El diseño de la superficie del intercambiador de calor podría mejorar la eficiencia

EE. UU.: Investigadores del MIT afirman haber encontrado una manera de mejorar la eficiencia de los sistemas con un tratamiento de superficie especialmente diseñado para materiales de intercambiadores de calor.

La investigación, que todavía se encuentra a escala de laboratorio, implica una combinación de tres tipos diferentes de modificaciones de la superficie en diferentes escalas de tamaño. Sin embargo, los investigadores admiten que se necesita más trabajo para desarrollar un proceso práctico a escala industrial.

Los nuevos hallazgos se describen en la revista Advanced Materials en un artículo del recién graduado del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Youngsup Song, la profesora de ingeniería de Ford, Evelyn Wang, y otros cuatro en el MIT.

El proceso de ebullición es generalmente una compensación entre el coeficiente de transferencia de calor (HTC) y el flujo de calor crítico (CHF).

Si bien ambos parámetros son importantes, mejorar ambos parámetros juntos es difícil porque tienen compensaciones intrínsecas. Song explica que la razón de esto es que si hay muchas burbujas en la superficie de ebullición, la ebullición es muy eficiente, pero si hay demasiadas burbujas en la superficie, pueden fusionarse, lo que puede formar una película de vapor sobre la superficie. superficie de ebullición. Esa película introduce resistencia a la transferencia de calor desde la superficie caliente y reduce el valor CHF.

Ahora, después de años de trabajo, se dice que el equipo ha logrado una forma de mejorar significativamente ambas propiedades al mismo tiempo, mediante la combinación de diferentes texturas añadidas a la superficie de un material.

Song, que ahora es un posdoctorado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, llevó a cabo gran parte de la investigación como parte de su trabajo de tesis doctoral en el MIT. Si bien los diversos componentes del nuevo tratamiento de superficie que desarrolló se habían estudiado previamente, los investigadores dicen que este trabajo es el primero en mostrar que estos métodos podrían combinarse para superar el compromiso entre los dos parámetros en competencia.

Agregar una serie de cavidades a microescala, o abolladuras, a una superficie es una forma de controlar la forma en que se forman las burbujas en esa superficie, manteniéndolas fijas de manera efectiva en las ubicaciones de las abolladuras y evitando que se extiendan en una película resistente al calor.

Los investigadores crearon una serie de abolladuras de 10 μm de ancho separadas por unos 2 mm para evitar la formación de películas. Sin embargo, esa separación también reduce la concentración de burbujas en la superficie, lo que puede reducir la eficiencia de ebullición. Para compensar eso, el equipo introdujo un tratamiento de superficie a una escala mucho más pequeña, creando pequeñas protuberancias y crestas a escala nanométrica, lo que aumenta el área de la superficie y promueve la tasa de evaporación debajo de las burbujas.

En estos experimentos, las cavidades se hicieron en los centros de una serie de pilares en la superficie del material. Estos pilares, combinados con nanoestructuras, promueven la absorción del líquido desde la base hasta la parte superior, y esto mejora el proceso de ebullición al proporcionar más área de superficie expuesta al agua. En combinación, los tres "niveles" de la textura de la superficie (la separación de la cavidad, los postes y la textura a nanoescala) brindan una eficiencia mucho mayor para el proceso de ebullición, dice Song.

Aunque su trabajo ha confirmado que la combinación de este tipo de tratamientos superficiales puede funcionar y lograr los efectos deseados, este trabajo se realizó en condiciones de laboratorio a pequeña escala que no podían ampliarse fácilmente a dispositivos prácticos.

"Mostrar que podemos controlar la superficie de esta manera para mejorarla es un primer paso", dice Evelyn Wang. "Entonces, el siguiente paso es pensar en enfoques más escalables".

Por ejemplo, aunque los pilares en la superficie de estos experimentos se crearon utilizando métodos de sala limpia comúnmente utilizados para producir chips semiconductores, se dice que existen otras formas menos exigentes de crear tales estructuras, como la electrodeposición. También hay varias formas diferentes de producir texturas de nanoestructuras superficiales, algunas de las cuales pueden ser más fácilmente escalables.

El equipo también incluía a Carlos Diaz-Martin, Lenan Zhang, Hyeongyun Cha y Yajing Zhao, todos del MIT. El trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Alianza Singapur-MIT para Investigación y Tecnología, y utilizó las instalaciones de MIT.nano.