A differenza dell’acqua, i refrigeranti e altri fluidi che hanno una bassa tensione superficiale tendono a diffondersi rapidamente sotto forma di un film liquido quando vengono a contatto con una superficie. Ma per molti processi industriali sarebbe meglio se i fluidi formassero goccioline, che potrebbero rotolare o cadere dalla superficie asportando calore.
I ricercatori del MIT – Massachusetts Institute of Technology – hanno compiuto progressi significativi nella promozione della formazione di goccioline in tali fluidi. L’approccio messo a punto potrebbe portare a miglioramenti dell’efficienza in molti processi industriali su larga scala, tra cui la refrigerazione, risparmiando così energia e riducendo le emissioni di gas serra.
Le nuove scoperte sono descritte in un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Joule dal post-doc Karim Khalil, dal professore di ingegneria meccanica Kripa Varanasi, dal professore associato di ingegneria chimica Provost Karen Gleason e di altri quattro ricercatori.
Nel corso degli anni, Varanasi e i suoi collaboratori hanno fatto grandi progressi nel migliorare l’efficienza dei sistemi di condensazione che utilizzano l’acqua, come i sistemi di raffreddamento utilizzati per la produzione di energia fossile o nucleare. Ma altri tipi di fluidi, come quelli utilizzati nei sistemi di refrigerazione, nella fluidificazione, nel recupero del calore di scarto e negli impianti di distillazione e altri hanno spesso una tensione superficiale molto bassa rispetto all’acqua, il che significa che è molto difficile fargli formare goccioline su una superficie. Essi tendono piuttosto a diffondersi come un film, una proprietà nota come alta bagnatura o bagnabilità.
Ma quando questi film liquidi rivestono una superficie, creano uno strato isolante che inibisce il
trasferimento di calore laddove invece un facile trasferimento di calore sarebbe fondamentale per far funzionare certi processi in modo efficiente. «Il film che si forma è una barriera al trasferimento di calore» afferma Varanasi. Il trasferimento di calore, invece, aumenta quando il liquido forma rapidamente goccioline, che poi si uniscono e aumentano di volume, cadendo per la forza di gravità. Ottenere liquidi a bassa tensione superficiale per formare gocce e eliminarle facilmente è stata una seria sfida.
Nei sistemi di condensazione che utilizzano acqua, l’efficienza complessiva del processo può essere di circa il 40%, ma con i fluidi a bassa tensione superficiale, l’efficienza può essere limitata a circa il 20%. Poiché questi processi sono così diffusi nell’industria, anche un piccolo miglioramento di tale efficienza potrebbe portare a un notevole risparmio di energia e quindi di emissioni di gas serra, afferma Varanasi. Egli spiega anche che promuovendo la formazione di gocce, è possibile ottenere un miglioramento da quattro ad otto nel trasferimento di calore. Perché la condensazione è solo una parte di un ciclo complesso, che si traduce in un miglioramento complessivo dell’efficienza di circa il 2%. Potrebbe non sembrare molto, ma in molti processi industriali anche un miglioramento percentuale è considerato un risultato importante con un grande impatto potenziale. «In questo campo, si lotta per ottenere il decimo di punto percentuale» afferma Khalil.
Varanasi e il suo team hanno sviluppato un un rivestimento molto sottile – meno di un micron di spessore (un milionesimo di metro) che favorisce la formazione di goccioline e con cui trattare le superfici, ad esempio degli scambiatori di calore. Tale rivestimento potrebbe potrebbe essere utilizzato su diverse apparecchiature ed essere adattato a installazioni esistenti per aumentare l’efficienza. Il processo è «indipendente dal materiale», afferma Khalil, e può essere applicato su superfici piane o tubi in acciaio inossidabile, titanio o altri metalli comunemente usati nei processi di trasferimento del calore di condensazione che coinvolgono questi fluidi a bassa tensione superficiale. «Qualsiasi materiale venga utilizzato nello scambiatore di calore della vostra struttura, tende a essere scalabile con questo processo» aggiunge.
Il risultato è che su queste superfici i fluidi di condensazione come gli idrocarburi pentano o metano liquido, o alcoli come l’etanolo, formeranno prontamente piccole goccioline che, cadendo rapidamente dalla superficie, lasceranno spazio per altre formazioni ed ,elimineranno il calore dalla struttura rivestita.
Un settore in cui tali rivestimenti potrebbero svolgere un ruolo utile, dice Varanasi, è nei sistemi organici a ciclo Rankine, che sono ampiamente utilizzati per generare energia dal calore di scarto in una varietà di processi industriali.
«Questi sono sistemi intrinsecamente inefficienti ma questo sistema potrebbe renderli più efficienti. Questo nuovo approccio alla condensazione è significativo perché promuove la formazione di gocce (piuttosto che la formazione di film) anche per fluidi a bassa tensione superficiale, migliorando significativamente l’efficienza di trasferimento del calore» afferma Jonathan Boreyko, assistente professore di ingegneria meccanica presso il Virginia Tech , che non era collegato a questa ricerca. Sebbene il processo descritto non sia nuovo, afferma, «mostrare che può essere utilizzato anche per la condensazione di fluidi a bassa tensione superficiale è di notevole importanza pratica, poiché molti sistemi di cambiamento di fase reale non utilizzano acqua»- Si tratta di un lavoro di altissima qualità, aggiunge Boreyko che “semplicemente mostra per la prima volta che un rivestimento sottile, resistente e asciutto può favorire la condensazione a goccia dei fluidi a bassa tensione superficiale, cosa molto importante per un’ampia varietà di sistemi a condensatore».
La ricerca è stata sostenuta dal partenariato Shell-MIT Energy Initiative. Il team comprendeva gli ex studenti del MIT Taylor Farnham e Adam Paxson, e gli ex postdoc Dan Soto e Asli Ugur Katmis.
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