Imágenes time-lapse de descongelación dinámica en superficies superhidrofóbicas y bifílicas. El tiempo t =0 representa el instante en el que se observó por primera vez visualmente el derretimiento de la escarcha. Crédito:Nenad Miljkovic, Ingeniería de Grainger
La formación y acumulación de hielo son preocupaciones desafiantes para varias aplicaciones industriales, incluidos los sistemas de calefacción, ventilación, aire acondicionado y refrigeración (HVAC &R), aeronave, transmisión de energía, y plataformas de transporte. Formación de escarcha en intercambiadores de calor, por ejemplo, reduce la eficiencia de la transferencia de calor y da como resultado pérdidas económicas significativas. Es más, Las técnicas de descongelación y descongelación consumen mucha energía, requiriendo que grandes masas de hielo se derritan por completo y que las superficies se limpien del agua sobrante durante el funcionamiento cíclico, haciendo del glaseado-descongelado un problema de miles de millones de dólares en los EE. UU.
Nenad Miljkovic, junto con los investigadores de su grupo, han descubierto una forma de mejorar significativamente la descongelación del hielo y las heladas en los intercambiadores de calor. Sus hallazgos, "Descongelación dinámica en superficies superhidrófobas y bifílicas, "se han publicado en Importar .
La descongelación de los intercambiadores de calor es un proceso muy ineficaz. Los métodos de descongelación comunes no solo requieren una energía significativa para derretir la escarcha, sino también energía adicional para evaporar el agua derretida de la superficie humectable. En el pasado, los investigadores han investigado el uso de superficies no humectables (hidrófobas o superhidrófobas) para retrasar el glaseado y reducir la adhesión del hielo. lo que de hecho mejora el rendimiento de descongelación. Sin embargo, la retención de agua sigue siendo frecuente en dichos intercambiadores de calor durante las heladas, descongelar, y ciclos de re-heladas.
En un esfuerzo por eliminar la retención de agua, Miljkovic y un equipo dirigido por el estudiante graduado Yashraj Gurumukhi y el erudito postdoctoral Dr. Soumyadip Sett estudiaron la descongelación dinámica en superficies heterogéneas con dominios de humectabilidad espacialmente distintos, conocidas como superficies bifílicas. Estas superficies bifílicas tienen regiones alternas superhidrofóbicas (repelentes al agua) e hidrofílicas (amantes del agua). A través de imágenes ópticas, los investigadores demostraron que durante la descongelación, la capa de escarcha en una región superhidrofóbica se derrite en un aguanieve muy móvil, que es empujado hacia las regiones hidrófilas por fuerzas superficiales. Esta movilidad permite eliminar el fango de las regiones superhidrofóbicas antes de que se derrita por completo. limpiando así la superficie. Luego, el agua se restringe a las áreas hidrófilas, donde se evapora rápidamente debido al área de contacto más grande.
Se observó el patrón bifílico ramificado de las hojas de plátano para determinar si un diseño de superficie inspirado en este patrón podría reducir el tiempo de limpieza de la superficie. Crédito:icon0.com de Pexels
Adicionalmente, optimizar el diseño de sus superficies bifílicas y comprender los efectos de la heterogeneidad del patrón, El equipo estudió patrones bifílicos ramificados inspirados en la hoja de plátano para determinar si reduciría el tiempo de limpieza. Observaron que los diseños bifílicos binarios eran más simples de fabricar en comparación con los diseños ramificados y ofrecían un mejor rendimiento de limpieza de superficies durante la descongelación.
"Los ciclos de descongelación requieren que los sistemas se apaguen, escarcha completamente derretida, y superficies limpiadas antes de reiniciar el sistema, consumiendo mucho tiempo y energía. Mejorar la eficiencia de la limpieza mediante la utilización de superficies bifílicas con patrones de humectabilidad puede reducir el tiempo de inactividad del sistema y la entrada de energía de descongelación. aumentando así la eficiencia general, "Dijo Miljkovic.
En efecto, cuando se combina con métodos de fabricación adecuados a gran escala, Las superficies bifílicas tienen el potencial de superar a las superficies homogéneas en términos de mejoras en la transferencia de calor y requisitos de energía.
Su trabajo no solo proporciona pautas de diseño fundamentales para la fabricación de superficies bifílicas, ilustra el papel de los gradientes de humectabilidad en la dinámica de descongelación. El trabajo futuro de los investigadores reducirá aún más el tiempo de descongelación al identificar los cuellos de botella críticos en el proceso y proporcionará metodologías de diseño para crear superficies efectivas que mejoren la descongelación para aplicaciones industriales.
