Científicos de Corea del Sur crean una película ultrafina para tubos de cobre que permite formar y expulsar gotas de agua más rápido, logrando hasta 5.5 veces más transferencia de calor
El desarrollo de investigadores de KAIST utiliza un recubrimiento de 100 nanómetros o menos que alcanzó hasta 88 kW/m²·K y podría aplicarse en sistemas de refrigeración, desalación e intercambiadores de calor.
Cuando el vapor se convierte en agua sobre una superficie metálica, el calor que libera debe pasar rápidamente hacia el otro lado del material.
El problema aparece cuando el agua se queda adherida y forma una película continua, porque esa capa dificulta que el calor siga atravesando la superficie.
Un equipo de investigadores del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), en Corea del Sur, desarrolló un recubrimiento ultrafino para tubos de cobre que busca solucionar este problema.
La tecnología favorece que se formen más gotas de agua y que estas se desprendan con mayor rapidez, lo que permitió mejorar hasta 5.5 veces la transferencia de calor durante la condensación frente al cobre convencional.
El sistema utiliza una película de polímero de 100 nanómetros o menos y alcanzó en las pruebas un coeficiente de transferencia térmica de hasta 88 kW/m²·K. Los investigadores también reportaron una mejora superior al 50% frente a superficies hidrofóbicas convencionales.
¿Por qué es importante controlar cómo se forma el agua?
La condensación está presente en numerosos procesos industriales. En una central eléctrica, por ejemplo, el vapor utilizado durante la generación de energía debe volver a convertirse en agua. Algo similar ocurre en intercambiadores de calor, sistemas de desalación y algunos sistemas de refrigeración.
En una superficie de cobre convencional, el agua puede extenderse hasta formar una película. Aunque se trate de una capa muy delgada, esa película añade resistencia al paso del calor. Los valores indicados en el estudio para este tipo de condensación se encuentran aproximadamente entre 10 y 20 kW/m²·K.
Existe otra posibilidad: que el agua se mantenga en forma de gotas. En este caso, las gotas aparecen, aumentan de tamaño y terminan desprendiéndose.
Cuando una gota abandona la superficie, el espacio que ocupaba queda nuevamente disponible para que comience otra condensación, lo que permite mantener activa la superficie de manera continua.
El reto era conseguir más gotas sin que se quedaran pegadas
Aquí aparece una dificultad. Una superficie con muchas irregularidades microscópicas puede ofrecer más lugares donde comiencen a formarse las gotas. Sin embargo, esas mismas estructuras pueden hacer que el agua se adhiera con mayor fuerza.
Una superficie muy lisa puede facilitar que las gotas se desplacen, pero también puede ofrecer menos puntos para iniciar la condensación. Los investigadores tenían que resolver las dos partes del problema: favorecer la formación de gotas y, al mismo tiempo, conseguir que abandonaran rápidamente el tubo.
La solución desarrollada en KAIST utiliza un recubrimiento cuyo espesor permite controlar la formación de las gotas y un tratamiento posterior que facilita su desprendimiento.
Una película de menos de 100 nanómetros cambia el comportamiento de la superficie
El equipo utilizó un fluoropolímero llamado pPFDMA, aplicado mediante una técnica conocida como deposición química de vapor iniciada, o iCVD.
Este método permite formar una película polimérica extremadamente delgada y uniforme sobre el material. Los investigadores observaron que las películas de 100 nanómetros o menos presentaban pequeños agregados semicristalinos distribuidos de manera más densa.
Estas estructuras, que podrían considerarse irregularidades del material, terminaron cumpliendo una función importante: proporcionaron más lugares para que comenzaran a formarse las gotas de agua.
Las películas más delgadas consiguieron una densidad de nucleación aproximadamente tres veces mayor que las películas de 500 nanómetros. En términos sencillos, la superficie podía generar más puntos de condensación al mismo tiempo.
El tratamiento a 80 °C ayuda a expulsar las gotas
Crear más gotas no era suficiente. Si permanecían demasiado tiempo sobre el tubo, podían volver a formar una capa de agua y reducir el beneficio conseguido.
Para evitarlo, los investigadores aplicaron después un tratamiento térmico a 80 °C durante una hora. El proceso modifica parcialmente la estructura del polímero y reduce la fuerza con la que las gotas permanecen adheridas a la superficie.
Así, las gotas pueden desprenderse antes de crecer demasiado. El vapor puede volver a entrar en contacto con las zonas que quedaron libres y comenzar nuevamente el proceso de condensación.
La combinación entre una película delgada y el tratamiento térmico permite actuar sobre dos momentos distintos: primero se favorece la aparición de las gotas y después se facilita su salida de la superficie.
Los tubos de cobre alcanzaron hasta 88 kW/m²·K
Para comprobar el comportamiento del recubrimiento, los investigadores no se limitaron a utilizar pequeñas superficies planas. El material fue aplicado sobre tubos de cobre, una geometría relacionada con equipos utilizados para la transferencia de calor.
En las pruebas con vapor puro, las mejores superficies alcanzaron aproximadamente 88 kW/m²·K.
De acuerdo con los resultados del estudio, esto representa hasta 5.5 veces la transferencia de calor del cobre convencional cuando sobre su superficie se forma una película continua de agua.
El resultado también fue superior al obtenido con superficies hidrofóbicas convencionales diseñadas para favorecer la condensación por gotas. En ese caso, el recubrimiento desarrollado por los investigadores consiguió más de 50% de mejora.
¿Significa que los aires acondicionados consumirán 5.5 veces menos electricidad?
El dato de 5.5 veces corresponde al coeficiente de transferencia de calor de la superficie estudiada, no al consumo eléctrico de un aire acondicionado ni a la eficiencia total de una instalación.
La importancia del desarrollo está en que una superficie capaz de transferir más calor puede abrir la posibilidad de mejorar determinados componentes de sistemas de refrigeración y transferencia térmica.
Para determinar cuánto podría reducirse el consumo de un equipo completo sería necesario evaluar el comportamiento de todos sus componentes y las condiciones específicas de operación.
¿Dónde podría utilizarse este recubrimiento?
Los investigadores identifican varias áreas en las que esta tecnología podría tener aplicaciones. Una de ellas son las centrales eléctricas, donde la condensación del vapor forma parte del proceso utilizado para generar electricidad.
También podría estudiarse en intercambiadores de calor, donde una transferencia más rápida puede abrir posibilidades para aumentar la capacidad de un equipo o reducir el espacio necesario para determinadas aplicaciones.
Otra posible aplicación está en la desalación y recuperación de agua, procesos que también requieren convertir vapor nuevamente en líquido. La tecnología también podría tener interés en sistemas de refrigeración de dispositivos electrónicos, donde es necesario retirar grandes cantidades de calor de superficies cada vez más pequeñas.
¿Qué hace diferente a este recubrimiento?
El desarrollo no se basa únicamente en hacer que el cobre sea repelente al agua. La propuesta busca controlar dos momentos diferentes de la condensación.
Primero, la película ultrafina proporciona estructuras que favorecen la aparición de gotas. Después, el tratamiento térmico facilita que esas gotas se desprendan.
De esta manera, los investigadores buscan superar el conflicto que existe entre formar muchas gotas y conseguir que se muevan con facilidad.
El siguiente reto será llevarlo a equipos reales
Los resultados muestran que el recubrimiento puede mejorar de manera importante la transferencia de calor en tubos de cobre bajo las condiciones estudiadas. Sin embargo, una aplicación industrial requiere comprobar que el material pueda mantener sus propiedades durante periodos prolongados y bajo condiciones distintas a las del laboratorio.
También será necesario evaluar aspectos relacionados con su fabricación y aplicación sobre grandes superficies.
Por ahora, el desarrollo de KAIST presenta una estrategia basada en una película extremadamente delgada que modifica la forma en que el agua se forma, crece y abandona una superficie de cobre.
Ese cambio permitió alcanzar una transferencia de calor de hasta 88 kW/m²·K en las pruebas realizadas y abre una posible vía para mejorar distintos sistemas donde la condensación es una parte importante del proceso.
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