Una superficie resbaladiza para líquidos con una tensión superficial muy baja promueve la formación de gotas, facilitando la transferencia de calor. Crédito:Karim Khalil et Alabama .
A diferencia del agua, Los refrigerantes líquidos y otros fluidos que tienen una tensión superficial baja tienden a extenderse rápidamente en una hoja cuando entran en contacto con una superficie. Pero para muchos procesos industriales sería mejor si los fluidos formaran gotas, que podrían rodar o caerse de la superficie y llevarse el calor con ellos.
Ahora, Los investigadores del MIT han logrado un progreso significativo en la promoción de la formación y eliminación de gotas en dichos fluidos. Este enfoque podría conducir a mejoras de eficiencia en muchos procesos industriales a gran escala, incluida la refrigeración, ahorrando energía y reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero.
Los nuevos hallazgos se describen en la revista. Joule , en un artículo del estudiante de posgrado Karim Khalil, profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi, profesora de ingeniería química y rectora adjunta Karen Gleason, y otros cuatro.
A través de los años, Varanasi y sus colaboradores han logrado grandes avances en la mejora de la eficiencia de los sistemas de condensación que utilizan agua, como los sistemas de refrigeración utilizados para la generación de energía nuclear o de combustibles fósiles. Pero otros tipos de fluidos, como los que se utilizan en los sistemas de refrigeración, licuación recuperación de calor residual, y plantas de destilación, o materiales como el metano en las plantas de licuefacción de petróleo y gas:a menudo tienen una tensión superficial muy baja en comparación con el agua, lo que significa que es muy difícil hacer que formen gotas en una superficie. En lugar de, tienden a extenderse en una sábana, una propiedad conocida como humectación.
Pero cuando estas láminas de líquido cubren una superficie, proporcionan una capa aislante que inhibe la transferencia de calor, y la fácil transferencia de calor es crucial para que estos procesos funcionen de manera eficiente. "Si forma una película, se convierte en una barrera para la transferencia de calor, ", Dice Varanasi. Pero esa transferencia de calor aumenta cuando el líquido forma gotas rápidamente, que luego se fusionan, crecen y caen bajo la fuerza de la gravedad. Conseguir que los líquidos de baja tensión superficial formen gotitas y las eliminen fácilmente ha sido un gran desafío.
En sistemas de condensación que utilizan agua, la eficiencia general del proceso puede rondar el 40 por ciento, pero con fluidos de baja tensión superficial, la eficiencia se puede limitar a aproximadamente el 20 por ciento. Debido a que estos procesos están tan extendidos en la industria, incluso una pequeña mejora en esa eficiencia podría conducir a ahorros drásticos en combustible, y por tanto en las emisiones de gases de efecto invernadero, Dice Varanasi.
Al promover la formación de gotas, él dice, es posible lograr una mejora de cuatro a ocho veces en la transferencia de calor. Debido a que la condensación es solo una parte de un ciclo complejo, eso se traduce en una mejora de la eficiencia general de alrededor del 2 por ciento. Puede que no parezca mucho pero en estos enormes procesos industriales, incluso una fracción de un porcentaje de mejora se considera un logro importante con un gran impacto potencial. "En este campo, estás peleando por décimas de un por ciento, "Dice Khalil.
A diferencia de los tratamientos superficiales que Varanasi y su equipo han desarrollado para otros tipos de fluidos, que se basan en un material líquido mantenido en su lugar por una textura de superficie, en este caso, pudieron lograr el efecto repelente de fluidos utilizando una capa sólida muy delgada, de menos de una micra de espesor (una millonésima parte de un metro). Que la delgadez es importante, para garantizar que el revestimiento en sí no contribuya a bloquear la transferencia de calor, Khalil explica.
El revestimiento hecho de un polímero especialmente formulado, se deposita en la superficie mediante un proceso llamado deposición de vapor químico iniciado (iCVD), en el que el material de revestimiento se vaporiza y se injerta sobre la superficie a tratar, como una tubería de metal, para formar una capa fina. Este proceso fue desarrollado en el MIT por Gleason y ahora se usa ampliamente.
Los autores optimizaron el proceso iCVD ajustando el injerto de moléculas de recubrimiento en la superficie, con el fin de minimizar la acumulación de gotas de condensación y facilitar su fácil desprendimiento. El proceso podría llevarse a cabo in situ en equipos a escala industrial, y podría adaptarse a las instalaciones existentes para aumentar la eficiencia. El proceso es "independiente de los materiales, "Khalil dice, y se puede aplicar sobre superficies planas o tubos de acero inoxidable, cobre, titanio, u otros metales comúnmente usados en procesos de transferencia de calor por evaporación que involucran estos fluidos de baja tensión superficial. "Sea cual sea el material que se te ocurra, tiende a ser escalable con este proceso, " él añade.
El resultado neto es que en estas superficies, Los fluidos de condensación, como el metano líquido, formarán fácilmente pequeñas gotas que caen rápidamente de la superficie. haciendo espacio para que se formen más, y en el proceso derramando calor del metal a las gotitas que caen. Sin el revestimiento, el fluido se esparciría por toda la superficie y resistiría la caída, formando una especie de manta que retiene el calor. Pero con eso "la transferencia de calor mejora casi ocho veces, "Dice Khalil.
Un área en la que tales recubrimientos podrían desempeñar un papel útil, Varanasi dice:está en sistemas orgánicos de ciclo de Rankine, que se utilizan ampliamente para generar energía a partir del calor residual en una variedad de procesos industriales. "Estos son sistemas inherentemente ineficientes, " él dice, "pero esto podría hacerlos más eficientes".