A fervura de água ou outros fluidos é uma etapa de uso intensivo de energia no centro de uma ampla gama de processos industriais, incluindo a maioria das usinas de geração de eletricidade, muitos sistemas de produção química e até sistemas de refrigeração para eletrônicos.
Melhorar a eficiência dos sistemas que aquecem e evaporam a água pode reduzir significativamente o uso de energia. Agora, pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de fazer exatamente isso, com um tratamento de superfície especialmente adaptado para os materiais usados ​​nesses sistemas.

A eficiência aprimorada vem de uma combinação de três tipos diferentes de modificações de superfície, em diferentes escalas de tamanho. As novas descobertas são descritas na revista Materiais Avançados em um artigo do recente graduado do MIT Youngsup Song Ph.D. '21, Ford Professor de Engenharia Evelyn Wang, e quatro outros no MIT. Os pesquisadores observam que essa descoberta inicial ainda está em escala de laboratório e é necessário mais trabalho para desenvolver um processo prático em escala industrial.

Existem dois parâmetros principais que descrevem o processo de ebulição:o coeficiente de transferência de calor (HTC) e o fluxo de calor crítico (CHF). No design de materiais, geralmente há uma troca entre os dois, então qualquer coisa que melhore um desses parâmetros tende a piorar o outro. Mas ambos são importantes para a eficiência do sistema e agora, após anos de trabalho, a equipe conseguiu melhorar significativamente ambas as propriedades ao mesmo tempo, por meio da combinação de diferentes texturas adicionadas à superfície de um material.

"Ambos os parâmetros são importantes", diz Song, "mas melhorar os dois parâmetros juntos é meio complicado porque eles têm uma compensação intrínseca". A razão para isso, explica ele, é "porque se tivermos muitas bolhas na superfície de ebulição, isso significa que a ebulição é muito eficiente, mas se tivermos muitas bolhas na superfície, elas podem coalescer, formando um vapor filme sobre a superfície de ebulição." Esse filme apresenta resistência à transferência de calor da superfície quente para a água. "Se tivermos vapor entre a superfície e a água, isso impede a eficiência da transferência de calor e diminui o valor do CHF", diz ele.

Song, que agora é pós-doutorado no Lawrence Berkeley National Laboratory, realizou grande parte da pesquisa como parte de sua tese de doutorado no MIT. Embora os vários componentes do novo tratamento de superfície que ele desenvolveu tenham sido estudados anteriormente, os pesquisadores dizem que este trabalho é o primeiro a mostrar que esses métodos podem ser combinados para superar a troca entre os dois parâmetros concorrentes.

Adicionar uma série de cavidades em microescala, ou amassados, a uma superfície é uma maneira de controlar a forma como as bolhas se formam nessa superfície, mantendo-as efetivamente presas aos locais dos amassados ​​e impedindo que se espalhem em um filme resistente ao calor. Neste trabalho, os pesquisadores criaram uma série de dentes de 10 micrômetros de largura separados por cerca de 2 milímetros para evitar a formação de filmes. Mas essa separação também reduz a concentração de bolhas na superfície, o que pode reduzir a eficiência de ebulição. Para compensar isso, a equipe introduziu um tratamento de superfície em escala muito menor, criando pequenas saliências e sulcos na escala nanométrica, o que aumenta a área da superfície e promove a taxa de evaporação sob as bolhas.

Nesses experimentos, as cavidades foram feitas nos centros de uma série de pilares na superfície do material. Esses pilares, combinados com nanoestruturas, promovem a absorção do líquido da base para o topo, e isso potencializa o processo de ebulição ao proporcionar maior área superficial exposta à água. Em combinação, as três "camadas" da textura da superfície - a separação da cavidade, os pinos e a texturização em nanoescala - fornecem uma eficiência muito aprimorada para o processo de ebulição, diz Song.

"Those micro cavities define the position where bubbles come up," he says. "But by separating those cavities by 2 millimeters, we separate the bubbles and minimize the coalescence of bubbles." At the same time, the nanostructures promote evaporation under the bubbles, and the capillary action induced by the pillars supplies liquid to the bubble base. That maintains a layer of liquid water between the boiling surface and the bubbles of vapor, which enhances the maximum heat flux.

Although their work has confirmed that the combination of these kinds of surface treatments can work and achieve the desired effects, this work was done under small-scale laboratory conditions that could not easily be scaled up to practical devices, Wang says. "These kinds of structures we're making are not meant to be scaled in its current form," she says, but rather were used to prove that such a system can work. One next step will be to find alternative ways of creating these kinds of surface textures so these methods could more easily be scaled up to practical dimensions.

"Showing that we can control the surface in this way to get enhancement is a first step," she says. "Then the next step is to think about more scalable approaches." For example, though the pillars on the surface in these experiments were created using clean-room methods commonly used to produce semiconductor chips, there are other, less demanding ways of creating such structures, such as electrodeposition. There are also a number of different ways to produce the surface nanostructure textures, some of which may be more easily scalable.

There may be some significant small-scale applications that could use this process in its present form, such as the thermal management of electronic devices, an area that is becoming more important as semiconductor devices get smaller and managing their heat output becomes ever more important. "There's definitely a space there where this is really important," Wang says.

Even those kinds of applications will take some time to develop because typically thermal management systems for electronics use liquids other than water, known as dielectric liquids. These liquids have different surface tension and other properties than water, so the dimensions of the surface features would have to be adjusted accordingly. Work on these differences is one of the next steps for the ongoing research, Wang says.

This same multiscale structuring technique could also be applied to different liquids, Song says, by adjusting the dimensions to account for the different properties of the liquids. "Those kinds of details can be changed, and that can be our next step," he says. + Explorar mais

Discovery improves heat transfer in boiling

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