Os pesquisadores desenvolveram um novo revestimento de superfície que pode aumentar o desempenho da transferência de calor de condensação em até 5,5 vezes em comparação com superfícies de cobre convencionais. A tecnologia funciona ajudando as gotas de água a se formarem mais facilmente e a se separarem mais rapidamente, uma combinação que poderia melhorar a eficiência energética em usinas de energia e instalações de dessalinização e também melhorar o resfriamento de dispositivos eletrônicos.
KAIST (Presidente Chungsik Bae) anunciou em 23 de agosto que uma equipe conjunta liderada pelo Professor Youngsuk Nam do Departamento de Engenharia Mecânica e pelo Professor Sung Gap Im do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular criou a tecnologia controlando cuidadosamente a espessura e a estrutura de um revestimento de polímero ultrafino. O revestimento estimula o aparecimento de mais gotículas à medida que o vapor de água se condensa, ao mesmo tempo que facilita a saída dessas gotículas da superfície.
Por que a condensação é importante para a transferência de calor?
A condensação ocorre quando o vapor d’água se transforma em água líquida. Um exemplo familiar é a camada de gotículas que aparece na parte externa de uma bebida gelada. Na indústria, a condensação desempenha um papel importante na conversão do vapor de volta em água nas centrais eléctricas, na produção de água doce a partir da água do mar e na remoção do calor dos equipamentos electrónicos.
Para que estes sistemas funcionem de forma eficiente, a água condensada deve ser removida rapidamente da superfície. Em superfícies metálicas normais, pequenas gotas geralmente se fundem em uma película contínua de água. Esse filme atua como uma barreira adicional ao fluxo de calor, reduzindo a eficiência da transferência de calor, da mesma forma que múltiplas camadas de roupas de inverno retardam o movimento do calor para longe do corpo.
Um processo mais eficiente ocorre quando a água permanece em gotículas individuais que se formam e se separam repetidamente. Esse comportamento é chamado condensação de gotas. Como as gotículas drenam em vez de formar uma camada contínua, áreas frescas da superfície são repetidamente expostas, permitindo que o calor se mova de forma mais eficaz através da superfície.
Trade-off entre formação e remoção de gotículas
Os projetos de superfície anteriores sofreram uma limitação significativa. Superfícies ásperas fornecem mais espaço para a formação de gotículas, mas essas mesmas estruturas podem reter as gotículas e dificultar sua remoção. Superfícies lisas permitem que as gotas deslizem ou se desprendam mais facilmente, mas fornecem menos locais onde novas gotas podem se formar.
Isto cria um compromisso fundamental entre nucleação, formação inicial de gotículas e mobilidade de gotículas.
Os pesquisadores resolveram esse problema aproveitando agregados poliméricos em nanoescala, que anteriormente eram considerados “defeitos” indesejados em revestimentos poliméricos. Eles produziram o revestimento usando deposição química inicial de vapor (ICVD), uma técnica que deposita precursores em fase gasosa em uma superfície para formar uma camada de polímero extremamente fina.
Quando os pesquisadores tornaram o filme de polímero mais fino, muitos pequenos agregados de polímero começaram a aparecer na superfície. Em vez de remover estas estruturas, a equipa utilizou-as como locais de nucleação onde as gotas de água poderiam começar a formar-se. Os filmes finos de polímero produzem aproximadamente três vezes mais gotículas do que os filmes espessos.
ajudando as gotas a se formarem e drenarem mais rapidamente
A equipe então introduziu um tratamento térmico que enfraqueceu a força que segurava as gotas na superfície revestida. Isso permitiu que as gotículas se separassem mais facilmente, muitas vezes antes que tivessem tempo de crescer muito.
Ambos os ajustes abordaram diferentes partes do processo de condensação. A redução da espessura do filme de polímero aumentou o número de locais onde as gotículas poderiam se formar, enquanto o tratamento térmico facilitou a saída dessas gotículas da superfície. Ao controlar estes efeitos separadamente, os investigadores conseguiram superar o conflito habitual entre criar mais gotículas e removê-las rapidamente.
Depois que uma gota é liberada, outra gota pode se formar na área recém-exposta. Este processo é semelhante a preencher um lugar vazio assim que alguém se levanta. Quanto mais as gotas aparecem e desaparecem, mais frequentemente a superfície é renovada, permitindo que o calor se mova através dela com mais eficiência.
O desempenho da transferência de calor aumentou até 5,5 vezes
Para testar a tecnologia em condições mais próximas das aplicações do mundo real, os pesquisadores aplicaram revestimentos poliméricos em tubos de cobre comumente usados em condensadores.
O coeficiente máximo de transferência de calor de condensação, que mede a capacidade de uma superfície transferir calor, atingiu cerca de 88 kW·m-2·De-1. Isto representa aproximadamente 5,5 vezes maior desempenho de transferência de calor do que uma superfície de cobre convencional coberta com uma película de água.
O novo revestimento proporcionou um desempenho 50% melhor do que uma superfície de revestimento hidrofóbica convencional.
Em vez de confiar apenas em superfícies lisas ou repelentes à água, os pesquisadores usaram deliberadamente pequenos “defeitos” superficiais. Seus resultados mostraram que partículas em nanoescala, uma vez tratadas como imperfeições, podem fornecer locais úteis para a formação de gotículas. Esta descoberta levou a equipe a uma nova estratégia para projetar superfícies de condensação.
Usos potenciais em energia, água e eletrônica
Se o revestimento pudesse ser adotado em usinas de energia ou trocadores de calor industriais, poderia melhorar a eficiência energética, permitindo que o calor fosse transferido de forma mais eficaz. A tecnologia também poderia melhorar a captação de água em dispositivos de dessalinização e captação de água, enquanto a remoção mais rápida de calor poderia proporcionar melhor resfriamento para dispositivos eletrônicos.
O professor Nam disse: “Esta pesquisa é significativa porque utiliza nanoestruturas que foram anteriormente consideradas como tendo defeitos que ajudam na formação de gotículas. Apresentamos um novo método para melhorar a eficiência da transferência de calor, controlando separadamente a formação e remoção de gotículas.”
Ele acrescentou: “Como essa tecnologia pode criar revestimentos extremamente finos e uniformes, mesmo em superfícies com formatos complexos, esperamos que ela seja usada em diversas aplicações energéticas e ambientais, incluindo trocadores de calor industriais”.
Jun Soo Kim, pesquisador do Departamento de Engenharia Mecânica, e Minjeong Kang, pesquisador do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular, foram coautores do estudo como primeiros autores. Os resultados foram publicados online na revista internacional comunicação da natureza Em 16 de julho.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Programa de Pesquisador em Meio de Carreira (Ministério da Ciência e TIC e Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia), Programa de Desenvolvimento de Inovação Tecnológica para PMEs (Ministério das PMEs e Startups e Agência Coreana de Promoção de Tecnologia e Informação para PMEs) e Programa de Apoio à Ativação de Startups de Tecnologia Profunda (Ministério da Ciência e Agência de Promoção de TIC e Comercialização para Resultados de P&D, COMPA).
