Imagens de lapso de tempo de degelo dinâmico em superfícies superhidrofóbicas e bifílicas. O tempo t =0 representa o instante em que o derretimento do gelo foi observado pela primeira vez visualmente. Crédito:Nenad Miljkovic, Grainger Engineering
A formação e o acúmulo de gelo são preocupações desafiadoras para várias aplicações industriais, incluindo sistemas de aquecimento, ventilação, ar condicionado e refrigeração (HVAC &R), aeronave, transmissão de energia, e plataformas de transporte. Formação de geada em trocadores de calor, por exemplo, reduz a eficiência da transferência de calor e resulta em perdas econômicas significativas. Além disso, As técnicas de degelo e degelo consomem muita energia, exigindo que grandes massas de gelo sejam derretidas completamente e as superfícies sejam limpas de sobras de água durante a operação cíclica, tornando o degelo e geada um problema de bilhões de dólares nos EUA
Nenad Miljkovic, junto com pesquisadores de seu grupo, descobriram uma maneira de melhorar significativamente o degelo de gelo e geada em trocadores de calor. Suas descobertas, "Dynamic Defrosting on Superhydrophobic and Biphilic Surfaces, "foram publicados em Matéria .
O descongelamento de trocadores de calor é um processo altamente ineficiente. Os métodos de descongelação comuns não requerem apenas energia significativa para derreter o gelo, mas também energia adicional para evaporar a água derretida da superfície molhada. Pesquisadores no passado investigaram o uso de superfícies não molháveis (hidrofóbicas ou superhidrofóbicas) para retardar o congelamento e reduzir a adesão do gelo, o que de fato melhora o desempenho de descongelamento. Contudo, a retenção de água permanece prevalente em tais trocadores de calor durante a geada, descongelar, e ciclos de recongelamento.
Em um esforço para eliminar a retenção de água, Miljkovic e uma equipe liderada pelo estudante de graduação Yashraj Gurumukhi e o acadêmico de pós-doutorado Dr. Soumyadip Sett estudaram o degelo dinâmico em superfícies heterogêneas com domínios espacialmente distintos de molhabilidade, conhecidas como superfícies bifílicas. Essas superfícies bifílicas têm regiões super-hidrofóbicas (repelentes de água) e hidrofílicas (que gostam de água) alternadas. Por meio de imagens ópticas, os pesquisadores mostraram que durante o descongelamento, a camada de gelo em uma região superhidrofóbica derrete em uma lama altamente móvel, que é puxado em direção às regiões hidrofílicas por forças de superfície. Esta mobilidade permite a remoção de lama das regiões superhidrofóbicas antes de derreter completamente, limpando assim a superfície. A água é então restrita a áreas hidrofílicas, onde evapora rapidamente devido à maior área de contato.
O padrão bifílico ramificado das folhas de bananeira foi observado para determinar se um design de superfície inspirado neste padrão poderia reduzir o tempo de limpeza da superfície. Crédito:icon0.com da Pexels
Adicionalmente, para otimizar o design de suas superfícies bifílicas e compreender os efeitos da heterogeneidade do padrão, a equipe estudou padrões bifílicos ramificados inspirados em folhas de bananeira para determinar se isso reduziria o tempo de limpeza. Eles observaram que os designs bifílicos binários eram mais simples de fabricar quando comparados aos designs ramificados e ofereciam melhor desempenho de limpeza de superfície durante o descongelamento.
"Os ciclos de degelo exigem que os sistemas sejam desligados, geada derreteu completamente, e superfícies limpas antes de reiniciar o sistema, consumindo tempo e energia significativos. Melhorar a eficiência da limpeza utilizando superfícies bifílicas com padrão de molhabilidade pode reduzir o tempo de inatividade do sistema e a entrada de energia de degelo, aumentando assim a eficiência geral, "Miljkovic disse.
Com efeito, quando combinado com métodos de fabricação em larga escala adequados, As superfícies bifílicas têm o potencial de superar as superfícies homogêneas em termos de melhorias na transferência de calor e requisitos de energia.
Seu trabalho não fornece apenas diretrizes de design fundamentais para a fabricação de superfícies bifílicas, ilustra o papel dos gradientes de molhabilidade na dinâmica do descongelamento. O trabalho futuro dos pesquisadores diminuirá ainda mais o tempo de degelo, identificando gargalos críticos no processo e fornecerá metodologias de projeto para criar superfícies de aprimoramento de degelo eficazes para aplicações industriais.
