La formación y acumulación de hielo son preocupaciones desafiantes para varias aplicaciones industriales, incluidos sistemas de calefacción, ventilación, aire acondicionado y refrigeración HVAC & R, aeronaves, transmisión de energía y plataformas de transporte. La formación de escarcha en los intercambiadores de calor, por ejemplo, reduce la eficiencia de transferencia de calor y da como resultadoAdemás, las técnicas de descongelación y descongelación consumen mucha energía y requieren que grandes masas de hielo se derritan por completo y que las superficies se limpien del agua sobrante durante la operación cíclica, lo que hace que la congelación-descongelación sea un problema multimillonario enlos Estados Unidos
Nenad Miljkovic, junto con los investigadores de su grupo, han descubierto una manera de mejorar significativamente la descongelación del hielo y la escarcha en los intercambiadores de calor. Sus hallazgos, "Descongelación dinámica en superficies superhidrofóbicas y bifílicas", se han publicado en Materia .
La descongelación de los intercambiadores de calor es un proceso muy ineficiente. 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. Investigadores en el pasado han investigado el uso de superficies no humectables hidrofóbico o superhidrofóbico para retrasar el congelamiento y reducir la adherencia del hielo, lo que de hecho mejora el desempeño del descongelamiento. Sin embargo, la retención de agua sigue siendo frecuente en dichos intercambiadores de calor durante los ciclos de congelamiento, descongelamiento y re-congelamiento.
En un esfuerzo por eliminar la retención de agua, Miljkovic y un equipo dirigido por el estudiante de posgrado Yashraj Gurumukhi y el erudito postdoctoral Dr. Soumyadip Sett estudiaron la descongelación dinámica en superficies heterogéneas con dominios de humectabilidad espacialmente distintos, conocidos como superficies bifílicas. Estas superficies bifílicas se alternanRegiones 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 lodo muy móvil, que es arrastrado hacia las regiones hidrofílicas por las fuerzas superficiales.Esta movilidad permite eliminar el fango de las regiones superhidrófobas antes de que se derrita por completo, limpiando así la superficie. El agua se restringe a las áreas hidrófilas, donde se evapora rápidamente debido al área de contacto más grande.
Además, para optimizar el diseño de sus superficies bifílicas y comprender los efectos de la heterogeneidad del patrón, el equipo estudió los patrones bifílicos ramificados inspirados en hojas de plátano para determinar si reducirían el tiempo de limpieza. Observaron que los diseños bifílicos binarios eran más simples de fabricaren comparación con los diseños ramificados y ofrecieron un mejor rendimiento de limpieza de superficies durante la descongelación.
"Los ciclos de descongelación requieren que los sistemas se apaguen, que el congelamiento se derrita por completo y las superficies se limpien antes de reiniciar el sistema, lo que consume una cantidad significativa de tiempo y energía. Mejorar la eficiencia de la limpieza mediante el uso de superficies bifílicas con patrones de humectabilidad puede reducir el tiempo de inactividad del sistema y la entrada de energía de descongelación, por lo tantoaumentando la eficiencia general ", dijo Miljkovic.
En efecto, cuando se combinan 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, sino que 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 cuellos de botella críticos en el proceso y proporcionar metodologías de diseño para crearsuperficies que mejoran el descongelamiento para aplicaciones industriales.
Este proyecto fue financiado por el Centro de Aire Acondicionado y Refrigeración ACRC en MechSE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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