Forskare från Tsinghua University och Brown University har upptäckt ett enkelt sätt att ge ett stort lyft till turbulent värmeutbyte, en metod för värmetransport som ofta används vid uppvärmning, ventilations- och luftkonditioneringssystem (HVAC).

I ett papper publicerat i Naturkommunikation , forskarna visar att tillsats av ett lättillgängligt organiskt lösningsmedel till vanliga vattenbaserade turbulenta värmeväxlingssystem kan öka deras förmåga att flytta värme med 500%. Det är mycket bättre än andra metoder som syftar till att öka värmeöverföringen, säger forskarna.

"Andra metoder för att öka värmeflödet - nanopartikeltillsatser eller andra tekniker - har i bästa fall uppnått cirka 50% förbättring, "sade Varghese Mathai, en postdoktor vid Brown och medförfattare till studien, som arbetade med Chao Sun, en professor vid Tsinghua som kom på idén. "Det vi uppnår här är 10 gånger mer förbättring än andra metoder, vilket verkligen är spännande. "

Turbulenta värmeväxlare är ganska enkla enheter som använder vätskans naturliga rörelser för att flytta värme. De består av en het yta, en kall yta och tank med vätska däremellan. Nära den heta ytan, vätskan värms upp, blir mindre tät och bildar varma plymer som stiger mot den kalla sidan. Där, vätskan tappar värmen, blir tätare och bildar kalla plommon som sjunker tillbaka mot den heta sidan. Cykling av vatten tjänar till att reglera temperaturen på varje yta. Denna typ av värmeväxlare är en häftklammer i moderna HVAC -system som ofta används i hemvärmare och luftkonditioneringsenheter, säger forskarna.

År 2015, Sun hade tanken att använda en organisk komponent som kallas hydrofluoroeter eller HFE för att påskynda värmecirkulationen i denna typ av växlare. HFE används ibland som enda vätska i värmeväxlare, men Sun misstänkte att det kan ha mer intressanta egenskaper som tillsats i vattenbaserade system. I samarbete med studiens medförste författare Ziqi Wang, Mathai och Sun experimenterade med att tillsätta små mängder HFE och, efter tre års arbete, kunde maximera dess effektivitet vid snabbare värmeväxling. Teamet visade att koncentrationer på cirka 1% HFE skapade dramatiska värmeflödeförbättringar upp till 500%.

Med hjälp av höghastighetsavbildning och laserdiagnostik, forskarna kunde visa hur HFE -förbättringen fungerar. När det är nära den heta sidan av växlaren, HFE -kulorna kokar snabbt, bildar tvåfasiga bubblor av ånga och vätska som stiger snabbt mot den kalla plattan ovan. Vid den kalla tallriken, bubblorna tappar värmen och sjunker som vätska. Bubblorna påverkar det totala värmeflödet på två sätt, forskarna visade. Bubblorna själva bär en betydande mängd värme bort från den heta sidan, men de ökar också hastigheten på de omgivande vattenpylmarna som stiger och faller.

"Detta rör i grunden upp systemet och får plommon att röra sig snabbare, "Solen sa." I kombination med värmen som själva bubblorna bär, vi får en dramatisk förbättring av värmeöverföringen. "

Den omrörande åtgärden kan också ha andra tillämpningar, säger forskarna. Det kan vara användbart i system som är avsedda att blanda två eller flera vätskor. Den extra rörelsen ger snabbare och mer komplett blandning.

Forskarna påpekade att den specifika tillsats som de använde-HFE7000-är icke-frätande, obrännbart och ozonvänligt. En begränsning är att tillvägagångssättet endast fungerar på vertikala värmeväxlingssystem - sådana som flyttar värme från en nedre platta till en övre. Det fungerar för närvarande inte på sida-till-sida-system, även om forskarna överväger sätt att anpassa tekniken. Fortfarande, vertikala växlare används i stor utsträckning, och denna studie har visat ett enkelt sätt att förbättra dem dramatiskt.

"Detta bifasiska tillvägagångssätt genererar en mycket stor ökning av värmeflöde med minimala ändringar av befintliga värme- och kylsystem, "Mathai sa." Vi tror att detta har ett stort löfte att revolutionera värmeväxling inom HVAC och andra storskaliga applikationer. "