Textura da panela faz água ferver com mais eficiência

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/07/2022

Água fervendo na superfície nanoestruturada criada pela pesquisadora.
[Imagem: Youngsup Song et al. - 10.1002/adma.202200899]

Ferver água com mais eficiência

Um método mais eficiente para aquecer e evaporar a água promete reduzir significativamente o uso de energia na indústria e em casa.

A fervura da água e de outros fluidos é uma etapa de uso intensivo de energia que ocupa lugar central em uma ampla gama de processos industriais, incluindo a maioria das usinas de geração de eletricidade, sistemas de produção química e até sistemas de refrigeração para aparelhos eletrônicos.

Para otimizar um processo tão importante, a pesquisadora Youngsup Song, do MIT, lançou mão de um tratamento superficial que combina três tipos diferentes de modificações de superfície, em diferentes escalas de tamanho.

Existem dois parâmetros principais que descrevem o processo de ebulição: O coeficiente de transferência de calor (CTC) e o fluxo de calor crítico (FCC). No projeto dos materiais usados nesses sistemas, geralmente é procurado um equilíbrio entre os dois, de modo que qualquer coisa que melhore um desses parâmetros tende a piorar o outro.

Basicamente, quando uma quantidade suficiente de bolhas se forma na superfície de ebulição, isso significa que a ebulição é muito eficiente; mas, se forem criadas bolhas em excesso, elas podem coalescer, formando um filme de vapor sobre a superfície que oferece resistência à transferência de calor da superfície quente para a água - é isso que cria o famoso efeito Leidenfrost, que faz as gotas de água dançarem na panela quente.

Com uma combinação de diferentes texturas adicionadas à superfície do material, a equipe finalmente conseguiu melhorar significativamente ambas as propriedades ao mesmo tempo.

São três texturizações para melhorar todos os parâmetros envolvidos na ebulição.
[Imagem: Youngsup Song et al. - 10.1002/adma.202200899]

Superfície nanoestruturada

Adicionar uma série de cavidades em microescala a uma superfície é uma maneira bem conhecida de controlar a forma como as bolhas se formam, mantendo-as efetivamente presas às depressões e impedindo que se espalhem a ponto de formar um filme resistente à transferência do calor.

Song criou uma série de cavidades, com 10 micrômetros de diâmetro cada uma, separadas por cerca de 2 milímetros, o que se mostrou eficaz para evitar a formação do filme de vapor.

Mas essa separação também reduz a concentração de bolhas na superfície, o que reduz a eficiência de ebulição. Para compensar isso, ele introduziu um tratamento de superfície em escala muito menor, criando pequenas saliências e sulcos na escala nanométrica, o que aumenta a área da superfície e melhora a taxa de evaporação sob as bolhas.

As cavidades foram feitas nos centros de uma série de pilares na superfície do material. Esses pilares, combinados com nanoestruturas, promovem a absorção do líquido da base para o topo, e isso potencializa o processo de ebulição ao proporcionar maior área superficial exposta à água. Em combinação, as três "camadas" da textura da superfície - a separação da cavidade, os pilares e a texturização em nanoescala - fornecem uma eficiência muito maior para o processo de ebulição.

"Essas microcavidades definem a posição onde as bolhas surgem. Mas, separando essas cavidades em 2 milímetros, separamos as bolhas e minimizamos a coalescência das bolhas," explicou Song. Ao mesmo tempo, as nanoestruturas promovem a evaporação sob as bolhas, e a ação capilar induzida pelos pilares fornece líquido à base da bolha. Isso mantém uma camada de água líquida entre a superfície de ebulição e as bolhas de vapor, o que aumenta o fluxo máximo de calor.

O desafio agora é sair da escala de laboratório e criar aparatos de dimensões industriais - ou, pelo menos, de dimensões culinárias. "Mostrar que podemos controlar a superfície dessa forma para obter melhorias é um primeiro passo. Então o próximo passo é pensar em abordagens mais escaláveis," reconheceu Song.

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