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美国/中国:清华大学和布朗大学的研究人员声称发现了一种简单的方法来促进空调和制冷系统的热交换。

在Nature Communications上发表的一篇论文中,研究人员表明,将一种现成的有机溶剂添加到常见的水基湍流热交换系统中,可以将其传热能力提高 500%。研究人员表示,这比以前研究的技术要好得多,包括添加纳米粒子。

“其他增加热通量的方法——纳米颗粒添加剂或其他技术——最多实现了大约 50% 的改进,”布朗大学的博士后研究员、该研究的共同第一作者 Varghese Mathai 说,他与教授 Chao Sun 合作过。在清华谁萌生了这个想法。“我们在这里实现的改进是其他方法的 10 倍,这真的很令人兴奋。”

湍流换热器利用液体的自然运动来移​​动热量。它们由热表面、冷表面和介于两者之间的液体槽组成。在热表面附近,液体被加热,密度降低,形成向冷侧上升的温暖羽流。在那里,液体失去热量,变得更稠密并形成冷羽流,向热的一侧下沉。水循环用于调节每个表面的温度。

2015 年,Sun 提出了一个想法,即使用一种称为氢氟醚或 HFE 的有机成分来加速这种换热器内的热循环。HFE 被用作溶剂,也用作有机朗肯循环中的专业传热流体,但 Sun 怀疑它作为水基系统中的添加剂可能具有更有趣的特性。

与该研究的共同第一作者 Ziqi Wang 合作,Matai 和 Sun 尝试添加少量 HFE,经过三年的工作,能够最大限度地提高其加速热交换的效率。该团队表明,约 1% 的 HFE 浓度会产生高达 500% 的显着热通量增强。

研究人员使用了 HFE7000,这是一种 GWP 为 530 的无腐蚀性、不可燃且臭氧友好的流体。一个限制是该方法仅适用于垂直热交换系统——将热量从下板转移到上板的系统。它目前不适用于侧对侧系统,但研究人员正在考虑调整该技术的方法。

使用高速成像和激光诊断技术,研究人员能够展示 HFE 增强的工作原理。当靠近换热器的热端时,HFE 小球迅速沸腾,形成蒸汽和液体的双相气泡,迅速上升到上方的冷板。在冷板上,气泡失去热量并以液体形式下降。研究人员表明,气泡以两种方式影响整体热通量。气泡本身从热的一侧带走了大量的热量,但它们也增加了周围水柱上升和下降的速度。

“这基本上会刺激系统并使羽流移动得更快,”孙说。“结合气泡本身携带的热量,我们在传热方面得到了显着改善。”

研究人员说,这种搅拌作用也可能有其他应用。它可用于设计用于混合两种或多种液体的系统。额外的搅拌使混合更快、更完全。

“这种双相方法在对现有加热和冷却系统进行最小修改的情况下产生了非常大的热通量增加,”马泰说。“我们认为这有望彻底改变 HVAC 和其他大规模应用中的热交换。”

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