Ny tilgang kunne gøre HVAC varmevekslere fem gange mere effektive

Forskere fra Tsinghua University og Brown University har opdaget en enkel måde at give et stort løft til turbulent varmeudveksling, en metode til varmetransport, der i vid udstrækning anvendes til opvarmning, ventilations- og klimaanlæg (HVAC).

I et papir udgivet i Naturkommunikation , forskerne viser, at tilføjelse af et let tilgængeligt organisk opløsningsmiddel til almindelige vandbaserede turbulente varmevekslingssystemer kan øge deres evne til at flytte varme med 500%. Det er langt bedre end andre metoder, der sigter mod at øge varmeoverførslen, siger forskerne.

"Andre metoder til at øge varmefluxen - nanopartikeladditiver eller andre teknikker - har i bedste fald opnået omkring 50% forbedring, " sagde Varghese Mathai, en postdoc forsker ved Brown og medførsteforfatter af undersøgelsen, der arbejdede med Chao Sun, en professor ved Tsinghua, der tænkte på ideen. "Det, vi opnår her, er 10 gange mere forbedring end andre metoder, hvilket virkelig er spændende. "

Turbulente varmevekslere er ret simple enheder, der bruger væskens naturlige bevægelser til at flytte varme. De består af en varm overflade, en kold overflade og en tank med væske imellem. I nærheden af ​​den varme overflade, væsken varmes op, bliver mindre tæt og danner varme faner, der stiger op mod den kolde side. Der, væsken mister sin varme, bliver tættere og danner kolde faner, der synker tilbage ned mod den varme side. Vandcyklussen tjener til at regulere temperaturen på hver overflade. Denne type varmeveksling er en fast bestanddel af moderne HVAC-systemer, der er meget udbredt i boligvarmere og klimaanlæg, siger forskerne.

I 2015, Sun havde ideen til at bruge en organisk komponent kendt som hydrofluoroether eller HFE til at fremskynde varmekredsløbet inde i denne slags varmevekslere. HFE bruges nogle gange som den eneste væske i varmevekslere, men Sun havde mistanke om, at det kunne have mere interessante egenskaber som tilsætningsstof i vandbaserede systemer. I samarbejde med undersøgelsens medforste forfatter Ziqi Wang, Mathai og Sun eksperimenterede med at tilsætte små mængder HFE og, efter tre års arbejde, var i stand til at maksimere dens effektivitet til at fremskynde varmevekslingen. Holdet viste, at koncentrationer på omkring 1 % HFE skabte dramatiske varmefluxforbedringer op til 500 %.

Ved hjælp af højhastigheds billeddannelse og laserdiagnosticeringsteknikker, forskerne var i stand til at vise, hvordan HFE-forbedringen virker. Når den er i nærheden af ​​den varme side af veksleren, kuglerne i HFE koger hurtigt, danner bifasiske bobler af damp og væske, der stiger hurtigt mod den kolde plade ovenfor. Ved den kolde tallerken, boblerne mister deres varme og falder ned som væske. Boblerne påvirker den samlede varmeflux på to måder, forskerne viste. Boblerne i sig selv fører en betydelig mængde varme væk fra den varme side, men de øger også hastigheden af ​​de omgivende vandfaner, der stiger og falder.

"Dette rører dybest set op i systemet og får fanerne til at bevæge sig hurtigere, " sagde Sun. "Kombineret med den varme, som boblerne selv bærer, vi får en dramatisk forbedring i varmeoverførslen."

Denne omrøring kan også have andre anvendelser, siger forskerne. Det kan være nyttigt i systemer designet til at blande to eller flere væsker. Den ekstra omrøring giver hurtigere og mere komplet blanding.

Forskerne påpegede, at det specifikke tilsætningsstof, de brugte-HFE7000-er ikke-ætsende, ikke-brandfarligt og ozonvenligt. En begrænsning er, at tilgangen kun virker på vertikale varmevekslingssystemer - dem, der flytter varme fra en nedre plade til en øvre. Det fungerer i øjeblikket ikke på side-til-side-systemer, selvom forskerne overvejer måder at tilpasse teknikken på. Stadig, lodrette vekslere er meget udbredt, og denne undersøgelse har vist en enkel måde at forbedre dem dramatisk.

"Denne tofasede tilgang genererer en meget stor stigning i varmeflux med minimale ændringer af eksisterende varme- og kølesystemer, "Mathai sagde. "Vi mener, at dette har et stort løfte om at revolutionere varmeudveksling i HVAC og andre store applikationer."