Los tubos de calor son dispositivos para evitar que los equipos críticos se sobrecalienten. Transfieren calor de un punto a otro a través de un proceso de evaporación-condensación y se utilizan en todo, desde teléfonos celulares y computadoras portátiles hasta acondicionadores de aire y naves espaciales.

Normalmente, Los tubos de calor contienen mechas de metal poroso que devuelven el líquido al extremo calentado del tubo donde se evapora. Pero los ingenieros están trabajando para desarrollar tubos de calor sin mecha que sean más livianos y confiables. Los investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer iniciaron el proyecto Constrained Vapor Bubble (CVB) para estudiar estos tubos de calor sin mecha para su uso en entornos de gravedad cercana a cero para aplicaciones aeroespaciales.

"Las estructuras de mecha pueden ser difíciles de mantener limpias o intactas durante largos períodos de tiempo. El problema es especialmente agudo para las aplicaciones, como la misión Journey to Mars de la NASA, que dan prioridad a la confiabilidad y al mantenimiento mínimo, "dijo el profesor Joel Plawsky, quien dirige el Departamento de Ingeniería Química y Biológica de Isermann en Rensselaer.

Trabajando con un equipo de ingenieros de la NASA, los investigadores están llevando a cabo experimentos de CVB en la Estación Espacial Internacional. Plawsky y el investigador postdoctoral Thao Nguyen escribieron recientemente un artículo sobre el proyecto CVB en Física hoy , publicado por el Instituto Americano de Física.

"El proyecto CVB está diseñado para registrar, por primera vez, la distribución completa de vapor y líquido en una tubería de calor que opera en microgravedad. Los resultados podrían conducir al desarrollo de sistemas de refrigeración más eficientes en microelectrónica en la Tierra y en el espacio. ", Dijo Plawsky.

Una tecnología familiar en un entorno desconocido

Una tubería de calor está parcialmente llena con un fluido de trabajo, como el agua, y luego sellado. En la fuente de calor, o evaporador, el líquido absorbe calor y se vaporiza. El vapor viaja a lo largo del tubo de calor hasta el condensador, vuelve a licuar y libera su calor latente, eventualmente regresando al evaporador, sin partes móviles.

En el experimento CVB, El equipo de Plawsky creó un tubo de calor en miniatura, usando pentano (un líquido orgánico) en una cubeta de vidrio con esquinas cuadradas. Se conectó un calentador de resistencia eléctrica al extremo del evaporador. En el otro extremo, un conjunto de enfriadores termoeléctricos mantenía fija la temperatura del condensador. El tubo transparente permitió a los investigadores estudiar la dinámica de fluidos en detalle, y las esquinas afiladas de la cubeta reemplazaron el trabajo de la mecha.

Dos fuerzas principales afectan el rendimiento de una tubería de calor:las fuerzas capilares y de Marangoni. La fuerza capilar es lo que impulsa el líquido hacia el evaporador. Esta es la misma fuerza que hace que el líquido suba por una pajita. La fuerza de Marangoni surge de un cambio en la tensión superficial del fluido con la temperatura. Esta fuerza se opone a la fuerza capilar e impulsa el líquido del evaporador al condensador.

Un acto de equilibrio

Cuando la cantidad de líquido que se evapora es mayor que la que puede ser bombeada por la fuerza capilar, el extremo del evaporador del tubo de calor comienza a secarse. Este "límite capilar" es la limitación de rendimiento más común de una tubería de calor.

Los investigadores esperaban que sucediera lo mismo en el experimento CVB. Pero, en lugar de, el evaporador se inundó con el líquido. Eso es porque el Marangoni y las fuerzas capilares ya no luchaban contra la gravedad. Como resultado, la fuerza de Marangoni dominó a la fuerza capilar, provocando condensación en el extremo del evaporador. Sin embargo, el efecto neto fue el mismo que si la tubería de calor se hubiera secado.

"A medida que crecía la región inundada, la tubería hizo un peor trabajo de evaporación del líquido, tal como sucedería si el calentador se estuviera secando, ", Dijo Plawsky.

Los investigadores han contrarrestado este problema en la siguiente etapa del proyecto CVB agregando una pequeña cantidad de isohexano al pentano. El isohexano hierve a una temperatura más alta y tiene una tensión superficial más alta. Este cambio en la tensión superficial anula la fuerza de Marangoni impulsada por la temperatura, restaurar el rendimiento de la tubería de calor.

"La Escuela de Ingeniería de Rensselaer y la NASA han tenido colaboraciones productivas y duraderas en varios proyectos de investigación importantes, "dijo el Decano de Ingeniería Shekhar Garde." El Dr. La investigación de la tubería de calor de Plawsky es un gran ejemplo de nuestro trabajo con la NASA para ayudar a traducir la comprensión fundamental de los líquidos en aplicaciones del mundo real aquí en la Tierra y en el espacio ".