεις για τον έλεγχο της συμπύκνωσης και της μετάδοσης θερμότητας κατά την αλλαγή φάσης. Στο ίδιο κεφάλαιο δίνονται οι βασικές έννοιες της μετρολογίας επιφανειών με τραχύτητα και περιγράφεται η μέθοδος της προσομοίωσης Monte Carlo. Το Κεφάλαιο 4 αφορά την πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε για την κατασκευή υπερυδρόφοβων επιφανειών μέσω της πρώτης προσέγγισης, δηλαδή της δημιουργίας τραχύτητας σε μεταλλικό υπόστρωμα και τη μετέπειτα μείωση της επιφανειακής του ενέργειας. Όσον αφορά την προσέγγιση αυτή, η μικροδόμηση στην επιφάνεια του αλουμινίου πραγματοποιείται μέσω χημικής εγχάραξης, ενώ η νανοδόμηση, μέσω της διαδικασίας της βοημιτοποίησης. Τη δημιουργία τοπογραφίας ακολουθεί ο χαρακτηρισμός των επιφανειών, μέσω παρατήρησης με μικροσκοπία ηλεκτρονικής σάρωσης, μετρολογικής ανάλυσης των εικόνων SEM των επιφανειών, καθώς και μέσω ανάπτυξης κώδικα που αναπαριστά τη τοπογραφία. Στη συνέχεια, η επιφανειακή ενέργεια των επιφανειών μειώνεται μέσω της επίστρωσης υδρόφοβων υμενίων, με τις τεχνικές της εναπόθεσης μέσω πλάσματος, εναπόθεσης εκ περιστροφής και ενστάλαξης διαλυμάτων PTFE, καθώς και εναποθέσεων αέριας φάσης. Στο Κεφάλαιο 5 περιγράφεται η συμπύκνωση θερμού ατμού στις επιφάνειες που κατασκευάστηκαν με βάση την πρώτη προσέγγιση, όπου έγινε έλεγχος της αντοχής τους, μέτρηση των διαμέτρων αποχώρησης των σταγόνων από τις επιφάνειες, και παρατήρηση του φαινομένου και της μορφής της συμπύκνωσης. Ανάλογα με τη συμπεριφορά των επιφανειών στη συμπύκνωση, πραγματοποιήθηκε η περαιτέρω βελτιστοποίηση τους ως προς την τοπογραφία τους και τις τεχνικές μείωσης της επιφανειακής τους ενέργειας. Στο υποκεφάλαιο 5.3 αναλύεται η επίδραση της τοπογραφίας στη συμπύκνωση μέσω του συνδυασμού παρατήρησης του φαινομένου και της μετρολογικής ανάλυσης των τοπογραφιών. Στο κεφάλαιο αυτό εισάγεται ένας κρίσιμος λόγος της απόστασης των μικροδομών προς την απόσταση των νανοδομών για την επίτευξη συμπύκνωσης κατά σταγόνες σε ιεραρχικά δομημένες επιφάνειες. Στο τέλος του Κεφαλαίου 5 δίνονται οι μετρήσεις μετάδοσης θερμότητας στις ανθεκτικότερες επιφάνειες της πρώτης προσέγγισης, στις οποίες ο ατμός συμπυκνώνεται υπό τη μορφή σταγόνων. Στο Κεφαλαίο 6 περιγράφεται η κατασκευή υπερυδρόφοβων επιφανειών σύμφωνα με τη δεύτερη προσέγγιση, δηλαδή την επίστρωση ενός υδρόφοβου υμενίου μεγάλου πάχους και τη μετέπειτα δημιουργία κατάλληλης τοπογραφίας πάνω σε αυτό. Αρχικά περιγράφεται η δημιουργία τοπογραφίας στο υμένιο μέσω εγχάραξης με πλάσμα οξυγόνου, καθώς και διάφορες μέθοδοι που δοκιμάστηκαν για την ενίσχυση και επαναφορά της υπερυδροφοβικότητας μετά την εγχάραξη. Στη συνέχεια του κεφαλαίου, περιγράφεται η δημιουργία τοπογραφίας μέσω της τεχνικής της θερμικής νανοαποτύπωσης, η οποία πραγματοποιήθηκε σε διάφορα υδρόφοβα υλικά. Στο Κεφάλαιο 7 περιγράφεται και αναλύεται η συμπύκνωση θερμού ατμού πάνω στις επιφάνειες της δεύτερης προσέγγισης όπου έγινε έλεγχος της αντοχής τους, μέτρηση των διαμέτρων αποχώρησης των σταγόνων από τις επιφάνειες, και παρατήρηση του φαινομένου και της μορφής της συμπύκνωσης. Στη συνέχεια του κεφαλαίου αυτού, αναλύονται τα αποτελέσματα της μετάδοσης θερμότητας κατά την αλλαγή φάσης στις ανθεκτικότερες επιφάνειες αυτής της προσέγγισης. Τέλος, στο Κεφάλαιο 8 δίνονται τα συμπεράσματα και οι καινοτομίες της παρούσας διατριβής, καθώς και προτάσεις για μελλοντική έρευνα.	el
heal.advisorName	Αναγνωστόπουλος, Ιωάννης	el
heal.advisorName	Γογγολίδης, Ευάγγελος	el
heal.advisorName	Τσερέπη, Αγγελική	el
heal.committeeMemberName	Αναγνωστόπουλος, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Γογγολίδης, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Τσερέπη, Αγγελική	el
heal.committeeMemberName	Έλληνας, Κοσμάς	el
heal.committeeMemberName	Κόκκορης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Κωνσταντούδης, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Μανόπουλος, Χρήστος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false