Este nuevo hito podría reducir el uso de energía en una amplia variedad de industrias. ¿Cómo lo han conseguido?
Cualquier mejora en la eficiencia del proceso de hervir agua tendría un gran impacto en la cantidad total de energía utilizada todos los días, ya que es una actividad que llevamos a cabo muy a menudo, ya se apara generar electricidad en una planta de energía o para hervirnos unos huevos (o una taza de té).
Una de esas mejoras podría venir con un tratamiento recientemente desarrollado para superficies involucradas en el calentamiento y la evaporación del agua. El tratamiento mejora dos parámetros clave que determinan el proceso de ebullición: el coeficiente de transferencia de calor (HTC) y el flujo de calor crítico (CHF). Normalmente se compensan entre ellos: si uno mejora, el otro empeora, y viceversa. Ahora, tras años de investigación, parece que la ciencia ha encontrado una forma de mejorar ambos procesos a la vez.
“Ambos parámetros son importantes, pero mejorar ambos parámetros juntos es un poco complicado porque tienen una compensación intrínseca”, dice el científico bioinformático Youngsup Song del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California y coautor del trabajo que publica la revista Advanced Materials. “Si tenemos muchas burbujas en la superficie de ebullición, eso significa que la ebullición es muy eficiente, pero si tenemos demasiadas burbujas en la superficie, pueden fusionarse, lo que puede formar una película de vapor sobre la superficie de ebullición”.
Esta película evita la transferencia de calor de la superficie caliente al agua. “Si tenemos vapor entre la superficie y el agua, reduce la eficiencia de transferencia de calor y baja el valor CHF”, agregó el investigador.
Probado en laboratorio a pequeña escala
Para solventar este problema, añadieron una serie de cavidades a microescala a una superficie, de esta manera se controla la forma en que se forman las burbujas en esa superficie. Esto mantuvo las burbujas efectivamente adheridas a las ubicaciones de las abolladuras y evitó que se extendieran en una película resistente al calor. Luego, las microcavidades se colocaron en la longitud ideal para optimizar este proceso. En este trabajo, los investigadores crearon una serie de abolladuras de 10 micrómetros de ancho separadas por unos 2 milímetros para evitar la formación de películas
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 equilibrio entre los dos parámetros en competencia.
“Este tipo de estructuras que estamos haciendo no están destinadas a ser escaladas en su forma actual”, explicaron los autores, sino que se usaron para demostrar que dicho sistema puede funcionar.
Ahora, el equipo se centra en encontrar formas adicionales de crear este tipo de texturas superficiales que se puedan utilizar en dimensiones prácticas.
“Mostrar que podemos controlar la superficie de esta manera para mejorarla es un primer paso”, dice. “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, existen otras formas menos exigentes de crear tales estructuras, como la electrodeposición.
Esta misma técnica de estructuración multiescala también podría aplicarse a diferentes líquidos, dicen los expertos, ajustando las dimensiones para tener en cuenta las diferentes propiedades de los líquidos.
Referencia: “Three-Tier Hierarchical Structures for Extreme Pool Boiling Heat Transfer Performance” by Youngsup Song, Carlos D. Díaz-Marín, Lenan Zhang, Hyeongyun Cha, Yajing Zhao and Evelyn N. Wang, 20 June 2022, Advanced Materials.
DOI: 10.1002/adma.202200899
