El simple acto de hervir agua es uno de los inventos más antiguos de la humanidad, y sigue siendo fundamental para muchas de las tecnologías actuales, desde cafeteras hasta plantas de energía nuclear. Sin embargo, este proceso aparentemente simple tiene complejidades que durante mucho tiempo han desafiado la comprensión total.
Ahora, los investigadores del MIT han encontrado una manera de analizar uno de los problemas más espinosos que enfrentan los intercambiadores de calor y otras tecnologías en las que el agua hirviendo juega un papel central: cómo predecir y prevenir un evento peligroso y potencialmente catastrófico llamado crisis hirviendoEste es el punto cuando se forman tantas burbujas en una superficie caliente que se unen en una capa continua de vapor que bloquea cualquier transferencia de calor adicional de la superficie al agua.
Tales eventos pueden causar debilitamiento o fusión, por lo que las plantas nucleares están diseñadas para operar a niveles muy inferiores a los que podrían desencadenar una crisis de ebullición. Esta nueva comprensión podría permitir que dichas plantas operen de manera segura a niveles de producción más altos al reducir los márgenes operativos necesarios.
Los nuevos resultados se presentan hoy en la revista Cartas de revisión física en un documento del profesor asistente de ingeniería nuclear Matteo Bucci y los estudiantes de posgrado Limiao Zhang y Jee Hyun Seong.
"Es un fenómeno muy complejo", dice Bucci, y aunque ha sido "estudiado durante más de un siglo, sigue siendo muy controvertido". Incluso en el siglo XXI, dice, "hablamos de una revolución energética, una computadorarevolución, transistores a nanoescala, todo tipo de grandes cosas. Sin embargo, aún en este siglo, y tal vez incluso en el próximo siglo, todos están limitados por la transferencia de calor ".
A medida que los chips de computadora se hacen más pequeños y más potentes, por ejemplo, algunos procesadores de alto rendimiento pueden requerir refrigeración líquida para disipar el calor que puede ser demasiado intenso para los ventiladores de refrigeración normales. Algunas supercomputadoras e incluso algunas PC de juegos de alta gama, yausar agua bombeada para enfriar sus chips. Del mismo modo, las centrales eléctricas que producen la mayor parte de la electricidad del mundo, ya sean combustibles fósiles, plantas solares o nucleares, producen principalmente energía generando vapor para hacer girar las turbinas.
En una planta nuclear, el agua es calentada por las barras de combustible, que se calientan a través de reacciones nucleares. La propagación del calor a través de las superficies metálicas al agua es responsable de transferir la energía del combustible a la turbina generadora, pero también esLa clave para evitar que el combustible se sobrecaliente y pueda conducir a una fusión. En el caso de una crisis de ebullición, la formación de una capa de vapor que separa el líquido del metal puede evitar que el calor se transfiera y puede conducir a un sobrecalentamiento rápido.
Debido a ese riesgo, las regulaciones requieren que las plantas nucleares operen a flujos de calor que no superen el 75 por ciento del nivel conocido como flujo de calor crítico CHF, que es el nivel en el que podría desencadenarse una crisis de ebullición que podría dañarcomponentes críticos. Pero dado que los fundamentos teóricos del CHF son poco conocidos, esos niveles se estiman de manera muy conservadora. Es posible que esas plantas puedan operar a niveles de calor más altos, produciendo así más energía del mismo combustible nuclear, si se comprende el fenómenocon mayor certeza, dice Bucci.
Una mejor comprensión de la ebullición y el CHF es "un problema tan difícil porque es muy no lineal", y los pequeños cambios en los materiales o las texturas de la superficie pueden tener grandes efectos, dice. Pero ahora, gracias a mejores instrumentos capaces de capturar detallesdel proceso en experimentos de laboratorio, "hemos podido medir y trazar el fenómeno con la resolución espacial y temporal requerida" para poder comprender cómo se inicia una crisis en ebullición en primer lugar.
Resulta que el fenómeno está estrechamente relacionado con el flujo de tráfico en una ciudad, o con la forma en que un brote de enfermedad se propaga a través de una población. Esencialmente, es un problema de la forma en que las cosas se agrupan.
Cuando el número de automóviles en una ciudad alcanza cierto umbral, existe una mayor probabilidad de que se agrupen en ciertos lugares y causen un atasco de tráfico. Y, cuando los portadores de enfermedades ingresan a lugares concurridos como aeropuertos o auditorios, las posibilidadesLos investigadores descubrieron que la población de burbujas en una superficie calentada sigue un patrón similar; por encima de cierta densidad de burbujas, aumenta la probabilidad de que las burbujas se junten, se fusionen y formen una capa aislante en esa superficie..
"La crisis de ebullición es esencialmente el resultado de una acumulación de burbujas que se fusionan y se unen entre sí, lo que lleva a la falla de la superficie", dice.
Debido a las similitudes, Bucci dice: "podemos inspirarnos, adoptar el mismo enfoque para modelar la ebullición que se usa para modelar los embotellamientos", y esos modelos ya han sido bien explorados. Ahora, basados tanto en experimentos como en matemáticasEn el análisis, Bucci y sus coautores han sido capaces de cuantificar el fenómeno y llegar a mejores formas de precisar cuándo tendrá lugar el inicio de tales fusiones de burbujas ". Demostramos que usando este paradigma, podemos predecir cuándo ocurrirá la crisis hirviendo.ocurrir ", según los patrones y la densidad de las burbujas que se están formando.
El análisis muestra que la textura a nanoescala de la superficie juega un papel importante, y ese es uno de varios factores que podrían usarse para hacer ajustes que podrían elevar el CHF y, por lo tanto, potencialmente conducir a una transferencia de calor más confiable, ya sea para las centrales eléctricas, refrigeración líquida para chips de computadora avanzados, o muchos otros procesos donde la transferencia de calor es un factor crucial.
"Podemos usar esta información no solo para predecir la crisis de ebullición, sino también para explorar soluciones, cambiando la superficie de ebullición, para minimizar la interacción entre burbujas", dice Bucci. "Estamos utilizando esta comprensión para mejorar la superficie, para que podamos controlar y evitar el 'atasco de burbujas' "
Si esta investigación permite cambios que podrían permitir la operación segura de las centrales nucleares con flujos de calor más altos, es decir, la velocidad a la que disipan el calor, que el permitido actualmente, el impacto podría ser significativo ". Si puede demostrar queAl manipular la superficie, puede aumentar el flujo de calor crítico en un 10 a 20 por ciento, luego aumenta la potencia producida en la misma cantidad, a escala global, haciendo un mejor uso del combustible y los recursos que ya están allí ", Buccidice.
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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