Ao contrário da água, refrigerantes líquidos e outros fluidos com baixa tensão superficial tendem a se espalhar rapidamente em uma folha quando entram em contato com uma superfície. Mas, para muitos processos industriais, seria melhor se os fluidos formassem gotículas, que podem rolar ou cair da superfície e levar o calor com eles.

Agora, pesquisadores do MIT fizeram progressos significativos na promoção da formação de gotículas e derramamento de tais fluidos. Esta abordagem pode levar a melhorias de eficiência em muitos processos industriais de grande escala, incluindo refrigeração, economizando energia e reduzindo as emissões de gases de efeito estufa.

As novas descobertas são descritas no jornal Joule , em um artigo do estudante graduado Karim Khalil, professor de engenharia mecânica Kripa Varanasi, professora de engenharia química e reitora associada Karen Gleason, e quatro outros.

Ao longo dos anos, Varanasi e seus colaboradores fizeram grandes progressos na melhoria da eficiência dos sistemas de condensação que utilizam água, como os sistemas de resfriamento usados ​​para combustível fóssil ou geração de energia nuclear. Mas outros tipos de fluidos - como aqueles usados ​​em sistemas de refrigeração, liquificação, Recuperação de calor residual, e plantas de destilação, ou materiais como metano em plantas de liquefação de óleo e gás - muitas vezes têm tensão superficial muito baixa em comparação com a água, o que significa que é muito difícil fazer com que formem gotículas em uma superfície. Em vez de, eles tendem a se espalhar em uma folha, uma propriedade conhecida como molhar.

Mas quando essas camadas de líquido revestem uma superfície, eles fornecem uma camada isolante que inibe a transferência de calor, e a fácil transferência de calor é crucial para fazer com que esses processos funcionem com eficiência. "Se for um filme, torna-se uma barreira para a transferência de calor, "Varanasi diz. Mas essa transferência de calor é aumentada quando o líquido rapidamente forma gotículas, que então se aglutinam e crescem e caem sob a força da gravidade. Fazer com que líquidos de baixa tensão superficial formem gotículas e as eliminem facilmente tem sido um sério desafio.

Em sistemas de condensação que usam água, a eficiência geral do processo pode ser em torno de 40 por cento, mas com fluidos de baixa tensão superficial, a eficiência pode ser limitada a cerca de 20 por cento. Como esses processos são tão difundidos na indústria, mesmo uma pequena melhoria nessa eficiência pode levar a uma economia dramática de combustível, e, portanto, nas emissões de gases de efeito estufa, Varanasi diz.

Ao promover a formação de gotículas, ele diz, é possível alcançar uma melhoria de quatro a oito vezes na transferência de calor. Como a condensação é apenas uma parte de um ciclo complexo, isso se traduz em uma melhoria geral da eficiência de cerca de 2 por cento. Isso pode não parecer muito, mas, nesses enormes processos industriais, mesmo uma fração de melhoria por cento é considerada uma grande conquista com grande potencial de impacto. "Nesta área, você está lutando por décimos de um por cento, "Khalil diz.

Ao contrário dos tratamentos de superfície que Varanasi e sua equipe desenvolveram para outros tipos de fluidos, que dependem de um material líquido mantido no lugar por uma textura de superfície, neste caso, eles foram capazes de realizar o efeito de repulsão de fluidos usando um revestimento sólido muito fino - com menos de um mícron de espessura (um milionésimo de metro). Essa magreza é importante, para garantir que o revestimento em si não contribua para bloquear a transferência de calor, Khalil explica.

O revestimento, feito de um polímero especialmente formulado, é depositado na superfície usando um processo chamado deposição de vapor químico iniciada (iCVD), em que o material de revestimento é vaporizado e enxertado na superfície a ser tratada, como um tubo de metal, para formar um revestimento fino. Este processo foi desenvolvido no MIT por Gleason e agora é amplamente utilizado.

Os autores otimizaram o processo de iCVD ajustando o enxerto de moléculas de revestimento na superfície, a fim de minimizar a fixação de gotículas de condensação e facilitar seu fácil derramamento. O processo pode ser realizado no local em equipamentos de escala industrial, e poderia ser adaptado em instalações existentes para aumentar a eficiência. O processo é "agnóstico em relação aos materiais, "Khalil diz, e pode ser aplicado em superfícies planas ou tubos feitos de aço inoxidável, cobre, titânio, ou outros metais comumente usados ​​em processos de transferência de calor evaporativo que envolvem esses fluidos de baixa tensão superficial. "Seja qual for o material que você inventar, ele tende a ser escalonável com este processo, " ele adiciona.

O resultado líquido é que nessas superfícies, fluidos de condensação, como metano líquido, irão facilmente formar pequenas gotículas que caem rapidamente da superfície, abrindo espaço para mais formas, e, no processo, derramar calor do metal para as gotículas que caem. Sem o revestimento, o fluido se espalharia por toda a superfície e resistiria a cair, formando uma espécie de manta retentora de calor. Mas com isso, "a transferência de calor melhora em quase oito vezes, "Khalil diz.

Uma área onde tais revestimentos podem desempenhar um papel útil, Varanasi diz, está em sistemas orgânicos de ciclo Rankine, que são amplamente usados ​​para gerar energia a partir do calor residual em uma variedade de processos industriais. "Esses são sistemas inerentemente ineficientes, " ele diz, "mas isso poderia torná-los mais eficientes."