La condensación del agua es crucial para el funcionamiento de la mayoría de las centrales eléctricas que proporcionan nuestra electricidad, ya sean alimentadas por carbón, gas natural o combustible nuclear. También es la clave para producir agua potable a partir de agua salada o salobre. Pero todavía hay grandes lagunas en la comprensión científica de cómo exactamente se condensa el agua en las superficies utilizadas para convertir el vapor de nuevo en agua en una central eléctrica. o condensar agua en una planta desaladora por evaporación.

Una nueva investigación realizada por un equipo del MIT ofrece nuevos conocimientos importantes sobre cómo se forman estas gotas, y formas de modelar las superficies colectoras a nanoescala para estimular la formación de gotas más rápidamente. Estos conocimientos podrían permitir una nueva generación de centrales eléctricas y plantas de desalinización significativamente más eficientes. dicen los investigadores.

Los nuevos resultados se publicaron en línea este mes en la revista. ACS Nano , una publicación de la American Chemical Society, en un artículo del estudiante graduado en ingeniería mecánica del MIT, Nenad Miljkovic, el postdoctorado Ryan Enright y la profesora asociada Evelyn Wang.

Aunque el análisis de los mecanismos de condensación es un campo antiguo, Miljkovic dice:ha resurgido en los últimos años con el auge de las tecnologías de micro y nanopatrones que dan forma a las superficies de condensación en un grado sin precedentes. La propiedad clave de las superficies que influye en el comportamiento de formación de gotas se conoce como "humectabilidad, ”Que determina si las gotas se mantienen altas en una superficie como gotas de agua en una plancha caliente, o se extienden rápidamente para formar una película delgada.

Es una pregunta clave para el funcionamiento de las centrales eléctricas, donde el agua se hierve usando combustibles fósiles o el calor de la fisión nuclear; el vapor resultante impulsa una turbina unida a una dinamo, produciendo electricidad. Después de salir de la turbina, el vapor necesita enfriarse y condensarse nuevamente en agua líquida, para que pueda volver a la caldera y comenzar de nuevo el proceso. (Eso es lo que sucede dentro de las gigantescas torres de enfriamiento que se ven en las centrales eléctricas).

Típicamente, sobre una superficie de condensación, las gotas crecen gradualmente mientras se adhieren al material a través de la tensión superficial. Una vez que se vuelven tan grandes que la gravedad supera la tensión superficial que los mantiene en su lugar, llueven en un recipiente debajo. Pero resulta que hay formas de hacer que caigan de la superficie, e incluso que "salten" de la superficie, en tamaños mucho más pequeños, mucho antes de que la gravedad se apodere. Eso reduce el tamaño de las gotas eliminadas y hace que la transferencia de calor resultante sea mucho más eficiente. Dice Miljkovic.

Un mecanismo es un patrón de superficie que anima a las gotas adyacentes a fusionarse. Mientras lo hacen, se libera energía, que "provoca un retroceso de la superficie, y las gotas realmente saltarán, ”Dice Miljkovic. Ese mecanismo se ha observado antes, él nota, pero el nuevo trabajo “agrega un nuevo capítulo a la historia. Pocos investigadores han observado en detalle el crecimiento de las gotas antes del salto ”.

Eso es importante porque incluso si el efecto de salto permite que las gotas abandonen la superficie más rápido de lo que lo harían de otra manera, si su crecimiento se retrasa, en realidad, podría reducir la eficiencia. En otras palabras, no es solo el tamaño de la gota cuando se libera lo que importa, pero también lo rápido que crece hasta ese tamaño.

“Esto no se ha identificado antes, ”Dice Miljkovic. Y en muchos casos el equipo encontró, "Cree que está obteniendo una transferencia de calor mejorada, pero en realidad está empeorando la transferencia de calor ".

En investigaciones anteriores, "La transferencia de calor no se ha medido explícitamente, "Él dice, porque es difícil de medir y el campo de condensación con patrones de superficie es todavía bastante joven. Al incorporar mediciones de las tasas de crecimiento de las gotas y la transferencia de calor en sus modelos informáticos, el equipo del MIT pudo comparar una variedad de enfoques para el patrón de la superficie y encontrar aquellos que realmente proporcionaban la transferencia de calor más eficiente.

Un enfoque ha sido crear un bosque de pilares diminutos en la superficie:las gotas tienden a asentarse sobre los pilares mientras solo humedecen localmente la superficie en lugar de humedecer toda la superficie, minimizando el área de contacto y facilitando una liberación más fácil. Pero los tamaños exactos, espaciado, Las relaciones de ancho a alto y la rugosidad a nanoescala de los pilares pueden marcar una gran diferencia en su funcionamiento. el equipo encontró.

“Demostramos que nuestras superficies mejoraron la transferencia de calor hasta en un 71 por ciento [en comparación con las planas, superficies no humectantes que se utilizan actualmente solo en sistemas de condensador de alta eficiencia] si las adapta correctamente, ”Dice Miljkovic. Con más trabajo para explorar variaciones en patrones de superficie, debería ser posible mejorar aún más, él dice.

La eficiencia mejorada también podría mejorar la tasa de producción de agua en las plantas que producen agua potable a partir de agua de mar. o incluso en los nuevos sistemas propuestos de energía solar que se basan en maximizar el área de superficie del evaporador (colector solar) y minimizar el área de superficie del condensador (intercambiador de calor) para aumentar la eficiencia general de la recolección de energía solar. Un sistema similar podría mejorar la eliminación de calor en los chips de computadora, que a menudo se basa en la evaporación interna y la recondensación de un líquido de transferencia de calor a través de un dispositivo llamado tubo de calor.

Chuan-Hua Chen, un profesor asistente de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en la Universidad de Duke que no participó en este trabajo, dice, “Es intrigante ver la coexistencia de gotas de condensado en forma de esfera y de globo en la misma estructura. Se sabe muy poco a las escalas resueltas por el microscopio electrónico ambiental utilizado en este artículo. Estos hallazgos probablemente influirán en la investigación futura sobre materiales anti-rocío y ... condensadores ".

El siguiente paso en la investigación, en marcha ahora, es ampliar los hallazgos de los experimentos de gotas y el modelado por computadora, y encontrar configuraciones y formas aún más eficientes de fabricarlos de manera rápida y económica a escala industrial, Dice Miljkovic.

Este trabajo fue apoyado como parte del MIT S3TEC Center, un Energy Frontier Research Center financiado por el Departamento de Energía de EE. UU.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.