Experimental Investigations on Condensation of Water on Hydrophobic Structured Surfaces

Condensation is a pervasive phenomenon in both industrial processes and natural systems, governing the performance of heat exchangers in power plants and the availability of atmospheric moisture in arid regions. The efficiency of common condensers is limited by the slow drainage of condensed liquid, which normally appears in form of a film. This film adheres to the subcooled wall and therefore thermally insulates the wall from the water vapor. The application of (super)hydrophobic coatings to the condenser surface has shown to increase condensation efficiency by inducing dropwise condensation behavior on the surface, which is characterized by the efficient removal of condensate from the cold wall. However, the hydrophobic coatings required for this are either thermally insulating themselves or are not stable for long enough. As a result, the surfaces become hydrophilic and filmwise condensation occurs again. This leads to the central challenge in dropwise condensation research: The development of a hydrophobic coating to achieve enhanced surface wetting behavior and long-term stability while its thickness and resulting thermal resistance are minimized.

In this thesis, condensation on two hydrophobic surface modification strategies, polydimethylsiloxane (PDMS) and liquid flame spray (LFS) coatings, is investigated experimentally. The surface wetting behavior of water on the applied coatings and the resulting transport of heat and mass are analyzed with respect to the enhancement of condensation efficiency for heat transfer applications and freshwater harvesting.

Concerning heat transfer, the application of PDMS on copper substrates increases condensation efficiency by a factor of 1.6 during the first 8 h of operation and 1.1 over the subsequent 16 h. With respect to the surface wetting behavior, the sweeping frequency of departing condensate drops has a close coupling to the determined heat transfer coefficient. During the three day trial, the dropwise condensation mode nearly fully reverts to filmwise condensation mode. On LFS-coated surfaces, a 1.26x enhancement in condensation heat transfer with localized drainage inhomogeneities is found.

With respect to fresh water harvesting, the application of a PDMS coating increases the condensate yields compared to uncoated copper by up to 36%, while LFS enhances the performance by up to 56%. With respect to the surface wetting behavior, the determined contact angle hysteresis values on the surfaces are best suited to explain the yields for condensation from humid air. It has to be stated that the enhancement of condensation efficiency caused by the coating application vanishes after the second day of operation.

During the investigations on the microscale wetting behavior on PDMS-coated substrate, the determined drop size distribution matches the Rose model with a nucleation site density in the order of 1 · 10^10 m^−2. Further, the nucleation of new drops is inhibited by potential deformations of the PDMS coating along the three-phase contact line of sessile drops. These deformations further indicate insufficient adhesion of PDMS on copper substrates. On LFS, minimum drop diameters during coalescence-induced jumping of 4.19 µm, coalescence‐jump probabilities of 34-50%, and conversion efficiencies of surface energy to kinetic energy of 15% are quantified.

These findings demonstrate the potential to reduce condenser size and resource use through enhanced phase‐change efficiency, while highlighting critical avenues for future work: Improving the coating durability by adapting the manufacturing process based on the microscale deformation and delamination results is a crucial challenge for making the surfaces attractive for industrial application.

Kondensation beeinflusst sowohl industrielle Wärmeübertragung in Kraftwerken als auch die Trinkwassergewinnung in trockenen Regionen. Bei herkömmlicher Filmkondensation hemmt ein dünner Flüssigkeitsfilm den Wärmeübergang, während (super)hydrophobe Beschichtungen Tropfenkondensation fördern und so einen schnellen Kondensatabfluss ermöglichen. Die dafür erforderlichen Beschichtungen sind jedoch entweder selbst thermisch isolierend oder nicht lange genug stabil. Die Folge ist, dass die Oberflächen hydrophil werden und es wieder zur Filmkondensation kommt. Dies stellt die zentrale Herausforderung in der Forschung zur Tropfenkondensation dar: Die Entwicklung einer hydrophoben Beschichtung mit verbessertem Benetzungsverhalten und Langzeitstabilität bei gleichzeitiger Minimierung der Dicke und des daraus resultierenden thermischen Widerstands.

In dieser Arbeit wird die Kondensation auf zwei hydrophoben Oberflächenbeschichtungen, Polydimethylsiloxan (PDMS) und mittels Flammsprühpyrolyse (LFS), experimentell untersucht. Das Oberflächenbenetzungsverhalten von Wasser auf den aufgebrachten Beschichtungen und der daraus resultierende Wärme- und Stofftransport während der Kondensation werden im Hinblick auf die Verbesserung der Kondensationseffizienz für Wärmeübertragungsanwendungen und die Trinkwassergewinnung analysiert.

Mit Hinblick auf die Wärmeübertragung erhöht das Aufbringen von PDMS auf Kupfersubstraten die Kondensationseffizienz während der ersten 8 h um den Faktor 1,6 und im Anschluss um den Faktor 1,1. Während des dreitägigen Versuchs löst die Filmkondensation fast vollständig die initiale Tropfenkondensation ab. Auf LFS-beschichteten Oberflächen stellt sich eine 1,26-fache Steigerung des Wärmeübergangs mit lokalen Inhomogenitäten des Kondensatabfließens ein.

Bei der Trinkwassergewinnung erhöht das Aufbringen einer PDMS-Beschichtung die Ausbeute im Vergleich zu unbeschichtetem Kupfer um bis zu 36%, während LFS den Ertrag um bis zu 56% erhöht. Hinsichtlich des Benetzungsverhaltens eignen die ermittelten Kontaktwinkelhysteresewerte auf den Oberflächen am besten, um die Kondensatausbeuten zu erklären. Es ist festzustellen, dass die durch die Beschichtung hervorgerufene Steigerung der Kondensationsleistung nach dem zweiten Betriebstag verschwindet.

Bei den Untersuchungen zum mikroskaligen Benetzungsverhalten von Wasser auf PDMS-beschichteten Substraten stimmt die ermittelte Tropfengrößenverteilung mit dem Rose-Modell überein und es stellt sich eine Keimstellendichte frischer Kondensattropfen im Bereich von 1 · 10^10 m^−2 ein. Des Weiteren wird die Keimbildung neuer Tropfen durch mutmaßliche Verformungen der PDMS-Beschichtung entlang der Dreiphasenkontaktlinie der sessilen Tropfen gehemmt. Diese Verformungen deuten auf eine unzureichende Adhäsion von PDMS auf Kupfersubstraten hin. Auf LFS beträgt der minimale Tropfendurchmesser während des koaleszenzinduzierten Springens 4,19 µm und Koaleszenzsprungwahrscheinlichkeiten 34-50%. Dabei wird die Oberflächenenergie mit einer Effizienz von 15% in kinetische Energie des Tropfens umgewandelt.

Diese Ergebnisse zeigen das Potenzial zur Verringerung der Kondensatorgröße und des Ressourcenverbrauchs durch eine verbesserte Kondensationseffizienz und weisen gleichzeitig auf kritische Bereiche für künftige Arbeiten hin: Die Verbesserung der Haltbarkeit der Beschichtung durch Anpassung des Herstellungsprozesses auf der Grundlage der Ergebnisse der mikroskaligen Verformung und Delamination ist eine entscheidende Herausforderung, um die Oberflächen für die industrielle Anwendung attraktiv zu machen.