A diferencia del agua, los refrigerantes líquidos y otros fluidos que tienen una tensión superficial baja tienden a extenderse rápidamente a una lámina cuando entran en contacto con una superficie. Pero para muchos procesos industriales, sería mejor si los fluidos formaran gotas, que podrían rodaro caerse de la superficie y llevarse el calor con ellos.
Ahora, los investigadores del MIT han logrado un progreso significativo en la promoción de la formación de gotas y la eliminación de tales fluidos. Este enfoque podría conducir a mejoras de eficiencia en muchos procesos industriales a gran escala, incluida la refrigeración, ahorrando así energía y reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero.
Los nuevos hallazgos se describen en la revista julio , en un documento de la estudiante graduada Karim Khalil, profesora de ingeniería mecánica Kripa Varanasi, profesora de ingeniería química y preboste asociada Karen Gleason, y otras cuatro.
A lo largo de los años, Varanasi y sus colaboradores han logrado un gran progreso en la mejora de la eficiencia de los sistemas de condensación que usan agua, como los sistemas de enfriamiento utilizados para la generación de combustibles fósiles o energía nuclear. Pero otros tipos de fluidos, como losutilizados en sistemas de refrigeración, licuación, recuperación de calor residual y plantas de destilación, o materiales como metano en plantas de licuefacción de petróleo y gas, a menudo tienen una tensión superficial muy baja en comparación con el agua, lo que significa que es muy difícil hacer que formen gotasen una superficie, en cambio, tienden a extenderse en una sábana, una propiedad conocida como humectación
Pero cuando estas láminas de líquido cubren una superficie, proporcionan una capa aislante que inhibe la transferencia de calor, y la transferencia de calor fácil es crucial para que estos procesos funcionen de manera eficiente ". Si forma una película, se convierte en una barrera para la transferencia de calor,"Varanasi dice. Pero esa transferencia de calor mejora cuando el líquido forma rápidamente gotas, que luego se unen y crecen y se caen bajo la fuerza de la gravedad. Obtener líquidos de baja tensión superficial para formar gotas y arrojarlos fácilmente ha sido un serio desafío.
En los sistemas de condensación que usan agua, la eficiencia general del proceso puede ser de alrededor del 40 por ciento, pero con fluidos de baja tensión superficial, la eficiencia puede limitarse a alrededor del 20 por ciento. Debido a que estos procesos están tan extendidos en la industria, inclusouna pequeña mejora en esa eficiencia podría conducir a ahorros espectaculares en combustible y, por lo tanto, en emisiones de gases de efecto invernadero, dice Varanasi.
Al promover la formación de gotas, dice, es posible lograr una mejora de cuatro a ocho veces en la transferencia de calor. Debido a que la condensación es solo una parte de un ciclo complejo, eso se traduce en una mejora general de la eficiencia de aproximadamente 2 por ciento. Eso puedeNo parece mucho, pero en estos enormes procesos industriales, incluso una fracción de un porcentaje de mejora se considera un logro importante con un gran impacto potencial. "En este campo, estás luchando por décimas de porcentaje", dice Khalil.
A diferencia de los tratamientos superficiales que Varanasi y su equipo han desarrollado para otros tipos de fluidos, que dependen de un material líquido retenido por una textura superficial, en este caso fueron capaces de lograr el efecto repelente de fluidos usando un sólido muy delgadorevestimiento: menos de un micrón de grosor una millonésima parte de un metro. Esa delgadez es importante para garantizar que el revestimiento en sí no contribuya a bloquear la transferencia de calor, explica Khalil.
El recubrimiento, hecho de un polímero especialmente formulado, se deposita en la superficie mediante un proceso llamado deposición química de vapor iniciada iCVD, en el que el material de recubrimiento se vaporiza y se injerta en la superficie a tratar, como un tubo de metal, para formar una capa delgada. Este proceso fue desarrollado en el MIT por Gleason y ahora se usa ampliamente.
Los autores optimizaron el proceso de iCVD ajustando el injerto de moléculas de recubrimiento en la superficie, para minimizar la fijación de las gotas de condensación y facilitar su desprendimiento fácil. El proceso podría llevarse a cabo en el lugar en equipos a escala industrial, y podríaSe puede adaptar a las instalaciones existentes para aumentar la eficiencia. El proceso es "independiente de los materiales", dice Khalil, y se puede aplicar sobre superficies planas o tubos de acero inoxidable, cobre, titanio u otros metales comúnmente utilizados en el calor por evaporación.-transferencia de procesos que involucran estos fluidos de baja tensión superficial. "Cualquiera que sea el material que se presente, tiende a ser escalable con este proceso", agrega.
El resultado neto es que en estas superficies, los fluidos de condensación como el metano líquido formarán fácilmente pequeñas gotas que se caerán rápidamente de la superficie, dejando espacio para que se forme más y, en el proceso, arrojarán calor del metal a las gotas que caenSin el recubrimiento, el fluido se extendería por toda la superficie y resistiría la caída, formando una especie de manta que retiene el calor. Pero con él, "la transferencia de calor mejora casi ocho veces", dice Khalil.
Un área donde tales recubrimientos podrían desempeñar un papel útil, dice Varanasi, es en los sistemas orgánicos del ciclo Rankine, que se usan ampliamente para generar energía a partir del calor residual en una variedad de procesos industriales. "Estos son sistemas inherentemente ineficientes", dice, "pero esto podría hacerlos más eficientes"
La investigación fue apoyada por la asociación Shell-MIT Energy Initiative.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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