Muchas plantas industriales dependen del vapor de agua que se condensa en placas de metal:en las plantas de energía, el agua resultante se devuelve luego a una caldera para ser vaporizada nuevamente; en plantas desaladoras, produce un suministro de agua limpia. La eficiencia de tales plantas depende fundamentalmente de la facilidad con la que se puedan formar gotas de agua en estas placas de metal. o condensadores, y con qué facilidad se caen, dejando espacio para que se formen más gotas.

La clave para mejorar la eficiencia de tales plantas es aumentar el coeficiente de transferencia de calor de los condensadores, una medida de la facilidad con la que el calor se puede transferir lejos de esas superficies. explica Nenad Miljkovic, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica en el MIT. Como parte de su investigación de tesis, él y sus colegas han hecho precisamente eso:diseñar, hacer y probar una superficie recubierta con patrones nanoestructurados que aumentan en gran medida el coeficiente de transferencia de calor.

Los resultados de ese trabajo se han publicado en la revista Nano letras , en un artículo en coautoría con Miljkovic, la profesora asociada de ingeniería mecánica Evelyn Wang, y otros cinco investigadores del Laboratorio de Investigación de Dispositivos (DRL) en el departamento de ingeniería mecánica del MIT.

En un típico, condensador de placa plana, El vapor de agua se condensa para formar una película líquida en la superficie. reduciendo drásticamente la capacidad del condensador para recolectar más agua hasta que la gravedad drene la película. "Actúa como una barrera para la transferencia de calor, "Dice Miljkovic. Él y otros investigadores se han centrado en formas de alentar el agua a formar gotas que luego caen de la superficie, permitiendo una eliminación de agua más rápida.

"La forma de eliminar la barrera térmica es eliminar [las gotas] lo más rápido posible, ", dice. Muchos investigadores han estudiado formas de hacer esto mediante la creación de superficies hidrofóbicas, ya sea mediante tratamiento químico o mediante modelado de superficies. Pero Miljkovic y sus colegas ahora han dado un paso más al crear superficies escalables con características a nanoescala que apenas tocan las gotas.

El resultado:las gotas no solo caen de la superficie, pero en realidad salta de él, aumentando la eficiencia del proceso. La energía liberada cuando las gotitas diminutas se fusionan para formar otras más grandes es suficiente para impulsar las gotitas hacia arriba desde la superficie. lo que significa que la eliminación de gotas no depende únicamente de la gravedad.

Otros investigadores han trabajado en superficies con nanopatrones para inducir tales saltos, pero estos han tendido a ser complejos y costosos de fabricar, generalmente requiere un ambiente de sala limpia. Estos enfoques también requieren superficies planas, no los tubos u otras formas que se utilizan a menudo en los condensadores. Finalmente, La investigación anterior no ha probado la transferencia de calor mejorada prevista para este tipo de superficies.

En un artículo publicado a principios de 2012, Los investigadores del MIT demostraron que la forma de las gotas es importante para mejorar la transferencia de calor. "Ahora, hemos dado un paso más, "Miljkovic dice, "desarrollar una superficie que favorezca este tipo de gotas, además de ser altamente escalable y fácil de fabricar. Es más, de hecho, hemos podido medir experimentalmente la mejora de la transferencia de calor ".

El patrón está hecho, Miljkovic dice:utilizando un sencillo proceso de oxidación en húmedo directamente en la superficie que se puede aplicar a los tubos y placas de cobre que se utilizan comúnmente en las centrales eléctricas comerciales.

El patrón nanoestructurado en sí está hecho de óxido de cobre y en realidad se forma sobre la tubería de cobre. El proceso produce una superficie que se asemeja a un lecho de diminutos hojas puntiagudas que sobresalen de la superficie; Estos puntos a nanoescala minimizan el contacto entre las gotas y la superficie, facilitando la liberación.

Los patrones nanoestructurados no solo se pueden hacer y aplicar en condiciones de temperatura ambiente, pero el proceso de crecimiento se detiene naturalmente. "Es una reacción autolimitante, "Miljkovic dice, "ya sea que lo ponga en [la solución de tratamiento] durante dos minutos o dos horas".

Una vez creado el patrón en forma de hoja, se aplica un recubrimiento hidrófobo cuando una solución de vapor se adhiere a la superficie estampada sin alterar significativamente su forma. Los experimentos del equipo mostraron que la eficiencia de la transferencia de calor utilizando estas superficies tratadas podría aumentarse en un 30 por ciento, en comparación con las mejores superficies de condensación hidrófoba de la actualidad.

Eso significa, Miljkovic dice:que el proceso se presta a la modernización de miles de centrales eléctricas que ya están en funcionamiento en todo el mundo. La tecnología también podría ser útil para otros procesos donde la transferencia de calor es importante, como en deshumidificadores y para sistemas de calefacción y refrigeración para edificios, dicen los autores.

Siguen existiendo desafíos para este enfoque, Miljkovic dice:Si se forman demasiadas gotas, pueden "inundar" la superficie, reduciendo su capacidad de transferencia de calor. "Estamos trabajando para retrasar esta inundación superficial y crear soluciones más sólidas que puedan funcionar bien [en] todas las condiciones operativas, " él dice.

El equipo de investigación también incluyó a los postdoctorados Ryan Enright y Youngsuk Nam y los estudiantes universitarios Ken Lopez, Nicholas Dou y Jean Sack, todo el departamento de ingeniería mecánica del MIT.