ES2835342T3 - Intercambiador de calor con superficies de transferencia de calor mejoradas - Google Patents

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Abstract

Un intercambiador de calor con una superficie de transferencia de calor dotada con bacterias hipertermófilas.

Description

DESCRIPCIÓN
Intercambiador de calor con superficies de transferencia de calor mejoradas
Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere a la mejora de superficies en intercambiadores de calor. Más específicamente, la presente invención se refiere a un intercambiador de calor de cambio de fase que tiene superficies de transferencia de calor recubiertas con bacterias hipertermófilas. Un intercambiador de calor con una superficie de transferencia de calor dotada con sitios de nucleación se conoce a partir del documento WO2015/175147A2. Estos sitios de nucleación no son de naturaleza biológica.
Antecedentes de la invención
Debido al calor latente en el cambio de fase, la ebullición corresponde a un aumento de la cantidad de calor extraído de las superficies de los intercambiadores de calor usados en la transferencia de calor por ebullición. Se demanda generalmente para encontrar formas de obtener sistemas de eliminación de calor altamente efectivos que implican transferencia de calor por ebullición. Durante la última década, los avances en la fabricación, la nanotecnología y la ingeniería de tratamiento de superficies han conducido a superficies micro/nanoestructuradas para aumentar la transferencia de calor por ebullición de las superficies calentadas (como en Li, C., et al., Nanostructured copper interfaces for enhanced boiling, small, 2008. 4(8): p.1084-1088).
Uno de los primeros estudios que revela el efecto de las superficies nanoestructuradas en el rendimiento de la transferencia de calor de la superficie se dirigió por Sriraman y Banerjee (Pool boiling studies on nano-structrured surfaces, en ASME 2007 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. 2007. Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos).
Yao et al., (Pool boiling heat transfer enhancement through nanostructures on silicon microchannels. Journal of Nanotechnology in Engineering and Medicine, 2012. 3(3): p. 031002) integró nanoestructuras en un microcanal a base de silicio para mejorar la transferencia de calor por ebullición en piscina. En este estudio, se usaron nanohilos de silicio uniformes en la parte superior, la parte inferior y las paredes laterales de microcanales. Se logró una mejora del 120 % en el flujo de calor con un sobrecalentamiento de pared dado.
Hendricks et al., (Enhancement of pool-boiling heat transfer using nanostructured surfaces on aluminium and copper. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010. 53 (15-16): p. 3357-3365) depositó nanoestructuras de ZnO en superficies de Al y Cu usando deposición de nanomateriales asistida por microrreactor a baja temperatura para preparar superficies nanoestructuradas. Se informó de reducciones de 25-38 °C en el sobrecalentamiento de la pared a un flujo de calor dado.
Ahn et al. (Pool Boiling Experiments on a Nano-Structured Surface. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2009. 32(1): p. 156-165) depositó nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) sobre obleas de silicio con diferentes alturas para mejorar el rendimiento.
La desaleación se informó por Tang et al. (Pool-boiling enhancement by novel metallic nanoporous surface. Experimental Thermal and Fluid Science, 2013. 44: p. 194-198) para lograr superficies nanoporosas de cobre. Se observó una mejora de la transferencia de calor y una reducción en el sobrecalentamiento de la pared en superficies tratadas en comparación con las de superficies no tratadas.
Hoodoo es el nombre de un tipo de estructura de superficie, que se utilizó por Bon et al. (E1Hoodoo: A New Surface Structure for Enhanced Boiling Heat Transfer. Journal of Thermal Science and Engineering Applications, 2013. 5(1): p. 011003-011003). Hoodoo tuvo un gran efecto en la mejora de la transferencia de calor por ebullición, la activación de los sitios de nucleación y alcanzar un flujo de calor crítico, que impone un límite beneficiarse de la transferencia de calor por ebullición.
La ebullición tiene muchas aplicaciones industriales que incluyen generación de energía, refrigeración y sistemas de enfriamiento, como se informa por Rainey et al. (Effect of Pressure, Subcooling, and Dissolved Gas on Pool Boiling Heat Transfer From Microporous Surfaces in FC-72. Journal of Heat Transfer, 2003. 125(1): p. 75-83). Una de las principales aplicaciones de los sistemas de ebullición en piscina es el enfriamiento en pilas de combustible. Con el fin de reducir las emisiones de CO2, recientemente se ha acelerado el desarrollo de vehículos eléctricos (EV). En un futuro cercano, los automóviles impulsados por gasolina o petróleo se sustituirán por EV o vehículos de pila de combustible (FCV). En el sistema de control de potencia de EV, se emplea un paquete de IC como equipo de potencia electrónica tal como un inversor. Tales inversores de IC generan una gran cantidad de calor y, en consecuencia, se pueden requerir tasas de eliminación de calor superiores a 300 W/cm2. Los dispositivos electrónicos de alto rendimiento, incluyendo circuitos integrados y chips lógicos, generan una alta cantidad de calor. Debido a la alta capacidad de eliminación de calor, la ebullición es un método eficaz para eliminar una alta cantidad de flujo de calor de la superficie seguida por el control de la temperatura de operación del dispositivo.
En resumen, las superficies ofrecen una transferencia de calor por ebullición mejorada tras ciertos tratamientos y tales superficies tienen el potencial de abordar los requisitos de alta eliminación de calor en muchas aplicaciones, incluyendo sistemas de microfluidos y nanofluidos, dispositivos de enfriamiento, baterías.
Objetos de la invención
El objeto principal de la presente invención es superar las deficiencias de la técnica anterior mencionadas anteriormente.
Otro objeto de la presente invención es la provisión de superficies de transferencia de calor que permitan una eliminación de calor mejorada en la ebullición de un líquido calentado.
Compendio de la invención
La presente invención propone un intercambiador de calor con una superficie de transferencia de calor dotada con bacterias hipertermófilas, que pueden ser del género Archaea, que pueden ser además del género Sulfolobus, y que pueden ser además de la especie Sulfolobus solfataricus. El intercambiador de calor se puede adaptar a la transferencia de calor en piscina.
Breve descripción de la figura
Las figuras, cuya breve explicación se proporciona con la presente memoria, están destinadas únicamente a proporcionar una mejor comprensión de la presente invención y, como tal, no se destinan a definir el alcance de protección o el contexto en el que dicho alcance se ha de interpretar en ausencia de la descripción.
La Figura 1 esquematiza una configuración experimental de ebullición en piscina ejemplar para probar el rendimiento del recubrimiento en la eliminación de calor de sus superficies de transferencia de calor.
La Figura 2 muestra gráficos comparativos de (a) sobrecalentamiento de la pared frente a flujo de calor, y (b) flujo de calor frente a valores de coeficientes de transferencia de calor obtenidos a partir de superficies de silicio desnudas y superficies biorrecubiertas en un intercambiador de calor según la presente invención.
La Figura 3 muestra la generación de burbujas al hervir en (a) superficies desnudas/no recubiertas y (b) superficies parcialmente recubiertas con colonias de arqueas; (c) fotografía SEM de la colonia de arqueas recubierta en una parte de superficie de transferencia de calor enfatizada en la Fig. 2(b).
Descripción detallada de la invención
Con referencia ahora a las figuras perfiladas antes, la presente invención propone un intercambiador de calor con una superficie de transferencia de calor dotada con bacterias hipertermófilas, que es preferiblemente del género Archaea, más preferiblemente del género Sulfolobus, e incluso más preferiblemente de la especie Sulfolobus solfataricus. El intercambiador de calor está adaptado preferiblemente para la transferencia de calor por ebullición en piscina.
La presente invención propone el empleo de recubrimientos de arqueas sobre superficies de intercambiadores de calor para mejora de rendimiento en la transferencia de calor por ebullición en piscina. Este tipo de recubrimiento es orgánico y biocompatible y también es adaptable a diferentes aplicaciones, donde se busca una mejora de rendimiento.
Las arqueas se conocen como uno de los tres dominios principales de la vida, y también se divide en cinco filos. Las células arqueales tienen características similares a las eubacterias, tales como la morfología unicelular. Tienen un cromosoma circular y se parecen a las células eucariotas debido a sus metabolismos tales como la replicación y transcripción de DNA (Ciaramella et al., Molecular biology of extremophiles: recent progress on the hyperthermophilic archaeon Sulfolobus. Antonie Van Leeuwenhoek, 2002. 81(1-4): p. 85-97; Bell y Jackson, Transcription and translation in Archaea: A mosaic of eukaryal and bacterial features. Trends in Microbiology, 1998.
6(6): p. 222-228). Las células arqueales tienen una capacidad de supervivencia muy única bajo condiciones fisiológicamente severas, tales como temperaturas bajas o altas (por ejemplo, entre -2 °C a 15 °C o entre 60 °C a 122 °C), alta salinidad (tal como 2M a 5M de NaCI) y valores extremos de pH (menores que 4 y también más altos que 9) (DOI: 10.1139/w05-147; J Bacteriol. Diciembre de 1995; 177(24): 7050-7059; y DOI: 10.1126/science.1086823).
La arquea hipertermófila llamada Sulfolobus solfataricus pertenece al filo Crenarchaeota. Se aisló por primera vez de Pisciarelli Solfatara en Italia (10.1016/0014-5793(88)80769-5). Sulfolobus solfataricus es una arquea irregular y con forma de lóbulo que tiene un tamaño de alrededor de 0,2 a 2 pm, crece de manera óptima a 80 - 85 °C y tiene un pH de alrededor de 3 al tiempo que mantiene un pH intracelular de alrededor de 6,5 y puede utilizar fuentes variables de carbono para mantener la homeostasis celular (J Bacteriol. Diciembre de 1989; 171(12): 6710-6719). Este microorganismo robusto y resistente al calor es un buen candidato para propósitos de recubrimiento industrial orgánico, lo que constituye la motivación tras la invención.
Configuración experimental
Una configuración experimental de ebullición en piscina ejemplar para probar el rendimiento del recubrimiento en la eliminación de calor de sus superficies de transferencia de calor se esquematiza en la Fig. 1. La configuración está diseñada para imitar un intercambiador de calor que tiene una superficie de transferencia de calor que requiere altos flujos de calor, tales como aquéllos a ser enfriados usando ebullición en piscina.
La configuración comprende una superficie de calentamiento (10) sobre un cuerpo conductor (20) que puede tener forma de placa, preferiblemente que comprende un material con un alto coeficiente de transferencia de calor, tal como metales, por ejemplo, aluminio. La configuración se puede proporcionar con termopares, calentadores de cartucho, selladores de juntas y un condensador de reflujo (ninguno mostrado).
La configuración puede comprender un receptáculo (30) para contener un líquido a ser hervido. El cuerpo conductor (20) puede tener orificios para insertar uno o más calentadores, tales como calentadores de cartucho, que pueden cubrir, al menos parcialmente, un lado del cuerpo conductor, principalmente perpendicular a una dirección de flujo de calor prevista para la provisión de calor (al que se hace referencia como “Q” en la Fig.1).
El cuerpo conductor (20) puede comprender además orificios (no mostrados) para un dispositivo o dispositivos de medición de temperatura (no mostrados), tales como termopares situados en dicho lado del cuerpo conductor. El calentador o calentadores se pueden ajustar a presión en los orificios, mientras que se puede utilizar grasa de silicio conductora para rellenar los huecos entre los calentadores y las paredes internas de los orificios.
Se pueden usar medios de sujeción (no mostrados), tales como placas de soporte, para restringir las posiciones del receptáculo (30) y el calentador o calentadores unos con respecto a los otros. Un lado superior de la configuración puede comprender uno o más orificios o conductos para llenar el receptáculo (30) con fluido, para insertar un termopar (no mostrado) para medir la temperatura global del fluido (no mostrado), y para conectar un condensador (por ejemplo, un condensador de reflujo, no mostrado) al receptáculo (30) para condensar y devolver el fluido hervido de vuelta al receptáculo (30).
Se pueden usar selladores de juntas resistentes a altas temperaturas entre los bordes del receptáculo (30), los bordes del calentador o calentadores y de las placas superiores para evitar cualquier fuga, así como entre el calentador y los medios de sujeción para evitar disipación de calor. Cualquier hueco entre los tubos externos e internos del condensador se puede rellenar con un fluido (por ejemplo, agua) para condensar el vapor que escapa a través del tubo interno, que se puede abrir a la atmósfera para mantener el proceso bajo presión atmosférica.
El volumen de líquido en el receptáculo (30) se midió antes y después de cada prueba para monitorizar la cantidad de líquido usada en los experimentos de ebullición en piscina. Se observó que un condensador de reflujo vertical como se ha descrito anteriormente fue eficaz y la cantidad de agua permaneció casi igual después de cada experimento. La corriente y la tensión usadas para excitar el calentador se pueden ajustar usando una fuente de alimentación digital (no mostrada) con multímetros, que hoy en día pueden proporcionar una alta precisión. La fuente de alimentación se puede conectar directamente a los calentadores, por ejemplo, calentadores de cartucho. Todas las lecturas de temperaturas y de potencia del fluido y de la superficie (10) se registraron bajo condiciones de estado estacionario. Para asegurarse de la repetitividad, cada experimento se repitió varias veces.
Aqueas empleadas en la configuración experimental
Se observa que las principales características de las superficies biorrecubiertas es que proporcionan numerosos sitios de nucleación activos (11), desde donde puede surgir un alto número de burbujas y apartarse de las superficies, y esto corresponde a una transferencia de calor mejorada al fluido debido a la eliminación de calor de cambio de fase. De este modo, según la estrecha relación entre las estructuras superficiales y el número de sitios de nucleación activos (11), los inventores examinaron primero la estructura de las colonias de Sulfolobus solfataricus bajo microscopía fluorescente con luz o bien visible o bien fluorescente. Las colonias de arqueas (correspondientes a los sitios de nucleación activos 11) se obtuvieron bajo condiciones óptimas sostenidas y luego se examinó una muestra del medio de cultivo bajo microscopía usando DAPI (4', 6-diamidino-2-fenilindol) como tinción. También se obtuvieron las imágenes de SEM (Microscopía Electrónica de Barrido) de superficies recubiertas y no recubiertas, en donde las zonas recubiertas con bacterias se pueden visualizar de manera distinguible.
Experimentos de transferencia de calor por ebullición
El sobrecalentamiento de la pared (diferencia entre la temperatura de la pared y la temperatura de saturación) y los coeficientes de transferencia de calor para bacterias hipertermófilas (aquí: arqueas) de superficies de silicio desnudo y recubiertas se muestran en la Fig. 2. Según los resultados de la prueba, la mejora de la transferencia de calor usando superficies recubiertas de bacterias fue un 20 % más alta con relación a las superficies no recubiertas. Las burbujas generadas a partir de muestras de silicio desnudo y recubiertas de arqueas se muestran en la Fig. 3. Debido a la estructura porosa de las bacterias, las superficies recubiertas tienen muchos más sitios de nucleación activos (11) en comparación con la superficie de silicio desnudo. La dinámica de las burbujas en superficies recubiertas y no recubiertas se visualizó y analizó usando una cámara de alta velocidad.
Por consiguiente, los inventores han encontrado un aumento en la densidad del sitio de nucleación activo (número de sitios que generan y funden burbujas) en regiones biorrecubiertas con colonias de arqueas que conducen a una mejora de la transferencia de calor, y la interacción de las burbujas durante la salida surgida como un factor importante. Las burbujas en las partes de superficie biorrecubiertas surgen y crecen a un tamaño completo más rápidamente entonces en las partes de superficie no recubiertas y, por lo tanto, abandonan la superficie de transferencia de calor antes. Esta agitación causa un desplazamiento de líquido adicional en las inmediaciones de las partes de superficie biorrecubiertas, mejora de este modo el gradiente de temperatura y mejora aún más el coeficiente de transferencia de calor por convección alrededor de dichas partes.
Muchas técnicas de mejora de la superficie, tales como matrices de aletas, cavidades reentrantes y tratamientos de superficie que aumentan la porosidad, ya están disponibles en la bibliografía para tubos de tamaño convencional. A medida que el tamaño del tubo se contrae y se usan geometrías redondas que restringen el uso de métodos de microfabricación convencionales, se podrían implementar métodos de mejora de superficie limitados.
Los biorrecubrimientos que incluyen bacterias hipertermófilas, tales como los recubrimientos de arqueas ejemplificados en la presente descripción, podrían ofrecer una alternativa significativa e incluso una mejora a las mejoras de la superficie en microcanales/tubos, así como a escala convencional, dado que la implementación es fácil, rentable y menos dependiente de la forma de la superficie y orgánica. El biorrecubrimiento también se puede usar fácilmente en geometrías cerradas tales como microtubos, donde las técnicas de deposición física no son aplicables.
Las superficies metálicas que comprenden Al o Fe que se encuentran principalmente en forma de sus óxidos residen en cargas positivas sobre sus superficies. Muchas moléculas orgánicas residen en grupos carboxilo y amina, que están cargados negativa y positivamente, respectivamente. El recubrimiento usado en la presente invención cambia la carga neta de la superficie. Las arqueas tienen regiones hidrófobas en sus superficies y, como las cargas, la hidrofobicidad de una superficie (tal como una superficie metálica como se ha mencionado anteriormente) se puede manipular mediante la aplicación de recubrimientos de arqueas sobre la misma. De este modo, el recubrimiento usado en la presente invención proporciona además soluciones combinatorias, frente a los problemas que fallan otros materiales de recubrimiento convencionales.
Debido a la estructura porosa, las superficies recubiertas con bacterias hipertermófilas (aquí: arqueas) tienen muchos más sitios de nucleación activos (11) en comparación con las superficies desnudas y por lo tanto tienen un rendimiento de transferencia de calor por ebullición en piscina más alto. Tal recubrimiento también proporciona un área de superficie de transferencia de calor mejorada que mejora aún más las tasas de transferencia de calor. Tales biorrecubrimientos tienen además el potencial de ofrecer biocompatibilidad. El azufre actúa como el aceptor final de electrones en lugar de oxígeno en la respiración de las arqueas llamadas Sulfolobus solfataricus. Metabólicamente, Sulfolobus solfataricus depende de estos compuestos que contienen azufre para producir energía o bien heterotrófica o autotrófica. El uso de Sulfolobus solfataricus en el recubrimiento de superficies metálicas en motores de combustión podría reducir simultáneamente la liberación de los sulfóxidos surgidos por el curso de la combustión, cuya ventaja adicional se puede clasificar como biodesulfuración o desulfuración microbiana.
De este modo, se logran los siguientes objetos mediante la presente invención:
- superar las deficiencias antes mencionadas de la técnica anterior,
- provisión de superficies de transferencia de calor que permiten una eliminación de calor mejorada a la ebullición de un líquido calentado.
Lista de signos de referencia:
10 superficie de calentamiento
11 sitio de nucleación activo
20 cuerpo conductor
30 receptáculo
Q dirección de flujo de calor prevista

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un intercambiador de calor con una superficie de transferencia de calor dotada con bacterias hipertermófilas. 2. El intercambiador de calor según la reivindicación 1, en donde las bacterias incluyen las del género Archaea. 3. El intercambiador de calor según la reivindicación 2, en donde las bacterias incluyen las del género Sulfolobus. 4. El intercambiador de calor según la reivindicación 3, en donde las bacterias incluyen las de la especie Sulfolobus solfataricus.
    5. El intercambiador de calor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, adaptado a la transferencia de calor por ebullición en piscina.
    6. El uso de bacterias hipertermófilas en el recubrimiento de superficies de transferencia de calor.
    7. El uso según la reivindicación 6, en donde las bacterias comprenden las del género Archaea, preferiblemente las de la familia Sulfolobaceae, más preferiblemente las del género Sulfolobus, incluso más preferiblemente las de la especie Sulfolobus solfataricus.
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Wang et al. A magnetic gated nanofluidic based on the integration of a superhydrophilic nanochannels and a reconfigurable ferrofluid
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