p O simples ato de ferver água é uma das invenções mais antigas da humanidade, e ainda central para muitas das tecnologias atuais, de cafeteiras a usinas nucleares. No entanto, esse processo aparentemente simples tem complexidades que há muito desafiam a compreensão total. p Agora, pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de analisar um dos problemas mais espinhosos que enfrentam os trocadores de calor e outras tecnologias em que a água fervente desempenha um papel central:como prever, e prevenir, um evento perigoso e potencialmente catastrófico chamado de crise fervente. Este é o ponto em que tantas bolhas se formam em uma superfície quente que se aglutinam em uma folha contínua de vapor que bloqueia qualquer transferência de calor adicional da superfície para a água.

p Esses eventos podem causar enfraquecimento ou derretimento, portanto, as usinas nucleares são projetadas para operar em níveis muito inferiores aos que poderiam desencadear uma crise de ebulição. Esse novo entendimento pode permitir que tais fábricas operem com segurança em níveis de produção mais elevados, reduzindo as margens operacionais necessárias.

p Os novos resultados são apresentados hoje na revista. Cartas de revisão física em um artigo do professor assistente de engenharia nuclear Matteo Bucci e dos alunos de graduação Limiao Zhang e Jee Hyun Seong.

p "É um fenômeno muito complexo, "Bucci diz, e embora tenha sido "estudado por mais de um século, ainda é muito controverso. "Mesmo no século 21, ele diz, "falamos sobre uma revolução energética, uma revolução do computador, transistores em nanoescala, todos os tipos de grandes coisas. Ainda, ainda neste século, e talvez até no próximo século, tudo isso é limitado pela transferência de calor. "

p À medida que os chips de computador ficam menores e mais poderosos, por exemplo, alguns processadores de alto desempenho podem exigir resfriamento por líquido para dissipar o calor que pode ser muito intenso para ventiladores de resfriamento comuns. (Alguns supercomputadores, e até mesmo alguns PCs de jogos de última geração, já usam água bombeada para resfriar seus chips). Da mesma forma, as usinas que produzem a maior parte da eletricidade do mundo, sejam eles combustíveis fósseis, solar, ou usinas nucleares, principalmente produzir energia através da geração de vapor para girar turbinas.

p Em uma usina nuclear, a água é aquecida pelas barras de combustível, que aquecem por meio de reações nucleares. A propagação do calor através das superfícies metálicas até a água é responsável pela transferência de energia do combustível para a turbina geradora, mas também é a chave para prevenir o superaquecimento do combustível e potencialmente levar ao derretimento. No caso de uma crise de ebulição, a formação de uma camada de vapor separando o líquido do metal pode impedir que o calor seja transferido, e pode levar a um rápido superaquecimento.

p Por causa desse risco, regulamentos exigem que as usinas nucleares operem em fluxos de calor que não são mais do que 75 por cento do nível conhecido como fluxo de calor crítico (CHF), que é o nível em que uma crise de ebulição pode ser disparada e danificar componentes críticos. Mas, uma vez que os fundamentos teóricos do CHF são mal compreendidos, esses níveis são estimados de forma muito conservadora. É possível que essas plantas funcionem com níveis de calor mais elevados, produzindo assim mais energia com o mesmo combustível nuclear, se o fenômeno for entendido com maior certeza, Bucci diz.

p Uma melhor compreensão da fervura e do CHF é "um problema tão difícil porque é muito não linear, "e pequenas mudanças em materiais ou texturas de superfície podem ter grandes efeitos, ele diz. Mas agora, graças a melhores instrumentos capazes de capturar detalhes do processo em experimentos de laboratório, "fomos capazes de medir e mapear o fenômeno com a resolução espacial e temporal necessária" para sermos capazes de entender como uma crise de ebulição começou em primeiro lugar.

p Acontece que o fenômeno está intimamente relacionado ao fluxo de tráfego em uma cidade, ou à maneira como um surto de doença se espalha pela população. Essencialmente, é uma questão de como as coisas se agrupam.

p Quando o número de carros em uma cidade atinge um certo limite, existe um maior

p probabilidade de que eles se amontoem em certos lugares e causem um engarrafamento. E, quando os portadores da doença entram em lugares lotados, como aeroportos ou auditórios, as chances de desencadear uma epidemia aumentam. Os pesquisadores descobriram que a população de bolhas em uma superfície aquecida segue um padrão semelhante; acima de uma certa densidade de bolha, aumenta a probabilidade de que as bolhas se amontoem, fundir, e formar uma camada isolante nessa superfície.

p “A crise da ebulição é essencialmente o resultado de um acúmulo de bolhas que se fundem e se aglutinam, o que leva ao fracasso da superfície, " ele diz.

p Por causa das semelhanças, Bucci diz, "podemos nos inspirar, use a mesma abordagem para modelar ebulição que é usada para modelar engarrafamentos, "e esses modelos já foram bem explorados. Agora, com base em experimentos e análises matemáticas, Bucci e seus co-autores foram capazes de quantificar o fenômeno e chegar a melhores maneiras de definir quando o início dessas fusões de bolhas ocorrerá. "Mostramos que, usando este paradigma, podemos prever quando a crise de ebulição ocorrerá, "com base nos padrões e na densidade das bolhas que estão se formando.

p A textura em nanoescala da superfície desempenha um papel importante, a análise mostra, e esse é um dos vários fatores que podem ser usados ​​para fazer ajustes que podem aumentar o CHF, e, portanto, potencialmente levam a uma transferência de calor mais confiável, seja para usinas de energia, resfriamento de líquido para chips de computador avançados, ou muitos outros processos onde a transferência de calor é um fator crucial.

p “Podemos usar essas informações não apenas para prever a crise de ebulição, mas também para explorar soluções, mudando a superfície de ebulição, para minimizar a interação entre as bolhas, "Diz Bucci." Estamos usando esse conhecimento para melhorar a superfície, para que possamos controlar e evitar o 'congestionamento de bolhas'. "

p Se esta pesquisa permitir mudanças que possam permitir a operação segura de usinas nucleares com fluxos de calor mais elevados, isto é, a taxa na qual eles dissipam o calor - do que o permitido atualmente, o impacto pode ser significativo. "Se você pode mostrar isso manipulando a superfície, você pode aumentar o fluxo de calor crítico em 10 a 20 por cento, então você aumenta a potência produzida na mesma quantidade, em uma escala global, fazendo melhor uso do combustível e dos recursos que já existem, "Bucci diz. p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.