La ebullición del agua u otros fluidos es un paso intensivo en energía en el corazón de una amplia gama de procesos industriales, incluida la mayoría de las plantas generadoras de electricidad, muchos sistemas de producción química e incluso sistemas de refrigeración para productos electrónicos.

Mejorar la eficiencia de los sistemas que calientan y evaporan agua podría reducir significativamente su uso de energía. Ahora, los investigadores del MIT han encontrado una manera de hacer precisamente eso, con un tratamiento de superficie especialmente diseñado para los materiales utilizados en estos sistemas.

La eficiencia mejorada proviene de una combinación de tres tipos diferentes de modificaciones de la superficie, en diferentes escalas de tamaño. Los nuevos hallazgos se describen en la revista Advanced Materials en un artículo del recién graduado del MIT Youngsup Song Ph.D. '21, la profesora de ingeniería de Ford, Evelyn Wang, y otros cuatro en el MIT. Los investigadores señalan que este hallazgo inicial todavía está a escala de laboratorio y se necesita más trabajo para desarrollar un proceso práctico a escala industrial.

Hay dos parámetros clave que describen el proceso de ebullición:el coeficiente de transferencia de calor (HTC) y el flujo de calor crítico (CHF). En el diseño de materiales, generalmente existe una compensación entre los dos, por lo que cualquier cosa que mejore uno de estos parámetros tiende a empeorar el otro. Pero ambos son importantes para la eficiencia del sistema, y ​​ahora, después de años de trabajo, el equipo ha logrado una forma de mejorar significativamente ambas propiedades al mismo tiempo, a través de la combinación de diferentes texturas añadidas a la superficie de un material.

"Ambos parámetros son importantes", dice Song, "pero mejorar ambos parámetros juntos es un poco complicado porque tienen una compensación intrínseca". El motivo, explica, es "porque si tenemos muchas burbujas en la superficie de ebullición, eso significa que la ebullición es muy eficiente, pero si tenemos demasiadas burbujas en la superficie, pueden fusionarse, lo que puede formar un vapor". película sobre la superficie de ebullición". Esa película introduce resistencia a la transferencia de calor de la superficie caliente al agua. "Si tenemos vapor entre la superficie y el agua, eso impide la eficiencia de la transferencia de calor y reduce el valor CHF", dice.

Song, que ahora es un posdoctorado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, llevó a cabo gran parte de la investigación como parte de su trabajo de tesis doctoral en el MIT. Si bien los diversos componentes del nuevo tratamiento de superficie que desarrolló se habían estudiado previamente, los investigadores dicen que este trabajo es el primero en demostrar que estos métodos podrían combinarse para superar el compromiso entre los dos parámetros en competencia.

Agregar una serie de cavidades a microescala, o abolladuras, a una superficie es una forma de controlar la forma en que se forman las burbujas en esa superficie, manteniéndolas fijas de manera efectiva en las ubicaciones de las abolladuras y evitando que se extiendan en una película resistente al calor. En este trabajo, los investigadores crearon una serie de abolladuras de 10 micrómetros de ancho separadas por unos 2 milímetros para evitar la formación de películas. Pero esa separación también reduce la concentración de burbujas en la superficie, lo que puede reducir la eficiencia de ebullición. Para compensar eso, el equipo introdujo un tratamiento de superficie a una escala mucho más pequeña, creando pequeñas protuberancias y crestas a escala nanométrica, lo que aumenta el área de la superficie y promueve la tasa de evaporación debajo de las burbujas.

En estos experimentos, las cavidades se hicieron en los centros de una serie de pilares en la superficie del material. These pillars, combined with nanostructures, promote wicking of liquid from the base to their tops, and this enhances the boiling process by providing more surface area exposed to the water. In combination, the three "tiers" of the surface texture—the cavity separation, the posts, and the nanoscale texturing—provide a greatly enhanced efficiency for the boiling process, Song says.

"Those micro cavities define the position where bubbles come up," he says. "But by separating those cavities by 2 millimeters, we separate the bubbles and minimize the coalescence of bubbles." At the same time, the nanostructures promote evaporation under the bubbles, and the capillary action induced by the pillars supplies liquid to the bubble base. That maintains a layer of liquid water between the boiling surface and the bubbles of vapor, which enhances the maximum heat flux.

Although their work has confirmed that the combination of these kinds of surface treatments can work and achieve the desired effects, this work was done under small-scale laboratory conditions that could not easily be scaled up to practical devices, Wang says. "These kinds of structures we're making are not meant to be scaled in its current form," she says, but rather were used to prove that such a system can work. One next step will be to find alternative ways of creating these kinds of surface textures so these methods could more easily be scaled up to practical dimensions.

"Showing that we can control the surface in this way to get enhancement is a first step," she says. "Then the next step is to think about more scalable approaches." For example, though the pillars on the surface in these experiments were created using clean-room methods commonly used to produce semiconductor chips, there are other, less demanding ways of creating such structures, such as electrodeposition. There are also a number of different ways to produce the surface nanostructure textures, some of which may be more easily scalable.

There may be some significant small-scale applications that could use this process in its present form, such as the thermal management of electronic devices, an area that is becoming more important as semiconductor devices get smaller and managing their heat output becomes ever more important. "There's definitely a space there where this is really important," Wang says.

Even those kinds of applications will take some time to develop because typically thermal management systems for electronics use liquids other than water, known as dielectric liquids. These liquids have different surface tension and other properties than water, so the dimensions of the surface features would have to be adjusted accordingly. Work on these differences is one of the next steps for the ongoing research, Wang says.

This same multiscale structuring technique could also be applied to different liquids, Song says, by adjusting the dimensions to account for the different properties of the liquids. "Those kinds of details can be changed, and that can be our next step," he says. + Explora más

Discovery improves heat transfer in boiling

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.