Verdamping speelt een belangrijke rol in stoomturbines van energiecentrales, warmtehuishouding en natuurlijk het koffiezetapparaat. Toch is het nu pas in detail beschreven door een groep Amerikaanse onderzoekers. De snelheid waarmee een vloeistof verdampt, blijkt grotendeels afhankelijk van de druk.
De onderzoekers maten de druk en temperatuur aan het vloeistofoppervlak tijdens de verdamping nauwkeurig. Zo volgden ze de veranderingen om de rol van druk in kaart te brengen.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
De resultaten ‘komen overeen met de theoretische voorspellingen’, zegt Zhengmao Lu van het Massachusetts Institute of Technology. Voor ingenieurs die aan verdampingsinstallaties werken, is het belangrijk dat deze theoretische modellen nu experimenteel bevestigd zijn.
Isolerende lucht
Er is een reden dat verdamping niet eerder in detail bekeken is: het meten van de temperatuur en druk aan het oppervlak van een vloeistof is notoir lastig. De isolerende werking van lucht heeft bijvoorbeeld een grote invloed. Daardoor is het moeilijk te meten welke verandering veroorzaakt worden door temperatuur- en drukvariaties in de vloeistof. Dankzij een nieuwe, zelf ontwikkelde techniek is het de onderzoekers nu gelukt om deze factoren te meten.
Voor het experiment gebruikten ze een membraan van slechts 200 nanometer (miljardste meter) dik. Hierin waren kleine poriën met een doorsnee van 100 nanometer aangebracht. Daarin goten ze water dat vervolgens elektrisch verwarmd werd tot het verdampte. Dit gebeurde in een afgesloten ruimte met enkel water en waterdamp, zodat lucht de metingen niet verstoorden.
Het membraan is gemaakt van siliciumnitride en bedekt met een dun laagje goud. ‘Het goud is hierbij cruciaal’, zegt Lu. De elektrische weerstand van goud verandert meetbaar als de temperatuur verandert. Met het membraan wordt de temperatuur dus zowel geregeld als gemeten. Dat maakt de temperatuurmeting nauwkeurig zonder de verdamping te verstoren.
Voordat ze de vloeistof verwarmden, bliezen de onderzoekers damp boven het vloeistofoppervlak. De druk van die ingeblazen damp varieerden ze gedurende het experiment.
Zo zagen de onderzoekers dat de verdampingssnelheid omhooggaat bij een groter drukverschil tussen de omringende damp en het vloeistofoppervlak. De combinatie van lage omgevingsdruk en hoge oppervlaktedruk zorgt voor snellere verdamping. Temperatuurverschillen tussen het oppervlak en de damp hebben een veel minder groot effect.
Het kostte de onderzoekers twee jaar om de techniek gevoelig genoeg te maken om de temperatuur- en drukverschillen te meten.
Stilstaand water
Het wekt vertrouwen dat de resultaten het theoretische model voor verdamping eindelijk bevestigen. De resultaten en het model kunnen gebruikt worden om toepassingen met verdamping te optimaliseren, schrijven de onderzoekers.
De onderzoekers keken enkel naar bijna stilstaand water. Dat roept de vraag op of druk in andere vloeistoffen en vloeistofmengsels en bij een hoge stroomsnelheid dezelfde (grote) rol speelt. Met de nieuwe membraantechniek kunnen deze en andere onderzoeks- en ontwerpvraagstukken onderzocht worden.