Il design della superficie dello scambiatore di calore potrebbe migliorare l'efficienza

USA: I ricercatori del MIT affermano di aver trovato un modo per migliorare l'efficienza dei sistemi con un trattamento superficiale appositamente studiato per i materiali degli scambiatori di calore.

La ricerca, che attualmente è ancora su scala di laboratorio, prevede una combinazione di tre diversi tipi di modifiche superficiali su scale dimensionali diverse. Tuttavia, i ricercatori ammettono che è necessario ulteriore lavoro per sviluppare un processo pratico su scala industriale.

Le nuove scoperte sono descritte sulla rivista Advanced Materials in un articolo del neolaureato Youngsup Song del Massachusetts Institute of Technology, della professoressa di ingegneria Ford Evelyn Wang e di altri quattro ricercatori del MIT.

Il processo di ebollizione è generalmente un compromesso tra il coefficiente di trasferimento del calore (HTC) e il flusso di calore critico (CHF).

Sebbene entrambi i parametri siano importanti, migliorarli insieme è difficile perché hanno dei compromessi intrinseci. Song spiega che la ragione di ciò è che se ci sono molte bolle sulla superficie bollente, l'ebollizione è molto efficiente, ma se ci sono troppe bolle sulla superficie, possono fondersi insieme, formando una pellicola di vapore sulla superficie. superficie bollente. Quella pellicola introduce resistenza al trasferimento di calore dalla superficie calda e abbassa il valore CHF.

Ora, dopo anni di lavoro, si dice che il team sia riuscito a migliorare significativamente entrambe le proprietà allo stesso tempo, attraverso la combinazione di diverse texture aggiunte alla superficie di un materiale.

Song, che ora è postdoc presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, ha svolto gran parte della ricerca come parte della sua tesi di dottorato al MIT. Sebbene i vari componenti del nuovo trattamento superficiale da lui sviluppato fossero stati studiati in precedenza, i ricercatori affermano che questo lavoro è il primo a dimostrare che questi metodi potrebbero essere combinati per superare il compromesso tra i due parametri concorrenti.

L'aggiunta di una serie di cavità su microscala, o ammaccature, a una superficie è un modo per controllare il modo in cui si formano le bolle su quella superficie, mantenendole effettivamente bloccate nelle posizioni delle ammaccature e impedendo loro di diffondersi in una pellicola resistente al calore.

I ricercatori hanno creato una serie di ammaccature larghe 10μm separate da circa 2 mm per prevenire la formazione di pellicola. Tuttavia, tale separazione riduce anche la concentrazione di bolle sulla superficie, il che può ridurre l'efficienza di ebollizione. Per compensare ciò, il team ha introdotto un trattamento superficiale su scala molto più piccola, creando piccole protuberanze e creste su scala nanometrica, che aumentano l’area superficiale e favoriscono il tasso di evaporazione sotto le bolle.

In questi esperimenti, le cavità sono state realizzate al centro di una serie di pilastri sulla superficie del materiale. Questi pilastri, combinati con le nanostrutture, favoriscono l'assorbimento del liquido dalla base alla parte superiore e ciò migliora il processo di ebollizione fornendo una maggiore superficie esposta all'acqua. Insieme, i tre “livelli” della struttura superficiale – la separazione delle cavità, i perni e la strutturazione su scala nanometrica – forniscono un’efficienza notevolmente migliorata per il processo di ebollizione, afferma Song.

Sebbene il loro lavoro abbia confermato che la combinazione di questi tipi di trattamenti superficiali può funzionare e ottenere gli effetti desiderati, questo lavoro è stato svolto in condizioni di laboratorio su piccola scala che non potevano essere facilmente adattate a dispositivi pratici.

"Dimostrare che possiamo controllare la superficie in questo modo per ottenere miglioramenti è un primo passo", afferma Evelyn Wang. "Quindi il prossimo passo sarà pensare ad approcci più scalabili."

Ad esempio, sebbene i pilastri sulla superficie in questi esperimenti siano stati creati utilizzando metodi di camera bianca comunemente usati per produrre chip semiconduttori, si dice che esistano altri modi meno impegnativi per creare tali strutture, come l’elettrodeposizione. Esistono anche diversi modi per produrre le texture delle nanostrutture superficiali, alcuni dei quali possono essere più facilmente scalabili.

Il team comprendeva anche Carlos Diaz-Martin, Lenan Zhang, Hyeongyun Cha e Yajing Zhao, tutti del MIT. Il lavoro è stato sostenuto dall’Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), dall’Air Force Office of Scientific Research e dall’Alleanza Singapore-MIT per la ricerca e la tecnologia, e ha utilizzato le strutture del MIT.nano.