O design da superfície do trocador de calor pode melhorar a eficiência

EUA: Pesquisadores do MIT afirmam ter encontrado uma maneira de melhorar a eficiência dos sistemas com um tratamento de superfície especialmente adaptado para materiais de trocadores de calor.

A pesquisa, que ainda está em escala de laboratório, envolve uma combinação de três tipos diferentes de modificações de superfície em diferentes escalas de tamanho. No entanto, os pesquisadores admitem que é necessário mais trabalho para desenvolver um processo prático em escala industrial.

As novas descobertas são descritas na revista Advanced Materials em um artigo do recente graduado do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Youngsup Song, da professora de engenharia da Ford, Evelyn Wang, e de outros quatro do MIT.

O processo de ebulição é geralmente um trade-off entre o coeficiente de transferência de calor (HTC) e o fluxo de calor crítico (CHF).

Embora ambos os parâmetros sejam importantes, é difícil aprimorá-los juntos porque eles têm compensações intrínsecas. Song explica que a razão para isso é que, se houver muitas bolhas na superfície de ebulição, a ebulição é muito eficiente, mas se houver muitas bolhas na superfície, elas podem coalescer, o que pode formar um filme de vapor sobre o superfície de ebulição. Esse filme apresenta resistência à transferência de calor da superfície quente e reduz o valor de CHF.

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.

Song, que agora é pós-doutorando 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 o compromisso entre os dois parâmetros concorrentes.

Adicionar uma série de cavidades em microescala, ou mossas, a uma superfície é uma forma de controlar a forma como as bolhas se formam nessa superfície, mantendo-as efetivamente presas aos locais das mossas e evitando que se espalhem em um filme resistente ao calor.

Os pesquisadores criaram uma série de dentes de 10 μm de largura separados por cerca de 2 mm para evitar a formação de filme. No entanto, 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 protuberâncias e sulcos em escala nanométrica, o que aumenta a área da superfície e promove a taxa de evaporação sob as bolhas.

Nesses experimentos, as cavidades foram feitas no centro de uma série de pilares na superfície do material. Esses pilares, combinados com nanoestruturas, promovem a absorção do líquido da base para o topo, o que potencializa o processo de fervura ao proporcionar maior área de superfície exposta à água. Em combinação, as três "camadas" da textura da superfície - a separação da cavidade, os postes e a texturização em nanoescala - fornecem uma eficiência muito maior para o processo de ebulição, diz Song.

Embora seu trabalho tenha confirmado que a combinação desses tipos de tratamentos de superfície pode funcionar e alcançar os efeitos desejados, esse trabalho foi feito em condições laboratoriais de pequena escala que não podem ser facilmente ampliadas para dispositivos práticos.

"Mostrar que podemos controlar a superfície dessa maneira para obter melhorias é o primeiro passo", diz Evelyn Wang. "Então, o próximo passo é pensar em abordagens mais escaláveis."

Por exemplo, embora os pilares na superfície desses experimentos tenham sido criados usando métodos de sala limpa comumente usados ​​para produzir chips semicondutores, diz-se que existem outras formas menos exigentes de criar tais estruturas, como a eletrodeposição. Há também várias maneiras diferentes de produzir texturas de nanoestrutura de superfície, algumas das quais podem ser mais facilmente escaláveis.

A equipe também incluiu Carlos Diaz-Martin, Lenan Zhang, Hyeongyun Cha e Yajing Zhao, todos do MIT. O trabalho foi apoiado pela Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), pelo Air Force Office of Scientific Research e pela Singapore-MIT Alliance for Research and Technology, e fez uso das instalações do MIT.nano.