A differenza dell'acqua, i refrigeranti liquidi e altri fluidi che hanno una bassa tensione superficiale tendono a diffondersi rapidamente in un foglio quando entrano in contatto con una superficie. Ma per molti processi industriali sarebbe meglio se i fluidi formassero goccioline, che potrebbero rotolare o cadere dalla superficie e portare via il calore.

Ora, i ricercatori del MIT hanno compiuto progressi significativi nel promuovere la formazione e lo spargimento di goccioline in tali fluidi. Questo approccio potrebbe portare a miglioramenti dell'efficienza in molti processi industriali su larga scala, tra cui refrigerazione, risparmiando così energia e riducendo le emissioni di gas serra.

Le nuove scoperte sono descritte nella rivista Joule , in un articolo dello studente laureato Karim Khalil, professore di ingegneria meccanica Kripa Varanasi, professore di ingegneria chimica e rettore associato Karen Gleason, e altri quattro.

Negli anni, Varanasi e i suoi collaboratori hanno compiuto grandi progressi nel miglioramento dell'efficienza dei sistemi di condensazione che utilizzano acqua, come i sistemi di raffreddamento utilizzati per la produzione di energia da combustibili fossili o nucleari. Ma altri tipi di fluidi, come quelli utilizzati nei sistemi di refrigerazione, liquefazione, recupero del calore residuo, e impianti di distillazione, o materiali come il metano negli impianti di liquefazione di petrolio e gas, spesso hanno una tensione superficiale molto bassa rispetto all'acqua, il che significa che è molto difficile farli formare goccioline su una superficie. Anziché, tendono a stendersi in un lenzuolo, una proprietà nota come bagnatura.

Ma quando questi fogli di liquido ricoprono una superficie, forniscono uno strato isolante che inibisce il trasferimento di calore, e un facile trasferimento di calore è fondamentale per far funzionare questi processi in modo efficiente. "Se forma un film, diventa una barriera al trasferimento di calore, " Dice Varanasi. Ma quel trasferimento di calore è migliorato quando il liquido forma rapidamente goccioline, che poi si uniscono e crescono e cadono sotto la forza di gravità. Ottenere liquidi a bassa tensione superficiale per formare goccioline e diffonderle facilmente è stata una sfida seria.

Nei sistemi a condensazione che utilizzano acqua, l'efficienza complessiva del processo può aggirarsi intorno al 40%, ma con fluidi a bassa tensione superficiale, l'efficienza può essere limitata a circa il 20 percento. Poiché questi processi sono così diffusi nell'industria, anche un piccolo miglioramento di tale efficienza potrebbe portare a notevoli risparmi di carburante, e quindi nelle emissioni di gas serra, dice Varanasi.

Favorendo la formazione di goccioline, lui dice, è possibile ottenere un miglioramento da quattro a otto volte nel trasferimento di calore. Poiché la condensazione è solo una parte di un ciclo complesso, che si traduce in un miglioramento dell'efficienza complessiva di circa il 2 per cento. Potrebbe non sembrare molto, ma in questi enormi processi industriali anche una frazione di un miglioramento percentuale è considerata un risultato importante con un grande impatto potenziale. "In questo campo, stai combattendo per i decimi di punto percentuale, "Dice Khalil.

A differenza dei trattamenti superficiali che Varanasi e il suo team hanno sviluppato per altri tipi di fluidi, che si basano su un materiale liquido tenuto in posizione da una trama superficiale, in questo caso sono stati in grado di ottenere l'effetto idrorepellente utilizzando un rivestimento solido molto sottile, spesso meno di un micron (un milionesimo di metro). Quella magrezza è importante, per garantire che il rivestimento stesso non contribuisca a bloccare il trasferimento di calore, Khalil spiega.

Il rivestimento, fatto di un polimero appositamente formulato, si deposita sulla superficie utilizzando un processo chiamato deposizione chimica da vapore iniziata (iCVD), in cui il materiale di rivestimento viene vaporizzato e si innesta sulla superficie da trattare, come un tubo di metallo, per formare un sottile rivestimento. Questo processo è stato sviluppato al MIT da Gleason ed è ora ampiamente utilizzato.

Gli autori hanno ottimizzato il processo iCVD sintonizzando l'innesto delle molecole di rivestimento sulla superficie, al fine di ridurre al minimo l'intrappolamento delle gocce di condensa e facilitare il loro facile spargimento. Il processo potrebbe essere eseguito in loco in apparecchiature su scala industriale, e potrebbe essere adattato alle installazioni esistenti per aumentare l'efficienza. Il processo è "agnostico dai materiali, "Kalil dice, e può essere applicato sia su superfici piane che su tubi in acciaio inossidabile, rame, titanio, o altri metalli comunemente usati nei processi di trasferimento di calore evaporativo che coinvolgono questi fluidi a bassa tensione superficiale. "Qualunque materiale ti venga in mente, tende ad essere scalabile con questo processo, " Aggiunge.

Il risultato netto è che su queste superfici, i fluidi condensanti come il metano liquido formeranno facilmente piccole goccioline che cadono rapidamente dalla superficie, facendo spazio a più forme, e nel processo diffondendo calore dal metallo alle goccioline che cadono. Senza il rivestimento, il fluido si estenderebbe su tutta la superficie e resisterebbe alla caduta, formando una sorta di coperta che trattiene il calore. Ma con esso, "il trasferimento di calore migliora di quasi otto volte, "Dice Khalil.

Un'area in cui tali rivestimenti potrebbero svolgere un ruolo utile, Varanasi dice, è in sistemi di ciclo Rankine organici, che sono ampiamente utilizzati per generare energia dal calore di scarto in una varietà di processi industriali. "Si tratta di sistemi intrinsecamente inefficienti, " lui dice, "ma questo potrebbe renderli più efficienti".