Bifile overflader reducerer afrimningstider i varmevekslere

Isdannelse og ophobning er udfordrende bekymringer for adskillige industrielle anvendelser, herunder opvarmningsventilation, klimaanlæg og kølesystemer (HVAC&R), fly, energitransmission, og transportplatforme. Frostdannelse på varmevekslere, for eksempel, reducerer varmeoverførselseffektiviteten og resulterer i betydelige økonomiske tab. I øvrigt, afrimnings- og afisningsteknikker er energikrævende, kræver, at store ismasser skal smeltes fuldstændigt, og overflader skal renses for rester af vand under cyklisk drift, gør frosting-afrimning til et problem for flere milliarder dollars i USA.

Nenad Miljkovic, sammen med forskere i hans gruppe, har opdaget en måde at forbedre afrimningen af ​​is og frost på varmevekslere markant. Deres resultater, "Dynamisk afrimning på superhydrofobe og bifile overflader, "er blevet offentliggjort i Stof .

Afrimning af varmevekslere er en meget ineffektiv proces. Almindelige afrimningsmetoder kræver ikke kun betydelig energi for at smelte frosten, men yderligere energi til at fordampe smeltet vand fra den befugtelige overflade. Forskere har tidligere undersøgt brugen af ​​ikke-fugtige overflader (hydrofobe eller superhydrofobe) for at forsinke frosting og reducere isadhæsion, hvilket faktisk forbedrer afrimningsydelsen. Imidlertid, vandophobning forbliver udbredt på sådanne varmevekslere under frost, afrimning, og genfrost-cyklusser.

I et forsøg på at eliminere vandretention, Miljkovic og et team ledet af kandidatstuderende Yashraj Gurumukhi og postdoktor Dr. Soumyadip Sett studerede dynamisk afrimning på heterogene overflader med rumligt adskilte områder af fugtbarhed, kendt som bifile overflader. Disse bifile overflader har alternerende superhydrofobe (vandafvisende) og hydrofile (vandelskende) områder. Gennem optisk billeddannelse, forskerne viste, at under optøning, frostlaget på et superhydrofobt område smelter til en meget mobil sjap, som trækkes mod de hydrofile områder af overfladekræfter. Denne mobilitet gør det muligt at fjerne sjap fra de superhydrofobe områder, før det smelter fuldstændigt, derved renser overfladen. Vand er derefter begrænset til hydrofile områder, hvor det fordamper hurtigt på grund af det større kontaktareal.

Derudover at optimere designet af deres bifile overflader og forstå virkningerne af mønsterheterogenitet, holdet studerede banan-blad-inspirerede forgrenede bifile mønstre for at afgøre, om det ville reducere rengøringstiden. De observerede, at binære bifile designs var nemmere at fremstille sammenlignet med forgrenede designs og tilbød bedre overfladerengøringsydelse under afrimning.

"Afrimningscyklusser kræver, at systemerne lukkes ned, frost helt smeltet, og overflader renset før genstart af systemet, bruger betydelig tid og energi. Forbedring af rengøringseffektiviteten ved at bruge befugtelighedsmønstrede bifile overflader kan reducere systemets nedetid og afrimning af energitilførsel, og derved øge den samlede effektivitet, " sagde Miljkovic.

Træde i kræft, kombineret med egnede fremstillingsmetoder i stor skala, bifile overflader har potentialet til at udkonkurrere homogene overflader med hensyn til varmeoverførselsforbedringer og energikrav.

Deres arbejde giver ikke kun grundlæggende designretningslinjer for fremstilling af bifile overflader, den illustrerer befugtningsgradienternes rolle på afrimningsdynamikken. Fremtidigt arbejde fra forskerne vil yderligere reducere afrimningstiden ved at identificere kritiske flaskehalse i processen og levere designmetoder til at skabe effektive afrimningsfremmende overflader til industrielle applikationer.