新方法可以使HVAC換熱器的效率提高五倍

來(lái)自清華大學(xué)和布朗大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)大力推動(dòng)湍流熱交換，這是一種廣泛用于供暖，通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)的熱傳輸方法。

在Nature Communications上發(fā)表的一篇論文中，研究人員表明，向常見的水基湍流熱交換系統(tǒng)中添加一種易于獲得的有機(jī)溶劑可以提高它們將熱量移動(dòng)500%的能力。研究人員說(shuō)，這比其他旨在增加熱傳遞的方法要好得多。

“其他增加熱通量的方法 - 納米顆粒添加劑或其他技術(shù) - 最多可以實(shí)現(xiàn)約50%的改善，”Brown的博士后研究員，該研究的共同第一作者，與教授Chao Sun合作的Varghese Mathai說(shuō)。在清華，誰(shuí)想到了這個(gè)想法。“我們?cè)谶@里取得的成就比其他方法提高了10倍，這真的非常令人興奮。”

湍流熱交換器是相當(dāng)簡(jiǎn)單的裝置，其使用液體的自然運(yùn)動(dòng)來(lái)移??動(dòng)熱量。它們由熱表面，冷表面和其間的液體罐組成。在熱表面附近，液體變熱，變得不那么致密，形成向冷側(cè)上升的溫暖羽流。在那里，液體失去了熱量，變得更加密集，并形成冷羽流，向下退回到熱側(cè)。水的循環(huán)用于調(diào)節(jié)每個(gè)表面的溫度。研究人員表示，這種類型的熱交換是家用加熱器和空調(diào)機(jī)組中廣泛使用的現(xiàn)代HVAC系統(tǒng)的主要內(nèi)容。

在2015年，Sun的想法是使用一種稱為氫氟醚或HFE的有機(jī)成分來(lái)加速這種交換器內(nèi)的熱循環(huán)。HFE有時(shí)被用作熱交換器中的唯一流體，但Sun懷疑它可能具有更多有趣的性質(zhì)作為水基體系中的添加劑。與該研究的共同第一作者Ziqi Wang合作，Mathai和Sun嘗試添加少量HFE，經(jīng)過(guò)三年的工作，能夠最大限度地提高其加速熱交換的效率。該團(tuán)隊(duì)表明，大約1%HFE的濃度創(chuàng)造了高達(dá)500%的顯著熱通量增強(qiáng)。

利用高速成像和激光診斷技術(shù)，研究人員能夠展示HFE增強(qiáng)的工作原理。當(dāng)在交換器的熱側(cè)附近時(shí)，HFE的小球迅速沸騰，形成蒸汽和液體的雙相氣泡，其快速上升到上面的冷板。在冷板處，氣泡失去熱量并以液體形式下降。研究人員表示，氣泡會(huì)以兩種方式影響整體熱通量。氣泡本身帶有大量的熱量遠(yuǎn)離熱側(cè)，但它們也增加了周圍水羽流上升和下降的速度。

“這基本上激起了系統(tǒng)，使羽毛移動(dòng)更快，”孫說(shuō)。“結(jié)合氣泡自身攜帶的熱量，我們可以顯著改善傳熱。”

研究人員說(shuō)，這種激動(dòng)人心的行動(dòng)也可以有其他應(yīng)用。它可用于設(shè)計(jì)混合兩種或多種液體的系統(tǒng)。額外的攪拌使得更快和更完全的混合。

研究人員指出，他們使用的特定添加劑-HFE7000是非腐蝕性，不易燃和對(duì)臭氧有益的。一個(gè)限制是該方法僅適用于垂直熱交換系統(tǒng) - 將熱量從下板移動(dòng)到上板的熱交換系統(tǒng)。雖然研究人員正在考慮采用這種技術(shù)的方法，但目前它并不適用于側(cè)對(duì)側(cè)系統(tǒng)。盡管如此，垂直交換器仍被廣泛使用，并且這項(xiàng)研究已經(jīng)顯示出一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)顯著改善它們。

“這種雙相方法產(chǎn)生了非常大的熱通量增加，對(duì)現(xiàn)有的加熱和冷卻系統(tǒng)的改動(dòng)很小，”Mathai說(shuō)。“我們認(rèn)為這有望改變暖通空調(diào)和其他大規(guī)模應(yīng)用中的熱交換。”