A água é muito fervida – seja uma xícara de chá preparada na cozinha ou na usina. Quaisquer melhorias na eficiência desse processo terão um impacto significativo na quantidade total de energia usada para ele a cada dia.
Uma dessas melhorias poderia vir com um tratamento recém-desenvolvido de superfícies usadas para aquecimento e evaporação de água. O processamento melhora dois parâmetros-chave que definem o processo de ebulição: o coeficiente de transferência de calor (HTC) e o fluxo de calor crítico (CHF).
Na maioria das vezes, há um trade-off entre os dois – o melhor, pior o outro. Após anos de pesquisa, o termo de pesquisa por trás dessa técnica encontrou uma maneira de aprimorar ambos.
“Ambos os parâmetros são importantes, mas otimizar os dois parâmetros juntos é meio difícil porque eles têm uma compensação intrínseca”, O cientista de bioinformática Yongsap Song diz Do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, na Califórnia.
“Se tivermos muitas bolhas na superfície de ebulição, a ebulição é muito eficiente, mas se tivermos muitas bolhas na superfície, elas podem se fundir, o que pode formar uma camada de vapor acima da superfície de ebulição.”
Qualquer filme de vapor entre a superfície quente e a água apresenta resistência, o que reduz a eficiência da transferência de calor e o valor de CHF. Para contornar esse problema, os pesquisadores criaram três tipos diferentes de modificação de superfície.
Primeiro, uma série de microtúbulos são adicionados. Este conjunto de tubos de 10 µm de largura, espaçados em cerca de 2 mm, controla a formação de bolhas e mantém as bolhas fixas nas cavidades. Isso evita a formação de um filme de vapor.
Ao mesmo tempo, reduz a concentração de bolhas na superfície, o que reduz a eficiência de ebulição. Para resolver isso, os pesquisadores introduziram um tratamento em menor escala como uma segunda modificação, adicionando apenas saliências e bordas do tamanho de nanômetros dentro da superfície dos tubos ocos. Isso aumenta a área de superfície disponível e aumenta as taxas de evaporação.
Por fim, microcavidades foram colocadas no centro de uma série de colunas na superfície do material. Essas plumas aceleram o processo de retirada de fluido adicionando mais área de superfície. Combinados, a eficiência de ebulição aumenta significativamente.
Acima: Um vídeo desacelerado pelos pesquisadores mostra a água fervendo em uma superfície especialmente tratada, causando a formação de bolhas em pontos separados específicos.
Como as nanoestruturas também promovem a evaporação sob as bolhas e as colunas mantêm um suprimento constante de líquido para a base da bolha, uma camada de água pode ser mantida entre a superfície de ebulição e as bolhas – o que promove o fluxo máximo de calor.
“Demonstrar nossa capacidade de manipular a superfície dessa maneira para obter otimização é o primeiro passo”, A engenheira mecânica Evelyn Wang diz: do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. “Então o próximo passo é pensar em abordagens mais escaláveis.”
“Esses tipos de estruturas que fazemos não se destinam a escalar em sua forma atual.”
Mover o trabalho de um laboratório de pequena escala para algo que possa ser usado em indústrias comerciais não será muito fácil, mas os pesquisadores estão confiantes de que isso pode ser feito.
Um desafio é encontrar maneiras de criar a textura da superfície e os três “níveis” de ajustes. A boa notícia é que existem diferentes métodos que podem ser explorados, e o procedimento também deve funcionar para diferentes tipos de fluidos.
“Esses tipos de detalhes podem ser alterados e esse pode ser nosso próximo passo”, cantado diz.
A pesquisa foi publicada em materiais avançados.