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2022-07-12Ingenieros del MIT diseñan superficies que hacen que el agua hierva de manera más eficiente

MIT |Los sistemas utilizados en muchas industrias podrían ahorrar energía a través de estos nuevos tratamientos superficiales.

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 PhD ´21, la profesora de ingeniería de Ford Evelyn Wang y otros cuatro en el MIT. Los investigadores señalan que este hallazgo inicial aún se encuentra 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, mediante 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". La razón de esto, 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 mostrar que estos métodos podrían combinarse para superar el equilibrio 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. Estos pilares, combinados con nanoestructuras, promueven la absorción del líquido desde la base hasta la parte superior, y esto mejora el proceso de ebullición al proporcionar más área de superficie expuesta al agua. En combinación, los tres "niveles" de la textura de la superficie (la separación de la cavidad, los postes y la textura a nanoescala) brindan una eficiencia mucho mayor para el proceso de ebullición, dice Song.

“Esas microcavidades definen la posición donde surgen las burbujas”, dice. “Pero al separar esas cavidades por 2 milímetros, separamos las burbujas y minimizamos la coalescencia de las burbujas”. Al mismo tiempo, las nanoestructuras promueven la evaporación debajo de las burbujas y la acción capilar inducida por los pilares suministra líquido a la base de la burbuja. Eso mantiene una capa de agua líquida entre la superficie de ebullición y las burbujas de vapor, lo que mejora el flujo de calor máximo.

Aunque su trabajo ha confirmado que la combinación de este tipo de tratamientos superficiales puede funcionar y lograr los efectos deseados, este trabajo se realizó en condiciones de laboratorio a pequeña escala que no podían ampliarse fácilmente a dispositivos prácticos, dice Wang. “Este tipo de estructuras que estamos haciendo no están destinadas a escalarse en su forma actual”, dice, sino que se usaron para demostrar que dicho sistema puede funcionar. El próximo paso será encontrar formas alternativas de crear este tipo de texturas superficiales para que estos métodos puedan escalarse más fácilmente a dimensiones prácticas.

“Mostrar que podemos controlar la superficie de esta manera para mejorarla es un primer paso”, dice. “Entonces, el siguiente paso es pensar en enfoques más escalables”. Por ejemplo, aunque los pilares en la superficie de estos experimentos se crearon utilizando métodos de sala limpia comúnmente utilizados para producir chips semiconductores, existen otras formas menos exigentes de crear tales estructuras, como la electrodeposición. También hay varias formas diferentes de producir texturas de nanoestructuras superficiales, algunas de las cuales pueden ser más fácilmente escalables.

Puede haber algunas aplicaciones significativas a pequeña escala que podrían utilizar este proceso en su forma actual, como la gestión térmica de dispositivos electrónicos, un área que se está volviendo más importante a medida que los dispositivos semiconductores se hacen más pequeños y la gestión de su salida de calor se vuelve cada vez más importante. “Definitivamente hay un espacio allí donde esto es realmente importante”, dice Wang.

Incluso ese tipo de aplicaciones tardará algún tiempo en desarrollarse porque, por lo general, los sistemas de gestión térmica para la electrónica utilizan líquidos distintos del agua, conocidos como líquidos dieléctricos. Estos líquidos tienen una tensión superficial diferente y otras propiedades que el agua, por lo que las dimensiones de las características de la superficie deberían ajustarse en consecuencia. Trabajar en estas diferencias es uno de los próximos pasos de la investigación en curso, dice Wang.

Esta misma técnica de estructuración multiescala también podría aplicarse a diferentes líquidos, dice Song, ajustando las dimensiones para tener en cuenta las diferentes propiedades de los líquidos. “Ese tipo de detalles se pueden cambiar, y ese puede ser nuestro siguiente paso”, dice.

El equipo también incluía a Carlos Diaz-Martin, Lenan Zhang, Hyeongyun Cha y Yajing Zhao, todos del MIT. El trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Alianza Singapur-MIT para Investigación y Tecnología, e hizo uso de las instalaciones de MIT.nano.

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