Immagini time-lapse di sbrinamento dinamico su superfici superidrofobiche e bifiliche. Il tempo t =0 rappresenta l'istante in cui è stato osservato visivamente per la prima volta lo scioglimento del gelo. Credito:Nenad Miljkovic, Ingegneria Grainger
La formazione e l'accumulo di ghiaccio sono problemi impegnativi per diverse applicazioni industriali, compresi i sistemi di riscaldamento, ventilazione, condizionamento e refrigerazione (HVAC&R), aereo, trasmissione di energia, e piattaforme di trasporto. Formazione di brina sugli scambiatori di calore, Per esempio, riduce l'efficienza del trasferimento di calore e provoca notevoli perdite economiche. Inoltre, le tecniche di scongelamento e sbrinamento richiedono molta energia, che richiedono lo scioglimento completo di grandi masse di ghiaccio e la pulizia delle superfici dall'acqua residua durante il funzionamento ciclico, rendendo la glassa-scongelamento un problema multimiliardario negli Stati Uniti
Nenad Miljkovic, insieme ai ricercatori del suo gruppo, hanno scoperto un modo per migliorare significativamente lo sbrinamento di ghiaccio e brina sugli scambiatori di calore. Le loro scoperte, "Sbrinamento dinamico su superfici superidrofobiche e bifiliche, " sono stati pubblicati in Questione .
Lo sbrinamento degli scambiatori di calore è un processo altamente inefficiente. I comuni metodi di scongelamento richiedono non solo un'energia significativa per sciogliere il gelo, ma anche energia aggiuntiva per far evaporare l'acqua fusa dalla superficie bagnabile. I ricercatori in passato hanno studiato l'uso di superfici non bagnabili (idrofobe o superidrofobe) per ritardare la formazione di brina e ridurre l'adesione del ghiaccio, che effettivamente migliora le prestazioni di sbrinamento. Però, la ritenzione idrica rimane prevalente su tali scambiatori di calore durante il gelo, scongelare, e cicli di ricongelamento.
Nel tentativo di eliminare la ritenzione idrica, Miljkovic e un team guidato dallo studente laureato Yashraj Gurumukhi e dallo studioso post-dottorato Dr. Soumyadip Sett hanno studiato lo sbrinamento dinamico su superfici eterogenee con domini di bagnabilità spazialmente distinti, dette superfici bifiliche. Queste superfici bifiliche hanno regioni superidrofobe (idrorepellenti) e idrofile (amante dell'acqua) alternate. Attraverso l'immagine ottica, i ricercatori hanno dimostrato che durante lo scongelamento, lo strato di brina su una regione superidrofoba si scioglie in una fanghiglia altamente mobile, che viene tirato verso le regioni idrofile dalle forze superficiali. Questa mobilità consente la rimozione della fanghiglia dalle regioni superidrofobiche prima che si sciolga completamente, pulendo così la superficie. L'acqua viene quindi limitata alle aree idrofile, dove evapora rapidamente a causa della maggiore area di contatto.
Il motivo bifilico ramificato delle foglie di banana è stato osservato per determinare se un design della superficie ispirato a questo motivo potesse ridurre i tempi di pulizia della superficie. Credito:icon0.com di Pexels
Inoltre, ottimizzare il design delle loro superfici bifiliche e comprendere gli effetti dell'eterogeneità del modello, il team ha studiato i modelli bifilici ramificati ispirati alle foglie di banana per determinare se ridurrebbe i tempi di pulizia. Hanno osservato che i design bifilici binari erano più semplici da produrre rispetto ai design ramificati e offrivano migliori prestazioni di pulizia della superficie durante lo sbrinamento.
"I cicli di sbrinamento richiedono lo spegnimento dei sistemi, il gelo si è completamente sciolto, e superfici pulite prima di riavviare il sistema, consumando molto tempo ed energia. Migliorare l'efficienza di pulizia utilizzando superfici bifiliche con motivi di bagnabilità può ridurre i tempi di fermo del sistema e l'input di energia di sbrinamento, aumentando così l'efficienza complessiva, " ha detto Miljkovic.
In effetti, quando combinato con metodi di produzione su larga scala adeguati, le superfici bifiliche hanno il potenziale per superare le superfici omogenee in termini di miglioramenti del trasferimento di calore e fabbisogno energetico.
Il loro lavoro non fornisce solo linee guida di progettazione fondamentali per la fabbricazione di superfici bifiliche, illustra il ruolo dei gradienti di bagnabilità sulle dinamiche di sbrinamento. Il lavoro futuro dei ricercatori ridurrà ulteriormente i tempi di sbrinamento identificando i colli di bottiglia critici nel processo e fornendo metodologie di progettazione per creare superfici efficaci per lo sbrinamento per applicazioni industriali.
