La ebullición del agua está en el corazón de muchos procesos industriales, desde la operación de plantas de energía eléctrica hasta el procesamiento químico y la desalinización. Pero los detalles de lo que sucede en una superficie caliente a medida que el agua hierve se han entendido mal, por lo que los puntos críticos inesperados puedena veces derretir equipos caros y desactivar plantas.
Ahora los investigadores del MIT han desarrollado una comprensión de las causas de este calentamiento extremo, que ocurre cuando se excede un valor conocido como flujo de calor crítico CHF, y cómo prevenirlo. Las nuevas ideas podrían hacer posibleoperar plantas de energía a temperaturas más altas y, por lo tanto, una eficiencia general significativamente mayor, dicen.
Los resultados se informan esta semana en la revista Comunicaciones de la naturaleza , en un documento en coautoría del postdoc Navdeep Singh Dhillon, profesor de ciencias e ingeniería nuclear Jacopo Buongiorno, y profesor asociado de ingeniería mecánica Kripa Varanasi.
"Aproximadamente el 85 por ciento de la base de electricidad instalada en todo el mundo depende de generadores de energía de vapor, y en los Estados Unidos es el 90 por ciento", dice Varanasi. "Si puede mejorar el proceso de ebullición que produce este vapor, puede mejorarla eficiencia general de la central eléctrica "
Las burbujas de vapor que caracterizan la ebullición, familiares para cualquiera que haya hervido agua en una estufa, resultan limitar la eficiencia energética. Esto se debe a que el gas, ya sea aire o vapor de agua, es altamente aislante, mientras que el agua es unbuen absorbedor de calor. Por lo tanto, en una superficie caliente, cuanto más área esté cubierta de burbujas, menos eficiente será la transferencia de energía térmica.
Si esas burbujas persisten demasiado tiempo en un lugar determinado, puede aumentar significativamente la temperatura del metal debajo, ya que el calor no se transfiere lo suficientemente rápido, dice Varanasi, y potencialmente puede derretir parte del metal.
"Esto seguramente dañará una caldera industrial, un escenario potencialmente catastrófico para una planta de energía nuclear o una unidad de procesamiento químico", dice Dhillon. Cuando una capa de burbujas limita la transferencia de calor, "localmente, la temperatura puede aumentar en varios milesgrados "- un fenómeno conocido como" crisis de ebullición "
Para evitar exceder el CHF, las plantas de energía generalmente operan a temperaturas más bajas de lo que podrían, limitando su eficiencia y potencia de salida. Se sabe que el uso de superficies texturizadas ayuda, pero no se sabe por qué o cuál es la textura óptimapuede ser.
Contrariamente a lo que prevalece, el nuevo trabajo muestra que más texturas no siempre es mejor. Los experimentos del equipo del MIT, que utilizan imágenes ópticas e infrarrojas de alta velocidad simultáneas del proceso de ebullición, muestran un beneficio máximo a cierto nivel de texturizado de superficie; entender exactamente dónde se encuentra este valor máximo y la física detrás de él es clave para mejorar los sistemas de calderas, dice el equipo.
"Lo que realmente faltaba era una comprensión del mecanismo específico que proporcionarían las superficies texturizadas", dice Buongiorno. La nueva investigación señala la importancia de un equilibrio entre las fuerzas capilares y las fuerzas viscosas en el líquido.
"A medida que la burbuja comienza a salir de la superficie, el líquido circundante necesita volver a humedecer la superficie antes de que la temperatura del punto seco caliente debajo de la burbuja exceda un valor crítico", dice Varanasi. Esto requiere comprender el acoplamiento entre el flujo de líquido en la superficietexturas superficiales y su interacción térmica con la superficie subyacente.
"Si algo puede mejorar la transferencia de calor, eso podría mejorar el margen operativo de una planta de energía", dice Varanasi, lo que le permite operar de manera segura a temperaturas más altas.
Al mejorar la eficiencia general de una planta, es posible reducir sus emisiones: "Puede obtener la misma cantidad de producción de vapor de una cantidad menor de combustible", dice Dhillon. Al mismo tiempo, la seguridad de la planta mejorareduciendo el riesgo de sobrecalentamiento y fallas catastróficas de la caldera.
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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